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1 Resumo-Este documento apresenta o método de fabricação, escalas e algumas normas além de uma idéia geral a respeito de fios e cabos elétricos nus. Palavras-chave—Cabos, fios e nus. I. INTRODUÇÃO Este documento apresenta informações sobre fios e cabos elétricos nus a respeito de sua fabricação,escalas, normas e algumas definições. II. CONSIDERAÇÕES GERAIS Os fios e cabos são condutores elétricos, ou seja, desi- gnados como um corpo formado de material condutor e des- tinado primordialmente à condução de corrente elétrica. O cobre e o alumínio são os dois metais mais usados na fabricação dos condutores elétricos. Ao longo dos anos, o cobre tem sido o mais utilizado, sobretudo em condutores isolados, devido, principalmente, a suas propriedades elétri- cas e mecânicas. O cobre para condutores é o cobre eletrolítico, com pureza de até 99,99%. Obtido em lingotes, é transformado em ver- galhões, que são produtos maciços, semi-acabados, de forma geralmente cilíndrica e de comprimento muito maior do que a maior dimensão da seção transversal, e fabricados por lami- nação ou extrusão a quente. Os dois tratamentos principais do cobre na fabricação de condutores são o estiramento a frio, que dá o cobre duro, e o recozimento, que dá o cobre mole (ou recozido); intermediário entre esses dois tipos, tem- se o cobre meio-duro. O cobre recozido é o mais utilizado na fabricação dos condutores elétricos. O alumínio para condutores, com uma pureza de cerca de 99,5%, é obtido normalmente por laminação contínua, so- frendo processamentos análogos aos do cobre; via de regra, é utilizado alumínio meio-duro. Seu uso baseia-se principal- mente na relação condutividade/peso, a mais elevada entre todos os materiais condutores, e no seu preço, bem mais estável que o do cobre e inferior ao desse metal. O aluminio praticamente domina o campo dos condutores para linhas de transmissão; são também fabricados condutores isolados, embora seu uso apresente algumas restrições. A. Fabricação Chamamos de fio ao produto metálico de qualquer seção maciça, de comprimento muito maior do que a maior dimen- são da seção transversal. A fabricação dos fios se dá inicialmente pelo processo de fundição do metal. Enquanto fundidos, eles são quimicamen- te refinados a fim de remover impurezas indesejáveis. O metal fundido é vazado no interior de um molde onde solidificará. O molde é um lingote, isto é, simplesmente um bloco de metal solidificado que será mais tarde deformado por trabalho me- cânico. No processamento mecânico, chamado de laminação, a forma é permanentemente modificada, portanto, as tensões aplicadas devem estar acima do limite de escoamento. Nor- malmente o processamento mecânico é feito a altas tempera- turas já que nelas o material é tipicamente mais macio e mais dúctil. Após a laminação é feito a Trefilação que é um pro- cesso à temperatura ambiente onde é produzido o fio. O prin- cípio da Trefilação é o mesmo que o estiramento na bancada, mas como se tratam de grandes comprimentos, foi preciso construir máquinas especiais nas quais o arame é puxado através da fieira por rolos motrizers. Para fios de cobre, onde a seção é bastante diminuída, passa-se em maior numero de fieiras. Estas em metal duro ou diamante, são posicionadas em série. O fio passa de uma para a outra em ziguezague, conduzido por cilindros de inversão que asseguram ao mes- mo tempo a tração. O conjunto é colocado numa cuba contendo um líquido que serve, ao mesmo tempo, de lubrificador e de refrigerador. Figura 1. Trefilação B. Definições Os fios podem ser usados como condutores elétricos nus ou isolados, ou podem ser produtos semi-acabados destina- Fios e Cabos elétricos nus – Fabricação, Escalas e Normas Daniel H. Pastro, 9907998 - Eng. Elétrica -UFPR

Norma - Fios e Cabos

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Page 1: Norma - Fios e Cabos

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Resumo-Este documento apresenta o método de fabricação,escalas e algumas normas além de uma idéia geral a respeitode fios e cabos elétricos nus.

Palavras-chave—Cabos, fios e nus.

I. INTRODUÇÃO

Este documento apresenta informações sobre fios e caboselétricos nus a respeito de sua fabricação,escalas, normas ealgumas definições.

II. CONSIDERAÇÕES GERAIS

Os fios e cabos são condutores elétricos, ou seja, desi-gnados como um corpo formado de material condutor e des-tinado primordialmente à condução de corrente elétrica.

O cobre e o alumínio são os dois metais mais usados nafabricação dos condutores elétricos. Ao longo dos anos, ocobre tem sido o mais utilizado, sobretudo em condutoresisolados, devido, principalmente, a suas propriedades elétri-cas e mecânicas.

