Aula 20 Cabos e Contatos (4)

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Aula 20 – Volume II – Cabos e Contatos 
Elétricos
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS – EL416
Introdução
Neste tópico serão estudados mais alguns detalhes técnicos dos 
cabos no que tange ao seu isolamento, perdas, descargas 
parciais, efeito pelicular, capacidade de condução e diversos tipos 
de cabos utilizados para instalações prediais, controle, 
enrolamentos, transmissão de energia elétrica, tubos, barras e 
cordoalhas condutoras, condutores para telecomunicações e a 
tecnologia das conexões elétricas.
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Gradiente de potencial na 
isolação
Entre os parâmetros mais relevantes no processo de seleção do 
material de isolação se encontra a “rigidez dielétrica” da camada 
isolante.
As duas equações a seguir expressam o gradiente máximo entre o 
condutor e a isolação:
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  
  
mm. em condutor, do diâmetror
mm; em externo, diâmetroR
kV; em ,terratensãofaseV
kV; em fase,-fase tensãoV
máximo; gradienteG
:Onde
mmkV rRlogr/V869,0G
mmkV rRlogr/V502,0G
0
ff
0
ff







Gradiente de potencial na 
isolação
Vale a pena ressaltar que a rigidez 
dielétrica varia de seção para seção ao 
longo do comprimento do condutor. Esta 
dispersão é aleatória e proporcional ao 
número de vazios ou impurezas 
localizadas no interior da massa isolante.
Essa dispersão é muito menor nas 
isolações estratificadas do que nas 
isolações sólidas. A razão deste fato é que 
nas primeiras, com o uso de 
impregnantes, os vazios são mais 
evitados, enquanto que nas sólidas é 
impossível garantir a sua total ausência.
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Perdas nos Dielétricos
As perdas que ocorrem nos dielétricos podem ser calculadas pela 
seguinte equação: P = 2fCV2tg
Onde:
P = perdas, em watts;
F = frequência, em Hz;
C = capacitância, em Farad;
V = tensão fase-terra, em Volts;
tg = tangente do ângulo de perdas.
O produto ԑrtg (onde ԑr é a constante dielétrica) é denominado de 
“fator de perdas”.
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Descargas Parciais na Isolação
Deve ser levada em consideração a possibilidade da existência de 
bolhas de ar, nas quais poderão ser produzidas descargas internas e 
danificar seriamente a massa dielétrica.
Esse fenômeno é conhecido como “descargas parciais” e resultam da 
disrupção do ar existente no interior dessas oclusões gasosas.
Por outro lado, sabe-se que um gradiente de potencial aplicado através 
de dielétricos em série será dividido na proporção inversa das 
constantes dielétricas dos respectivos materiais.
Logo, o gradiente de potencial elétrico aplicado deve ser limitado a um 
valor que possa evitar a ionização das bolhas.
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Descargas Parciais na Isolação
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ԑ1ԑ2
5,4
Suponha-se uma bolha de ar de 0,1mm, situada no interior da massa 
de isolação sólida de polietileno, cuja constante dielétrica é 2,3. Pelo 
gráfico a bolha se ionizará a um potencial de 5,4 kV/mm, daí:
10
Espessura das bolhas em mmx10-2
C
a
m
p
o
 e
lé
tr
ic
o
, 
e
m
 k
V
/m
m
Pressão atmosférica
Curva A – 20oC
Curva B – 75 oC
mmkV 69,12
1
35,24,5E
E
E
E
1
21
2
2
1
2
1 








O cabo deve ser projetado para 
manter o campo neste limite.
O Efeito Pelicular
O efeito pelicular está associado à maior densidade de corrente elétrica 
nas camadas mais próximas da superfície do condutor.
A espessura condutora, se aproximando da superfície é tanto menor 
quanto maior for a frequência do sinal elétrico a conduzir.
