Principais critérios para o dimensionamento de cabos em projetos elétricos

No mundo da engenharia elétrica, um dos aspectos mais críticos é o dimensionamento correto de cabos. Esta etapa é fundamental para garantir a segurança, eficiência e confiabilidade de qualquer projeto elétrico. A escolha inadequada de cabos pode levar a falhas no sistema, riscos de incêndio e ineficiências operacionais. Por isso, é essencial compreender os critérios e as normas técnicas envolvidas nesse processo.

Normas técnicas e regulamentações

Antes de adentrarmos nos critérios específicos, é importante destacar a necessidade de seguir as normas técnicas e regulamentações locais e internacionais. No Brasil, as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) como a NBR 5410 são fundamentais.

Estas normas fornecem diretrizes claras sobre os requisitos mínimos para o dimensionamento seguro de cabos em instalações elétricas.

A NBR 5410 contém todas as tabelas e orientações para o dimensionamento correto de cabos e fios em diversas situações. (Imagem: Projetando Elétrica)

Capacidade de condução de corrente

A capacidade de condução de corrente é um critério técnico vital no dimensionamento de cabos elétricos. Ela se refere à máxima corrente elétrica que um cabo pode transportar de maneira segura e eficiente, sem riscos de superaquecimento ou danos ao seu isolamento e estrutura.

Este parâmetro é crucial para a integridade e funcionamento adequado das instalações elétricas.

Fatores Determinantes na Capacidade de Condução de Corrente

Material Condutor

O tipo de material usado no condutor influencia significativamente sua capacidade de conduzir corrente. Materiais como cobre e alumínio são comuns, com o cobre sendo preferido devido à sua maior condutividade elétrica.

A pureza e a composição do material também afetam a resistência elétrica, impactando diretamente na capacidade de condução.

Temperatura Ambiente

A capacidade de condução de corrente é inversamente proporcional à temperatura ambiente. Altas temperaturas podem reduzir a capacidade de um cabo de transportar corrente, pois aumentam a resistência elétrica do condutor. Por isso, é necessário considerar as condições ambientais onde o cabo será instalado, utilizando fatores de correção quando necessário.

Método de Instalação

O modo como o cabo é instalado impacta na sua dissipação de calor. Instalações em dutos, canaletas ou diretamente enterradas, por exemplo, possuem diferentes capacidades de condução devido às variações na eficiência de dissipação de calor. A proximidade entre cabos e a presença de outros materiais condutores de calor também influenciam essa capacidade.

Seção Transversal do Condutor

A área da seção transversal do condutor é diretamente proporcional à sua capacidade de condução de corrente. Condutores com maior seção transversal podem transportar mais corrente, pois possuem menor resistência elétrica.

Tipo de Isolamento

O material de isolamento do cabo não apenas protege contra curtos-circuitos e contatos indesejados, mas também influencia a capacidade de condução de corrente. Diferentes materiais isolantes têm diferentes tolerâncias ao calor, o que afeta a capacidade do cabo de dissipar calor gerado pela resistência elétrica.

Queda de tensão admissível para dimensionamento de condutores

A queda de tensão admissível é um parâmetro técnico crucial no dimensionamento de sistemas elétricos, especialmente em instalações de longa distância.

Ela se refere à redução máxima permitida na tensão elétrica entre a origem de alimentação (geralmente o painel de distribuição) e o ponto final de consumo (como um equipamento ou tomada) em um circuito elétrico.

O controle adequado da queda de tensão é essencial para garantir o desempenho eficiente dos equipamentos e a segurança da instalação.

Cálculo da Queda de Tensão

A queda de tensão em um circuito elétrico pode ser calculada pela fórmula V = I x R x L, onde V é a queda de tensão, I é a corrente elétrica, R é a resistência do condutor por unidade de comprimento, e L é o comprimento total do cabo. Em circuitos de corrente alternada, a reatância do condutor e o fator de potência também devem ser considerados.