O cobre para condutores é o cobre eletrolítico, com purezade até 99,99%. Obtido em lingotes, é transformado em ver-galhões, que são produtos maciços, semi-acabados, de formageralmente cilíndrica e de comprimento muito maior do que amaior dimensão da seção transversal, e fabricados por lami-nação ou extrusão a quente. Os dois tratamentos principaisdo cobre na fabricação de condutores são o estiramento afrio, que dá o cobre duro, e o recozimento, que dá o cobremole (ou recozido); intermediário entre esses dois tipos, tem-se o cobre meio-duro. O cobre recozido é o mais utilizado nafabricação dos condutores elétricos.

O alumínio para condutores, com uma pureza de cerca de99,5%, é obtido normalmente por laminação contínua, so-frendo processamentos análogos aos do cobre; via de regra,é utilizado alumínio meio-duro. Seu uso baseia-se principal-mente na relação condutividade/peso, a mais elevada entretodos os materiais condutores, e no seu preço, bem maisestável que o do cobre e inferior ao desse metal. O aluminiopraticamente domina o campo dos condutores para linhas detransmissão; são também fabricados condutores isolados,embora seu uso apresente algumas restrições.

A. Fabricação

Chamamos de fio ao produto metálico de qualquer seçãomaciça, de comprimento muito maior do que a maior dimen-são da seção transversal.

A fabricação dos fios se dá inicialmente pelo processo defundição do metal. Enquanto fundidos, eles são quimicamen-te refinados a fim de remover impurezas indesejáveis. O metalfundido é vazado no interior de um molde onde solidificará.O molde é um lingote, isto é, simplesmente um bloco de metalsolidificado que será mais tarde deformado por trabalho me-cânico.

No processamento mecânico, chamado de laminação, aforma é permanentemente modificada, portanto, as tensõesaplicadas devem estar acima do limite de escoamento. Nor-malmente o processamento mecânico é feito a altas tempera-turas já que nelas o material é tipicamente mais macio e maisdúctil. Após a laminação é feito a Trefilação que é um pro-cesso à temperatura ambiente onde é produzido o fio. O prin-cípio da Trefilação é o mesmo que o estiramento na bancada,mas como se tratam de grandes comprimentos, foi precisoconstruir máquinas especiais nas quais o arame é puxadoatravés da fieira por rolos motrizers. Para fios de cobre, ondea seção é bastante diminuída, passa-se em maior numero defieiras. Estas em metal duro ou diamante, são posicionadasem série. O fio passa de uma para a outra em ziguezague,conduzido por cilindros de inversão que asseguram ao mes-mo tempo a tração.

O conjunto é colocado numa cuba contendo um líquidoque serve, ao mesmo tempo, de lubrificador e de refrigerador.

Figura 1. Trefilação

B. Definições

Os fios podem ser usados como condutores elétricos nusou isolados, ou podem ser produtos semi-acabados destina-

Fios e Cabos elétricos nus – Fabricação, Escalase Normas

Daniel H. Pastro, 9907998 - Eng. Elétrica -UFPR

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dos à fabricação de cabos.Os fios cuja seção tranversal não seja circular, são chama-

dos de fios perfilados e designados pela forma da seçãotransversal (quadrados, retangulares etc.).

Ao conjunto, isolado ou não, de fios metálicos encordoa-dos, isto é, aqueles dispostos helicoidalmente, não isoladosentre si, chamamos cabo. Os cabos, logicamente são maisflexíveis que os fios. A seção de um fio é a área da seçãotransversal do fio, enquanto a seção de um cabo é a somadas seções transversais dos fios componentes. Abaixo afigura mostra a seção de um fio.

Figura 2. Seção de fios

TABELA ISEÇÕES DE FIOS

Chamamos de condutor revestido ao condutor não encor-doado (fio ou barra) envolvido por uma camada delgada de

um metal diferente. Esse tipo de condutor é, em geral, qualifi-cado pelo metal utilizado no revestimento, por exemplo, “co-breado”, “zincado”, “estanhado” etc. A expressão “camadadelgada” refere-se a uma espessura de camada usualmenteobtida por disposição eletrolítica ou por imersão em metallíquido.

O condutor nu é o fio ou cabo sem revestimento, isolaçãoou camada protetora de qualquer espécie.

Os cabos podem ser unipolares ou multipolares. Um cabounipolar é defenido como um condutor maciço ou encordoa-do, dotado de isolação elétrica e de proteção mecânica. Umcabo bipolar, tripolar, ou, de modo geral, multipolar, é umconjunto de dois, três ou mais condutores justapostos, ma-ciços ou encordoados, cada um deles dotado de isolaçãoprópria (parede isolante), sendo o conjunto dotado de prote-ção mecânica comum.