Por esta razão, em alta frequência são geralmente utilizados condutores 
que recebem uma cobertura de prata.
Por outro lado, havendo uma maior concentração de corrente na seção 
externa do condutor, menor ou mesmo ausente será a corrente no 
interior, resultando no uso de condutores ocos ou com alma de aço para 
agregar mais resistência mecânica ao conjunto.
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O Efeito Pelicular
Por conseguinte, a redução da seção condutora traz uma elevação da 
resistência elétrica, de modo que:
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correção. de ecoeficientk
contínua; corrente a aresistênciR
alternada; corrente a aresistênciR
:onde ,RkR
cc
ca
ccca




Seção No de fios Rcc R a 25Hz R a 50Hz R a 60Hz
4/0 19 0,276 0,276 0,276 0,276
700 MCM 61 0,084 0,084 0,086 0,087
1500 MCM 61 0,0339 0,040 0,044 0,046
2000 MCM 61 0,029 0,031 0,035 0,038
Verifica-se que a influência do efeito pelicular é sensivelmente maior para 
cabos de maiores diâmetros.
Capacidade de Condução dos 
Condutores
Ao transmitir uma corrente elétrica, admitindo que o condutor esteja 
inicialmente na temperatura ambiente, a corrente irá provocar um aquecimento 
progressivo até atingir uma temperatura de regime, a qual dependerá das 
características do condutor, do valor da corrente constante e das condições 
ambientais.
No período inicial, chamado transitório, a energia térmica desenvolvida é em 
parte consumida pelo aquecimento do próprio condutor. Uma vez atingida a 
temperatura de regime, toda energia desenvolvida se dispersa no meio 
ambiente e o condutor permanece com a sua temperatura constante.
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Tempo
Capacidade de Condução dos 
Condutores
Para os condutores isolados, unipolares ou multipolares, pode-se definir 
a denominada temperatura máxima de regime contínuo φz, como 
sendo a maior temperatura que pode ser suportada continuadamente 
pelo material que constitui a isolação do condutor.
Esta temperatura deve ser compatível com a estabilidade térmica fixada 
pela IEC. Para os materiais correntemente usados, tem-se os seguintes 
valores:
◦ PVC 70 oC;
◦ EPR 90 oC;
◦ XLPE 90 oC.
Para o condutor isolado define-se também a capacidade de condução 
de corrente, indicada por Iz, como sendo a maior corrente que, 
circulando continuamente pelo condutor conduz a sua superfície externa 
(junto da isolação) a uma temperatura φz.
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Capacidade de Condução dos 
Condutores
A capacidade de condução de corrente depende de vários fatores:
▪ natureza do material condutor;
▪ seção nominal do condutor;
▪ natureza do material de isolação;
▪ temperatura;
▪ condições de instalação do condutor.
A capacidade de condução de corrente depende também das condições 
de instalação. Depende não apenas da maneira como estão instalados os 
condutores (em eletrodutos, em linhas aéreas, em bandejas, em dutos 
subterrâneos, etc), mas também do número de condutores agrupados.
Tudo isso se prende ao problema de dissipação do calor: a capacidade de 
condução de corrente será tanto menor, quanto piores forem as 
condições de dissipação de calor (arrefecimento).
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Condutores para Instalações 
Prediais
Segundo a NBR-5410 (Instalações Elétricas de Baixa Tensão), nas 
instalações prediais só devem ser usados condutores de cobre.
Todos os condutores devem ser isolados. O PVC é o isolante mais 
utilizado. Atualmente se utiliza o PVC 70 oC, que substitui o PVC 60 oC, 
permitindo uma maior densidade de corrente, desde que o aumento da 
temperatura em regime de serviço contínuo corresponde a um 
aumento da capacidade de condução.
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Cabos de controle
Os cabos de controle são empregados nos circuitos de comando, 
controle e sinalização de equipamentos elétricos em geral.