Limites Admissíveis

A norma NBR 5410 estabelece limites para a queda de tensão em instalações elétricas. Geralmente, a queda de tensão não deve exceder 3% do valor da tensão nominal para iluminação e 5% para outros circuitos em uma instalação residencial ou comercial.

Em sistemas industriais, esses limites podem variar dependendo das características específicas e requisitos dos equipamentos.

Influência do Comprimento e Seção Transversal do Condutor

Quanto maior o comprimento do cabo e menor a sua seção transversal, maior será a queda de tensão. Por isso, em instalações de longa distância, é fundamental selecionar cabos com seções transversais adequadas para minimizar a perda de tensão.

Material do Condutor

Diferentes materiais condutores possuem resistências elétricas distintas. Por exemplo, o cobre, por ter uma resistência elétrica menor que o alumínio, resulta em menor queda de tensão para uma mesma seção transversal e comprimento de cabo.

Impacto nos Equipamentos

Uma queda de tensão excessiva pode afetar adversamente o desempenho dos equipamentos elétricos, levando a um funcionamento ineficiente, redução da vida útil e até falhas.

Seção transversal do cabo

A seção transversal do cabo é um aspecto técnico de suma importância no dimensionamento de sistemas elétricos.

Ela se refere à área da parte condutora do cabo, usualmente medida em milímetros quadrados (mm²). A escolha adequada da seção transversal é fundamental para garantir não apenas a eficiência da transmissão de energia, mas também a segurança da instalação.

Capacidade de Condução de Corrente

A seção transversal determina a capacidade de um cabo de transportar corrente elétrica. Cabos com seções transversais maiores podem conduzir mais corrente sem superaquecer. Isso é crucial para evitar o risco de incêndios ou danos ao isolamento do cabo devido ao excesso de calor.

Cálculo da Seção Transversal

O cálculo da seção transversal adequada para um dado circuito depende da corrente máxima esperada e da capacidade de condução de corrente do material do cabo. Utilizam-se tabelas normativas (como as da NBR 5410) que relacionam a corrente de projeto com a seção transversal recomendada para diferentes condições de instalação.

Queda de Tensão

A seção transversal do cabo também influencia na queda de tensão ao longo do circuito. Seções transversais inadequadas podem resultar em quedas de tensão superiores aos limites aceitáveis, afetando o desempenho dos equipamentos elétricos.

Resistência Elétrica e Perdas de Energia

A resistência elétrica de um cabo é inversamente proporcional à sua seção transversal. Portanto, cabos com seções transversais maiores possuem menor resistência, o que resulta em menores perdas de energia durante a transmissão.

Tipos de Carga e Condições de Instalação

É necessário considerar o tipo de carga (resistiva, indutiva ou capacitiva) e as condições de instalação (embutida, ao ar livre, em dutos, etc.) para escolher a seção transversal correta. Esses fatores afetam a dissipação de calor e a capacidade de condução de corrente.

Tipo de isolamento e material condutor

Os tipos de isolamento e materiais condutores são elementos fundamentais nas instalações elétricas e são regulamentados pelas normas técnicas, como a NBR 5410. Eles desempenham papéis críticos na segurança e no desempenho dessas instalações. A seguir, descrevo os tipos de isolamento e materiais condutores comuns:

Tipos de Isolamento

PVC (Policloreto de Vinila): O PVC é um dos tipos mais comuns de isolamento usado em cabos e fios elétricos. É conhecido pela sua flexibilidade, durabilidade e resistência à umidade. O PVC é amplamente utilizado em instalações elétricas de baixa tensão, como circuitos de iluminação e tomadas.

XLPE (Polietileno Reticulado): O XLPE é um isolamento de alta qualidade usado em cabos de média e alta tensão. Ele oferece excelente resistência ao calor e ao envelhecimento, tornando-se uma escolha preferencial em aplicações mais exigentes.

EPR (Etileno Propileno): O EPR é outro tipo de isolamento adequado para cabos de média e alta tensão. Ele é conhecido por sua excelente resistência a altas temperaturas e é frequentemente usado em sistemas de distribuição de energia.