Chamamos de perna ao cabo não isolado formado por fios,destinado a ser encordoado para a formação de cochas ou deum cabo de encordoamento composto. Cocha, por sua vez, éum cabo não isolado, formado por pernas, destinado a serencordoado para a formaçào de uma cabo de encordoamentobicomposto. Assim, o encordoamento composto é formadopor pernas e o encordoamento bicomposto por cochas. Alémdesses dois tipos, temos o encordoamento simples que éformado por fios.

O sentido de encordoamento pode ser para a direita (horá-rio) ou para a esquerda (anti-horário), segundo o qual os fiosou grupos de fios, ou outros componentes de um cabo, aopassarem por sua parte superior, se afastam do observadorque olha na direção do eixo do cabo.O passo de encordoa-mento é o comprimento da projeção axial de uma volta com-pleta dos fios ou grupos de fios, ou outros componentes, deuma determinada coroa.

Coroa é o conjunto de componentes ou de partes de com-ponentes de um cabo, dispostos helicoidalmente e eqüidis-tantes de um centro de referência.

Ao conjunto de fios ou cochas equidistantes do fio oucocha central de um cabo chamamos de corda. Alma é o fioou conjunto de fios que formam o núcleo central de um cabo,de material diferente do material das cordas externas e desti-nado a aumentar a resistência mecânica do cabo. Nas linhasde transmissão, são muito comuns os cabos formados porcordas de fios de alumínio em torno de uma alma de aço.

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Figura 3. a) cabos com encordoamento simples; b) cabos com encor-doamento composto

Os cabos de potência são cabos uni ou multipolares, utili-zados principalmente para o transporte de energia elétrica eminstalações de geração, transmissão, distribuição e/ou utili-zação.

Os cabos de controle são cabos uni ou multipolares, utili-zados em circuitos de controle de sistemas e equipamentoselétricos.

Dado um condutor de comprimento L, seção transversal S,sua resistência R será,

S

LR ∗=ρ ( Ω ) (1)

onde ρ é a resistividade do condutor.A variação da resistividade com a temperatura é dada por

ρ2 = ρ1 [1 + α1 (t2 – t1) ] (2)

onde ρ2 é a resistividade à temperatura t2; ρ1, a resistivi-dade à temperatura t1 e α1 é o coeficiente de temperaturarelativo a t1.

A capacidade de condução de um condutor, ou de umconjunto de condutores, é a corrente máxima que pode serconduzida em regime contínuo, sem exceder a uma tempera-tura máxima especificada. Esta capacidade depende basica-mente do material condutor, seção do condutor, tipo de is o-lação, temperatura ambiente e maneira de instalar.

C. Seções de Fios e Cabos

O padrão norte-americno consiste na utilização da escalaAWG (“American Wire Gage”) de diâmetros e, a partir dedterminado valor, na indicação de seções normalizadas emunidades do sistema inglês.

A escala AWG é uma progressão geométrica de diâmetros

em polegadas, relacionadas com os passos de estiramentodos fios; trata-se de uma escala retrocessiva, isto é, os núme-ros diminuem com o crescimento dos diâmetros. Temos:

1º termo: 0,0050” – nº 36 da escalanúmero de termos: 40razão: 1,122932240º termo: 0,4600”- nº 0000 (ou 4/0) da escala

Acima de 4/0 são indicadas as seções em “circular mil”(cmil) ou em 1000 circular mil” (kcmil); um circular mil é a áreade um círculo cujo diâmetro é um milionésimo de polegada (1mil).

O IEC recomenda que a es seções dos fios e cabos sejamexpressas em milímetros quadrados.

A Tabela I mostra um comparativo entre AWG e a sériemétrica IEC além da resistência e capacidade.

D. Comparação entre Cobre e o Alumínio

O cobre e o alumínio são os materiais condutores mais uti-lizados nos condutores elétricos. A seguir alguns aspectoscomparativos entre esses dois metais.

a) O alumínio tem uma condutividade de cerca de 60%da do cobre. Assim, para uma dada capacidade decondução, é necessário usar um condutor de alumí-nio com seção da ordem de 1,6 vezes maior do que anecessária, caso fosse usado um condutor de cobre.

b) A densidade do alumínio é de 2,7 g/cm3 , contra 8,89g/cm3 do cobre. Por ser mais leve, o alumínio é maisfácil de ser transportado e suspenso.