Construtivamente utilizam condutores constituídos de fios de cobre 
estanhado e são isolados com PVC, polietileno, etilenopropileno (EPR) 
ou policloropreno.
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Cabos de controle
Em determinados casos o sinal a ser transmitido não deve sofrer 
interferências:
◦ campos elétricos ou magnéticos espúrios.
A utilização de uma blindagem é um detalhe construtivo muito 
importante.
Os cabos de controle podem ter instalações fixas ou móveis:
◦ deve ser observado a flexibilidade do cabo, função do movimento solicitado.
Também as condições ambientais devemser analisadas.
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Cabos de controle
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Cabos de controle
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Fios magnéticos
São utilizados nos enrolamentos das máquinas elétricas rotativas, 
transformadores, relés, etc.
O condutor mais utilizado é o cobre eletrolítico recozido:
◦ isolação de papel, impregnado com verniz ou óleo mineral isolante:
◦ no caso dos transformadores;
◦ isolação de seda ou tecidos sintéticos compostos (polímero/mica) 
impregnados ou esmaltados.
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Fios magnéticos
As seções são quadradas ou retangulares com o objetivo de economizar 
espaço e de oferecer maior superfície para irradiação do calor, como 
também permitir maior rigidez mecânica em sua instalação nas 
ranhuras do circuito magnético:
◦ não obedecem a uma tabela padronizada.
O uso de fios esmaltados 
(seções circulares) é também
largamente praticado:
◦ apresentam também excelentes 
propriedades e um bom ganho 
de espaço.
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Condutores nus
Nas linhas aéreas se utilizam cabos nus de cobre duro ou de alumínio 
reforçado com alma de aço (tipo AAC ou ACSR), sendo este último o 
mais largamente empregado.
◦ AAC – All Aluminium Alloy Conductor
◦ ACSR – Aluminium Conductor Steel Reinforced:
◦ importância histórica na transmissão de energia;
◦ podem operar em regime contínuo até 93 oC.
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Condutores Nus Especiais
Cabo de alumínio-liga 6201 (CAL 6201)
◦ Alma em liga permitindo a redução do peso específico.
Cabo de alumínio termorresistente com alma de aço 
(T-CAA ou T-ACSR)
◦ Pode operar em regime continuo a 150 °C e em regime de 
emergência a 180°C sem que haja deterioração de suas propriedades 
mecânicas .
Condutor tipo gap de liga de alumínio ultra 
termorresistente reforçado com aço (GZTACSR)
◦ A primeira camada da coroa de alumínio tem um formato compacto 
e um certo afastamento da alma de aço; este vazio, geralmente 
preenchido com graxa resistente a altas temperaturas, proporciona 
ao condutor uma alta capacidade de absorção de vibração. 
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Condutores Nus Especiais
Condutor de liga de alumínio ultra termorresistente reforçado 
com INVAR (ZTACIR)
◦ O INVAR é uma liga de aço com 36-38% de níquel. Esta composição
proporciona um coeficiente de dilatação térmica praticamente
invariável com o calor. Permite sua operação a 210°C em regime
contínuo e 240 °C em regime de emergência.
Cabo de alumínio reforçado por compósito (ACCR)
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É constituído por uma alma de compósito
metalo-cerâmico e uma coroa com tentos de liga
de alumínio-zircônio. Permite a operação do
condutor a 210°C em regime permanente e
240°C em regime de emergência. Possui
reduzido peso específico e pequeno coeficiente
de dilatação térmica.
Condutores Nus Especiais
Condutor de alumínio com alma de compósito (ACCC)
◦ A alma deste condutor é formada por um compósito de fibras de vidro e
carbono embebidas em uma matriz de resina termoendurecível. Os tentos
da coroa são de alumínio liga 1350-0 no formato trapezoidal. Esta
combinação permite um ganho de ampacidade de 100% quando
comparado a um cabo CAA de mesma bitola.