Materiais Condutores

Cobre: O cobre é o material condutor mais comum e amplamente utilizado em instalações elétricas. Ele é altamente condutivo, resistente à corrosão e apresenta excelente maleabilidade, o que facilita a fabricação de fios e cabos flexíveis.

Alumínio: O alumínio é um material condutor alternativo que é mais leve do que o cobre e, portanto, é usado em cabos de média e alta tensão, bem como em linhas de transmissão de energia. No entanto, ele tem uma condutividade elétrica ligeiramente menor que o cobre, o que requer seções transversais maiores para a mesma capacidade de corrente.

Aço Revestido de Cobre (ACSR): Este é um tipo especial de condutor usado em linhas de transmissão de alta tensão. Consiste em um núcleo de aço revestido por fios de cobre ou alumínio, combinando a resistência mecânica do aço com a condutividade dos materiais condutores.

Condições ambientais e mecânicas

As condições ambientais e mecânicas são fatores críticos a serem considerados no dimensionamento de cabos elétricos, garantindo que eles atendam aos requisitos de segurança e desempenho nas instalações elétricas. Abaixo, descrevo alguns dos principais aspectos a serem considerados:

Condições Ambientais:

Temperatura Ambiente: A temperatura ambiente é um fator importante, pois afeta a capacidade de carga dos cabos. Em ambientes com temperaturas elevadas, a capacidade de carga dos cabos pode ser reduzida, enquanto em ambientes frios, os cabos podem suportar cargas maiores.

Umidade e Exposição à Água: Cabos expostos a ambientes úmidos ou submersos devem ser projetados com isolamentos e revestimentos resistentes à umidade. Isso evita a degradação do isolamento e previne curtos-circuitos.

Radiação Solar: Em ambientes externos, a exposição à radiação solar pode causar aumento de temperatura nos cabos. Cabos com proteção UV são necessários para evitar danos causados pela radiação solar.

Agentes Químicos: Em ambientes industriais, cabos podem estar expostos a produtos químicos corrosivos. Nesses casos, é necessário usar cabos resistentes a agentes químicos específicos.

Ambientes Exigentes: Ambientes especiais, como instalações subterrâneas, mineração ou instalações offshore, exigem cabos projetados para suportar condições extremamente desafiadoras.

Condições Mecânicas:

Tração Mecânica: Cabos que estão sujeitos a tração mecânica, como cabos de içamento, devem ser dimensionados para suportar a força de tração aplicada sem que haja rompimento.

Flexibilidade: Em aplicações onde os cabos precisam ser flexíveis, como em cabos de alimentação de equipamentos móveis, a flexibilidade do cabo é um fator crucial.

Impacto Mecânico: Cabos que estão expostos a impactos mecânicos, como pisoteio ou golpes, devem ser protegidos ou instalados de forma a evitar danos.

Compressão: Em aplicações subterrâneas ou em túneis, os cabos podem ser expostos a compressão devido a cargas de solo. O dimensionamento adequado deve levar em conta essa pressão.

Abrasão (Desgaste): Em áreas onde os cabos podem estar sujeitos ao desgaste causado pelo atrito com superfícies ásperas, é importante usar cabos resistentes à abrasão ou adotar medidas de proteção.

Tabelas para o dimensionamento correto de cabos

Abaixo, listamos todas as tabelas relevantes para o dimensionamento correto dos cabos de acordo com a NBR5410:

1. Métodos de instalação

Os métodos de instalação para os cabos para o dimensionamento correto. (Imagem: Projetando Elétrica)

2. Capacidades de condução de corrente para os métodos de referência A1, A2, B1, B2, C e D, em Ampéres – Tabela 1

Considerando:

Fios e cabos isolados em termoplástico, condutor de cobre.

2 e 3 condutores carregados.