c) A relação entre as densidades e as condutividadesmostra que 1kg de alumínio realiza o mesmo trabalhoelétrico que cerca de 2kg de cobre. Considerando adiferença de preço entre ambos os metais, tem-se queo emprego de condutores de alumínio conduz a umaeconomia apreciável, muito embora a isolação absor-va dessa vantagem.

d) Quando exposta ao ar, a superfície do alumínio ficarecoberta por uma camada invisível de óxido, de ca-racterísticas altamente isolantes. Nas conexões comalumínio, um bom contato só será conseguido com aruptura dessa camada. Com efeito, a principal finali-dade dos conectores utilizados, de pressão e apara-fusados, é a de romper o filme de óxido. Muitas vezessão usados, durante a preparação de uma conexão,compostos que inibem a formação de uma nova ca-mada de óxido, uma vez removida a camada inicial.

e) Por ser mais mole que o cobre, o alumínio escoa compequenas pressões. Por esta razão, os conectoresusados em condutores de alumínio devem ter super-fícies de contato com área suficiente para distribuiras tensões e evitar danos à parte do condutor a sercomprimida.

f) o alumínio e o cobre estão separados eletroquimica-mente por 2 volts. Essa diferença de potencial é res-ponsável pela predisposição de uma junção cobre-

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alumínio à corrosão galvânica. Cuidados especiais,como a utilização de conectores especiais, devem sertomados, para evitar que tal corrosão ocorra.

E. Normas

Neste ítem citarei algumas normas em relação a fios e ca-bos elétricos.

A norma NBR 6814, que diz respeito ao ensaio de resistên-cia elétrica, estabelece que a resistência deve ser medida pormeio de um potênciometro caso o valor seja inferior a 1 ohmou por meio de uma ponte de wheatstone caso tenha valormaior que 1 ohm. Cito aqui mais alguns pontos desta norma:

- estabelece que a temperatura ambiente temque ser levada em conta

- quando cabos de potencial são utilizados, adistância entre cada contato de potencial eseu correspondente contato de correntedeve ser igaul ou superior a 1,5 vezes o pe-rímetro da seção transversal do condutor.

- ao medir a resistência do condutor, cuida-dos devem ser observados para manter acorrente de medição baixa, e de curta dura-ção, para assegurar que a resistência a medirnão seja modificada.

- a superfície do condutor deve estar limpapara assegurar um bom contato elétrico doscontatos de potencial e corrente com o con-dutor.

- a resistência do condutor medida a uma de-terminada temperatura deve ser corrigida àtemperatura especificada, utilizando a se-guinte fórmula:

Rto = Rt / [ 1+ αto (t - to ) ] (3)

onde:Rto = resistência corrigida à temperatura to

Rt = resistencia medida à temperatura tαto = coeficiente de temperatura da resistencia àtemperatura to

Já a norma NBR 6242 prescreve os métodos para verifica-ção dimensional de condutores. A norma estabelece a medi-ção de diâmetro de fios, do passo e da massa.

Considera-se como diâmetro do fio em um determinadoponto, a média aritmética das medidas efetuadas segundoduas direções, perpendiculares entre si, sendo que a primeiramedida deve ser considerada na direção onde o diâmetro dofio seja mínimo. Na medição deve ser empregado micrômetromilesimal para diâmetros inferiores a 1mm, e centesimal paradiâmetros superiores ou iguais a 1mm.

Considera-se como uma medição de passo de um condutorencordoado, o comprimento medido entre iguais posiçõesrelativas de N+1 segmentos consecutivos da Figura 5, sendo

N o número de fios da coroa em questão.

Figura 5. Passo de um condutor encordoado

O passo também pode ser medido como o comprimentomedido entre as marcas conforme Figura 6.

Figura 6. Passo de torcimento, encordoamento ou reunião de condu-tores encordoados

A área da seção transversal do condutor é calculada pelafórmula (4) abaixo:

S = 0,7854 x d2 x n (4)onde,S = área da seção transversal do condutor em mm2

d = diâmetro do fio componente em mmn = número de fios componentes

Ensaios de resistência mecânica também são realizadossegundo , por exemplo, a norma NBR 7271 para cabos dealumínio.

III. AGRADECIMENTOS

Agradeço a contribuição do professor Fernado Piazza re-cebida durante a elaboração deste documento .

IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Livros:[1] Van Vlack, “Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais”.

Ed. Campos[2] A. M. Ademaro, Cotrim B., “Instalações Elétricas”. McGraw

Normas:[3] NBR 6814, NBR 7271, NBR 6242

Web Sites:[4] Agência Nacional de Energia Elétrica, http://www.aneel.gov.br[5] http://www.pirelli.com.br