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Condutores Nus em Redes 
Urbanas
Nas redes aéreas urbanas (distribuição) utilizam-se o cobre (meio duro) 
ou então o alumínio (AC, ACAR ou ligas de alumínio):
◦ ACAR – Aluminium Conductor Alloy Reinforced.
Vantagens do alumínio:
◦ boa condutividade elétrica;
◦ boa resistência mecânica;
◦ leveza;
◦ resistência aos agentes atmosféricos;
◦ economia no preço do alumínio e na redução dos custos de montagem 
(torres mais leves).
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Condutores nus
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Cabos alumínio com alma de aço
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Cabos alumínio com alma de aço
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Cordoalhas
Cordoalhas chatas de cobre estanhado são empregadas nas 
ligações à terra de equipamentos elétricos:
◦ necessidade de ligações flexíveis em barramentos 
e chaves devidos às vibrações;
◦ necessidade de uma baixa resistência do cabeamento.
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Cordoalhas
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Cordoalhas
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Condutores para telecomunicações
Materiais básicos:
◦ fios de cobre eletrolítico recozido, estanhado, com diâmetro que 
varia de 0,40 a 0,90 mm, isolado com papel seco ou um material 
polimérico, recoberto com uma capa de chumbo (desuso) ou de um 
isolante polimérico.
Materiais poliméricos usados:
◦ polietileno, PVC, polipropileno ou poliolefina.
Identificação:
◦ números de pares (cabos telefônicos).
Aplicações:
◦ centrais telefônicas, redes primárias e secundárias, assinantes.
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Escolha de um cabo
A escolha de um fio ou cabo é feita com base em diversos fatores:
◦ tensão nominal;
◦ corrente passante (nominal);
◦ condições térmicas;
◦ tipo de isolamento;
◦ esforços mecânicos incidentes;
◦ agentes externos atuantes;
◦ regime de serviço;
◦ tipo de instalação.
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Escolha de um cabo
Há necessidade portanto das seguintes definições:
◦ limite de condução da corrente;
◦ temperatura de regime ou de serviço;
◦ temperatura ambiente de referência.
Ao alcançar a temperatura de serviço o condutor deve apresentar um 
comportamento térmico tal que a quantidade de calor gerada seja igual 
à quantidade de calor trocada com o ambiente.
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Contatos elétricos
Entre a fonte geradora e o centro consumidor final:
◦ energia elétrica atravessa equipamentos e aparelhos:
◦ transformadores, disjuntores, chaves, etc.
◦ se encontram ligados ou interconectados.
Interligações constituem pontos de contato ou de conexão de 
partes físicas distintas de material condutor:
◦ junção pode ser de caráter permanente, semi-permanente ou 
intermitente.
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Contatos elétricos
Têm a função de conduzir a energia elétrica ligando ou desligando a 
corrente.
Características:
◦ baixa resistência à passagem da corrente;
◦ alta resistência aos efeitos produzidos pelo arco.
Qualidade e segurança no fornecimento da energia dependem da 
qualidade e do perfeito funcionamento dos contatos.
Seleção correta do material para fabricação dos contatos garante a 
qualidade, visando atender as mais severas especificações.
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Contatos elétricos
Funções:
◦ comando;
◦ controle;
◦ regulação.
Técnica do comando da corrente:
◦ Contato:
◦ contato constituído de parte fixa e móvel:
◦ parte móvel se desloca em relação à fixa;
◦ contatos simétricos e assimétricos:
◦ simétrico – contatos são do mesmo material;
◦ assimétrico - contatos são de materiais diferentes;
◦ contato por pressão e por deslizamento:
◦ pressão:
◦ parte móvel repousa diretamente sob pressão sob a parte fixa;
◦ deslizamento:
◦ parte móvel desliza sob a parte fixa para fechamento sob pressão.
contatos
suportes
Contatos elétricos
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Contatos elétricos
◦ Aplicação prática:
◦ satisfaça por um tempo, o mais longo possível, as condições de 
perfeito funcionamento do dispositivo (durabilidade mecânica e 
elétrica);
◦ tais condições variam de função para função e de ambiente para 
ambiente;
◦ disjuntores, chaves seccionadores, peças de contato destinadas a 
telefonia e eletrônica.