Temperatura no condutor = 70ºC

Temperatura ambiente = 30ºC e do solo = 20ºC

A capacidade de condução de corrente dos cabos de acordo com a bitola e os métodos de referência. (Imagem: Projetando Elétrica)

3. Capacidades de condução de corrente para os métodos de referência A1, A2, B1, B2, C e D, em Ampéres – Tabela 2

Considerando:

2 e 3 condutores carregados.

Temperatura no condutor = 90ºC

Temperatura ambiente = 30ºC e do solo = 20ºC

O segundo método, para configuração diferente de cabos condutores. (Imagem: Projetando Elétrica)

4. Capacidades de condução de corrente para os métodos de referência E, F, G – Tabela 3

Considerando:

Fios e cabos isolados em termoplástico, condutor de cobre.

2 e 3 condutores carregados.

Temperatura no condutor = 70ºC

Temperatura ambiente = 30ºC e do solo = 20ºC

A tabela de dimensionamento correta para capacidade de condução de corrente nos métodos E, F, G. (Imagem: Projetando Elétrica)

5. Capacidades de condução de corrente para os métodos de referência E, F, G – Tabela 4

Considerando:

Fios e cabos isolados em termofixo, condutor de cobre.

2 e 3 condutores carregados.

Temperatura no condutor = 90ºC

Temperatura ambiente = 30ºC e do solo = 20ºC

Dimensione os condutores de acordo com os métodos E, F, G. (Imagem: Projetando Elétrica)

6. Fatores de correção para temperaturas ambientes diferentes de 30º C para cabos não enterrados e 20º C (temperatura do solo) para cabos enterrados

Tabela com fatores de correção para os cabos de acordo com a temperatura. (Imagem: Projetando Elétrica)

7. Fatores de correção para agrupamento de circuitos ou cabos multipolares

Importante:

a) Osfatoresabaixo são aplicáveis a grupos de cabos, uniformemente carregados.

b) Quando a distância horizontal entre cabos adjacentes for superior ao dobro de seu diâmetro externo, não é necessário aplicar nenhum fator de correção.

c) Os mesmos fatores de correção são aplicáveis a: (1) grupos de 2 ou 3 condutores isolados ou cabos unipolares; (2) cabos multipolares.

d) Se um agrupamento é constituído tanto de cabos bipolares como de cabos tripolares, o número total de cabos é tomado igual ao número de circuitos e o fator de correção correspondente é aplicado às tabelas de 3 condutores carregados para cabos tripolares.

e) Se um agrupamento consiste de N condutores isolados ou cabos unipolares, pode-se considerar tanto N/2 circuitos com 2 condutores carregados como N/3 circuitos com 3 condutores carregados.

f) Os valores indicados são médios para a faixa usual de seções nominais, com precisão de ± 5%.

g) Os fatores de correção dos itens 4 e 5 são genéricos e podem não atender a situações específicas. Nesses casos, deve-se recorrer às tabelas 10 e 11.

Os circuitos agrupados precisam de correção para o correto dimensionamento dos cabos. (Imagem: Projetando Elétrica)

Para cabos contidos em eletrodutos enterrados no solo, com resistividades térmicas diferentes de 2,5 k.M/W, a serem aplicados às capacidades de condução de corrente do método de referência D.

• Para resistividade térmica (K.m/W) de 1: 1,18
• Para resistividade térmica (K.m/W) de 1,5: 1,10
• Para resistividade térmica (K.m/W) de 2: 1,05
• Para resistividade térmica (K.m/W) de 3: 0,96

8. Fatores de correção para agrupamento com mais de um circuito em cabos unipolares ou cabos multipolares diretamente enterrados (método de instalação D da tabela 1)

Os fatores de correção para agrupamentos com mais de um circuito diretamente enterrados. (Imagem: Projetando Elétrica)

9. Multiplicadores a utilizar para a obtenção dos fatores de agrupamento aplicáveis a circuitos trifásicos ou cabos multipolares ao ar livre, cabos contíguos, em várias camadas horizontais, em bandejas, prateleiras e suportes horizontais (métodos de instalação C, E, F da tabela 1)

Importante: os fatores são obtidos multiplicando os valores referentes à disposição num plano horizontal pelos referentes à disposição num plano vertical, que corresponde ao número de camadas.