◦ Fatores principais para escolha dos materiais:
◦ tensão e corrente;
◦ pressão entre os contatos;
◦ frequência de manobras:
◦ baixa tensão:
◦ frequência de operações é elevada e pressões são baixas.
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Pontos de conexão
Normalmente 
conectados
Inseparáveis
Separáveis 
opcionalmente
Móveis entre si
Conectados 
intermitentemente
Sem interrupção 
de corrente
Com semi-interrupção 
de corrente
Com interrupção de 
corrente
Pontos de 
conexão
Junção de soldas
rebites
Junção de parafusos
conectores de pressão
Contatos deslizantes
fluidos
Seccionadoras
Seccionadoras 
especiais
contatores
Disjuntores
contatores
Contato elétrico
Superfície real e aparente do contato:◦ após o fechamento, pode parecer que a transferência de corrente 
elétrica de uma peça à outra ocorre de forma homogênea em toda a 
área de contato:
◦ na prática isso não ocorre;
◦ indicação dos pontos de contato entre duas áreas geométricas (Ag);
◦ representação da área mecânica (Am) e da área elétrica (Ae) e a redução 
de condução pelo óxido.
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Contato elétrico
◦ A área geométrica é uma área aparente de contato.
◦ Área geométrica >> Área mecânica.
◦ Área mecânica >> Área elétrica.
◦ A pressão P aplicada sobre a peça de contato móvel atua sobre a 
peça de contato fixo através dos pontos de contato (Am1, Am2, ...) se 
decompondo em pressões P1, P2, ..., em igual número que as áreas 
mecânicas.
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Contato elétrico
◦ A corrente elétrica circula apenas pelos pontos Ae1, Ae2, ...
◦ Am total = ∑ Ami;
◦ P = ∑ Pi;
◦ Ae = ∑ Aei.
◦ A área de pressão é uma função da pressão aplicada e da 
dureza do material:
◦ A = P/H.
◦ O aumento da pressão ou diminuição da dureza do material 
aumenta a área de contato e reduz a resistência à passagem da 
corrente:
◦ R = rL/A.
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Durabilidade mecânica
(durabilidade mecânica das peças condutoras)
Deformações elásticas e plásticas:
◦ a elasticidade é responsável por um fenômeno denominado 
“ricochete”:
◦ em consequência da deformação elástica, os contatos são reabertos, por 
curto espaço de tempo, e novamente fechados pela ação das molas;
◦ as amplitudes podem atingir 0,2mm e a duração até 8ms, podendo 
ocorrer neste intervalo 2 a 5 pequenas reaberturas:
◦ ricochete pode gerar arcos elétricos (contatos sob carga);
◦ manobras ininterruptas poderão causar deformações plásticas, as 
quais dependem da dureza do material.
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Durabilidade mecânica
Resistência ao desgaste por abrasão:
◦ nos contatos “por deslizamento”, não há apenas remoção da camada 
de óxido, mas também partes do metal útil dos contatos, resultando 
em um desgaste:
◦ característica desejável em ambientes poluídos.
◦ os contatos “por pressão” apresentam uma durabilidade mecânica 
maior que os contatos “por deslizamento”:
◦ não há desgaste do material.
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Durabilidade elétrica
Os problemas da durabilidade elétrica estão relacionados com o 
arco elétrico que se forma sempre que a corrente elétrica é 
interrompida.
Se desenvolvem temperaturas extremamente elevadas capazes 
de fundir e volatilizar o metal dos contatos.
Problemas que podem surgir:
◦ erosão elétrica:
◦ transferência de elétrons de um contato para o outro;
◦ riscos de soldagem dos contatos quando fechados;
◦ aceleração dos efeitos corrosivos.
Disposições construtivas adequadas reduzem a duração do arco:
◦ utilização de câmaras de extinção e de meio dielétrico adequado.
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Posição fechada dos contatos
Neste estado deve deixar passar a corrente nominal e as 
sobrecorrentes passageiras sem aquecimento excessivo.
Fatores importantes:
◦ resistência de contato;
◦ estado de limpeza das superfícies dos contatos:
◦ pode ser assegurada pelo deslizamento da peça móvel sobre a fixa;
◦ boa condutividade térmica.
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Posição fechada dos contatos
◦ Riscos de fusão dos contatos decorrentes das correntes de 
curto-circuito/aquecimento instantâneo.
◦ Possibilidade dos contatos se separarem pelas forças 
eletrodinâmicas produzidas pelas correntes de curto-circuito:
◦ aparecimento de um pequeno arco entre as peças, com riscos de fusão e 
soldagem.
◦ Importância da pressão entre os contatos.
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Posição fechada dos contatos
Atributos para os materiais para contatos no estado fechado:
◦ alta condutividade elétrica;
◦ boa condutividade térmica;
◦ grande resistência à corrosão;
◦ grande resistência à compressão;
◦ grande resistência ao desgaste;
◦ resistência de contato baixa.
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Posição de abertura dos contatos
Quando os contatos são abertos se forma o arco elétrico entre 
eles:
◦ produz desgaste do material por queima e por transferência de 
matéria de um contato para o outro (erosão):
◦ a erosão é uma função da energia do arco e da natureza do material;
◦ pode provocar altas temperaturas, com riscos de 
fusão/amolecimento do material.
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Posição de abertura dos contatos
O volume de material que é desgastado por “queima” pode ser expressa 
pela seguinte fórmula:
◦ V  volume em mm³;
◦ C  constante que depende do material;
◦ i  corrente elétrica (ampère);
◦ Δt  intervalo de tempo em que o arco se mantém (s).



t
idtcV
0
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Posição de abertura dos contatos
Atributos para os materiais para contatos na posição de abertura:
◦ grande dureza e densidade;
◦ ponto de fusão alto;
◦ intensidade de corrente e tensão limites de arco mais elevadas possível.
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Posição de fechamento dos contatos
A característica deste processo é o choque mecânico entre os contatos.
A energia mecânica colocada em jogo deve ser absorvida pela 
elasticidade das molas do sistema e pela própria elasticidade das peças.
Riscos de deformação plástica.
Ocorrência de ricochetes, que podem causar pequenos arcos, com 
riscos de fusão/evaporação do material:
◦ desgaste por queima.
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Posição de fechamento dos contatos
Um arco pode surgir quando os contatos estão suficientemente 
próximos:
◦ riscos de aquecimento excessivo, erosão e soldagem.
Atributos para os materiais para contatos na posição de fechamento:
◦ grande resistência à deformação mecânica por choque;
◦ grande resistência à soldagem;
◦ grande resistência à ação do arco,
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Requisitos exigidos para os materiais 
usados nos contatos elétricos
Propriedades físicas:
◦ densidade e ponto de fusão elevados;
◦ boa condutividade térmica.
Propriedades elétricas
◦ fraca resistividade;
◦ resistência de contato fraca e constante;
◦ resistência à erosão pelo arco e intensidade de corrente e tensão limites de 
arco tanto quanto possível elevadas.
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Requisitos exigidos para os materiais 
usados nos contatos elétricos
Propriedades químicas:
◦ resistência à oxidação e corrosão.
Propriedades mecânicas:
◦ grande dureza;
◦ resistência ao desgaste e à compressão;
◦ boa trabalhabilidade.
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Contatos elétricos
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Contatos elétricos
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Contatos elétricos
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Tema da próxima aula
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Resistências elétricas (29)
Fusíveis (30)
Lembrete: responder às questões formuladas ao final dos capítulos.