As tabelas ajustam para a obter fatores de agrupamento em circuitos trifásicos nos métodos C, E, F. (Imagem: Projetando Elétrica)

10. Fatores de correção para agrupamentos com mais de um circuito para cabos em eletrodutos diretamente enterrados (método de instalação D da tabela 1)

a. Cabos multipolares em eletrodutos 1 cabo por eletroduto

Mais uma tabela com fatores de correção para agrupamentos com mais de um circuito em eletrodutos enterrados. (Imagem: Projetando Elétrica)

b. Cabos unipolares em eletrodutos 1 cabo por eletroduto

Um cabo em um eletroduto e seu fator de correção. (Imagem: Projetando Elétrica)

11. Fatores de correção para agrupamentos de mais de um cabo multipolar ao ar livre (método de instalação E na tabela 1)

Importante:

a) Os valores indicados são médios para os tipos de cabos e a faixa de seções da tabela 3.

b) Os fatores são aplicáveis a cabos agrupados em uma única camada, como mostrado acima, e não se aplicam a cabos dispostos em mais de uma camada. Os valores para tais disposições podem ser sensivelmente inferiores e devem ser determinados por um método adequado; pode ser utilizada a tabela do item 9.

c) Os valores são indicados para uma distância vertical entre bandejas ou leitos de 300 mm. Para distâncias menores, os fatores devem ser reduzidos.

d) Os valores são indicados para uma distância horizontal entre bandejas de 225 mm, estando estas montadas fundo a fundo. Para espaçamentos inferiores, os fatores devem ser reduzidos.

Fatores de correção para agrupamentos de mais de um cabo multipolar ao ar livre. (Imagem: Projetando Elétrica)

12. Fatores de correção para o agrupamento de circuitos constituídos por cabos unipolares ao ar livre (método de instalação F na tabela 1)

Importante:

a) Os valores indicados são médios para os tipos de cabos e a faixa de seções da tabela 3.

b) Os fatores são aplicáveis a cabos agrupados em uma única camada, como mostrado acima, e não se aplicam a cabos dispostos em mais de uma camada. Os valores para tais disposições podem ser sensivelmente inferiores e devem ser determinados por um método adequado; pode ser utilizada a tabela do item 9.

c) Os valores são indicados para uma distância vertical entre bandejas ou leitos de 300 mm. Para distâncias menores, os fatores devem ser reduzidos.

d) Os valores são indicados para uma distância horizontal entre bandejas de 225 mm, estando estas montadas fundo a fundo. Para espaçamentos inferiores, os fatores devem ser reduzidos.

e) Para circuitos contendo vários cabos em paralelo por fase, cada grupo de três condutores deve ser considerado como um circuito para a aplicação desta tabela.

Cabos unipolares agrupados e seus fatores de correção. (Imagem: Projetando Elétrica)

13. Presença de harmônicas

Importante:

a) Na presença de harmônicas entre 15 e 33% utilizar um fator multiplicador de 0,86 para as tabelas de condução de corrente para todas as fases e neutro.

b) Na presença de harmônicas, a corrente no neutro será superior a das fases, portanto a seção do neutro tenderá a ser maior. Para calcular, aplicar os fatores acima sobre a corrente de projeto (lembrando que a corrente de projeto deve conter os componentes das harmônicas).

In = lb x fx

Onde:

ln = corrente do neutro

lb = corrente do projeto

fh = fator de correção

Com este valor, verificar nas tabelas de capacidade de corrente a seção do neutro (utilizar colunas de circuito com 3 condutores).

Fator FH para a determinação de corrente de neutro na tabela abaixo:

O cálculo quando há a presença de harmônicas é diferente no dimensionamento dos cabos. (Imagem: Projetando Elétrica)

14. Seções mínimas dos condutores de cobre em função da utilização

Importante:

a) Em circuitos de sinalização e controle destinados a equipamentos eletrônicos são admitidas seções de até 0,1 mm²

b) Em cabos multipolares flexíveis contendo sete ou mais veias são admitidas seções de até 0,1mm²

c) Os circuitos de tomadas de corrente são considerados como circuitos de força

Entenda quais seções mínimas para os condutores de cobre em função da utilização dos cabos. (Imagem: Projetando Elétrica)

15. Seções dos condutores neutro e de proteção

Importante:

No caso de identificação por cor para o condutor neutro, deve ser azul-claro na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar.

Na mesma situação para o condutor de proteção (PE), deve ser identificado por dupla coloração, verde-amarela ou, na falta dessa, a cor verde. Para o condutor com dupla função de neutro e proteção (PEN), deve ser identificado na cor azul-claro com anilhas verde-amarelas nos pontos visíveis ou acessíveis.

Em sistemas trifásicos, a seção ou condutor neutro, poderá ser inferior à dos demais condutores fases, respeitados os valores mínimos dados acima, desde que as duas condições seguintes forem simultaneamente atendidas:

a) quando não for prevista a presença de harmônicas

b) a máxima corrente que poderá vir a percorrer o condutor neutro em serviço normal seja inferior à capacidade de condução de corrente correspondente à seção reduzida do condutor neutro

Seções para os condutores neutro e de proteção. (Imagem: Projetando Elétrica)

16. Limites de queda de tensão

Em qualquer ponto de utilização da instalação, a redução da tensão observada não deve exceder os seguintes valores em relação à tensão nominal da instalação:

a) 7% quando medida a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT, desde que o transformador seja de propriedade da(s) unidade(s) consumidora(s).

b) 7% quando medida a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT da empresa distribuidora de eletricidade, se o ponto de entrega estiver localizado ali.

c) 5% quando medida a partir do ponto de entrega, em todos os outros casos de ponto de entrega com fornecimento em tensão secundária de distribuição.

d) 7% quando medida a partir dos terminais de saída do gerador, se houver um grupo gerador próprio.

Observações:

1 – Estes limites de redução de tensão aplicam-se quando a tensão nominal dos equipamentos de utilização planejados for igual à tensão nominal da instalação.

2 – Ponto de entrega: O ponto de conexão do sistema elétrico da empresa distribuidora de eletricidade com a instalação elétrica da(s) unidade(s) consumidora(s) que define as responsabilidades da distribuidora, conforme determinado pela autoridade reguladora.

3 – Nos casos das alíneas a), b) e d), se as linhas principais da instalação tiverem um comprimento superior a 100 metros, as reduções de tensão podem ser aumentadas em 0,005% por metro adicional acima de 100 metros, mas não devem ultrapassar 5%.

4 – Para circuitos de motores durante a partida, a redução de tensão não deve exceder 10%.

5 – Em nenhum caso, a redução de tensão nos circuitos pode ser superior a 4%.

6 – Reduções de tensão maiores do que as especificadas em 6.2.7.1 são permitidas para equipamentos com corrente de partida elevada durante o período de partida, desde que estejam dentro dos limites permitidos pelas suas respectivas normas.

O dimensionamento correto de cabos em projetos elétricos é um processo complexo que exige atenção a uma série de critérios técnicos. O não cumprimento destes critérios pode resultar em falhas graves, riscos de segurança e ineficiências operacionais.

Por isso, é essencial que os profissionais da área estejam sempre atualizados com as normas técnicas e melhores práticas do setor.

Para garantir a excelência na execução de projetos elétricos, recomenda-se a consulta contínua a especialistas e a utilização de ferramentas e softwares atualizados para o cálculo e dimensionamento de cabos.

É fundamental a realização de inspeções e manutenções periódicas para assegurar que os sistemas elétricos permaneçam seguros e eficientes ao longo do tempo.