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1 Instalações Elétricas Aula 3 2 Conversa inicial Olá! Seja bem-vindo(a) à primeira aula da disciplina Instalações Elétricas! Dimensionar os condutores de uma instalação elétrica é uma das etapas mais importantes do projeto elétrico. Para um bom dimensionamento, o engenheiro deve conhecer as principais características dos condutores elétricos. Nesta aula, abordaremos as características dos condutores elétricos com a finalidade de subsidiar o dimensionamento. Ao estudar as características dos condutores, o engenheiro se diferencia dos profissionais de mercado que, muitas vezes, somente utilizam o tipo mais comum de condutor. Saber que a isolação do condutor influencia diretamente na sua escolha de aplicação é de extrema importância. Nesta aula, observando as abordagens teóricas, você poderá verificar os tipos de condutores que pode encontrar nas instalações elétricas ao seu redor. Porém, é muito importante que você saiba que não há como repassar todas as situações possíveis de aplicação; uma observação constante e gradual é o que forma um bom conhecedor de fios e cabos elétricos. As informações serão apresentadas na ordem presente nas principais normas técnicas de condutores, para que você se familiarize com as principais situações de aplicação. Cabe ressaltar nessa conversa inicial que o engenheiro tem seu campo de trabalho cercado por normas de aplicação. As Normas Brasileiras Regulamentadoras (NBRs) devem ser seguidas em todas as situações práticas. Cabe ao engenheiro e ao estudante de engenharia estar familiarizado com elas. Isso permite um trabalho seguro e incontestável. Ainda, você poderá fazer comparações com as instalações elétricas que você tem acesso na sua residência ou local de trabalho. Com base nos seus estudos e novos conhecimentos, você começará a formar um senso crítico das situações que estão próximas. Essas observações críticas baseadas na técnica começam a construir seu espírito de engenheiro. 3 Contextualizando Após o desenho e a definição das cargas em uma instalação elétrica, começa a fase de dimensionamentos. Entre eles, o mais importante é o dos condutores. O dimensionamento errado dos condutores pode ocasionar sua queima, princípios de incêndio, danos às cargas, mal funcionamento, etc. Aqueles que estão em contato direto com obras, implementações e instalações sabem que o mercado está repleto de exemplos de profissionais que passam a fazer cálculos sem a devida preparação. Uma visita breve nas páginas da internet e no YouTube é o bastante para encontrar profissionais dando aula e explicando diversos assuntos com erros grosseiros ligados às instalações elétricas. Os condutores de uma instalação elétrica representam aproximadamente 4% do custo da obra. Sobredimensioná-los por precaução representa deixar a obra mais cara e subutilizar material. Quando ocorre um erro no dimensionamento dos condutores, tirando-os de uma condição ótima, esse erro se propaga para os outros equipamentos da instalação. Um condutor errado leva a um sistema de proteção errada, eletrodutos errados e, em último caso, até a uma entrada de energia errada. Quem trabalha constantemente com instalações elétricas sabe que o mercado tem vários profissionais que se baseiam em uma experiência que, muitas vezes, leva ao comentado anteriormente. Situações em engenharia não são meras repetições de situações anteriores; um projeto e um dimensionamento deve considerar uma série de fatores que mudam radicalmente de uma instalação para outra. Tema 1: Condutores: elemento condutor Como você deve ter observado em seu curso de engenharia, há normas para quase todas as atividades. Assim, como estudante de engenharia, é importante se reportar a elas em todas as suas atividades e para os condutores 4 elétricos não é diferente. Diversas normas estão relacionadas a esses materiais utilizados em quase todas as atividades do engenheiro eletricista. Neste tema, faremos um resumo direcionado à aplicação em instalações elétricas, mas é de grande importância que você domine os cálculos de corrente, tensão e potência em corrente alternada. Basicamente, os condutores elétricos para instalações elétricas devem ser estudados sobre os aspectos que abordaremos na sequência. Material a ser utilizado como condutor Os condutores utilizados em instalações elétricas são de cobre ou alumínio. Nas instalações internas predomina o cobre pela sua maior flexibilidade, maior capacidade de condução, maleabilidade e maior facilidade de emendas. Já quando tratamos de instalações elétricas aéreas e redes de distribuição em postes, o alumínio apresenta vantagens sobre o cobre. Buscamos entender as diferenças entre os condutores de cobre e alumínio pela condutividade elétrica dos metais. Os materiais conduzem corrente elétrica de modos diferentes. A grandeza que expressa a capacidade que um material tem para conduzir a corrente elétrica é chamada de condutividade elétrica. Por outro lado, a grandeza que indica a propriedade que os materiais possuem de se opor à passagem da corrente elétrica é chamada de resistividade elétrica. A norma “International Annealed Copper Standard” (IACS), adotada em praticamente todos os países, fixa em 100% a condutividade de um fio de cobre de 1 metro de comprimento com 1 mm2 de seção e cuja resistividade a 20ºC seja de 0,01724 .mm2/m (a resistividade e a condutividade variam com a temperatura ambiente). Para fins práticos, esse é o padrão de condutividade adotado (principalmente para se referir aos condutores de instalações elétricas), o que significa que todos os demais condutores, mesmo que seja o cobre em uma pureza ou têmpera diferente, alumínio ou outro metal qualquer, têm suas grandezas referidas ao cobre de 0,01724 .mm2/m (cobre mole). 5 A tabela a seguir mostra a relação entre condutividades. Material Condutividade relativa ACS (%) Cobre mole 100 Cobre meio-duro 97,7 Cobre duro 97,2 Alumínio 60,6 Podemos interpretar as informações da tabela em relação ao cobre e alumínio da seguinte forma: o alumínio tem uma capacidade de condução 40% menor que o cobre mole. Então, para conduzir a mesma corrente, um condutor de alumínio precisa ter uma seção aproximadamente 60% maior que a de um fio de cobre mole. Assim, se tivermos um condutor de 10 mm2 de cobre, seu equivalente em alumínio será de 10 x 1,6 = 16 mm2. Mas a densidade do alumínio é de 2,7 g/cm3 e a do cobre é de 8,9 g/cm3. Se calcularmos a relação entre o peso de um condutor de cobre e o peso de um condutor de alumínio, ambos transportando a mesma corrente elétrica, verificamos que, apesar de o condutor de alumínio possuir uma seção cerca de 60% maior, seu peso é da ordem da metade do peso do condutor de cobre. Na outra direção, em aplicações onde o peso não é tão importante (como em eletrodutos e canaletas), a opção é o cobre com menor diâmetro. Devemos destacar que essa divisão clássica possui diversas exceções e o projetista deve avaliar todo o conjunto da obra a ser realizada. A NBR 5410:2004, que rege as instalações elétricas no Brasil, traz predominantemente as informações para o trabalho com o cobre. E é nessa linha que iremos trabalhar. 6 Forma geométrica do condutor Os termos fio e cabo são utilizados muitas vezes sem um cuidado técnico mais aprimorado. O fio rígido, singelo, isolado, é muito utilizado para correntes de menor intensidade, geralmente até 50 ampères, no caso do cobre. À medida que aumentamos a seção transversal do condutor para que tenhamos uma maior corrente conduzida, o manuseio desse material começa a ficar mais difícil. Sua fabricação em uma peça única também é prejudicada. Passamos então a utilizar os cabos, facilitando os dois processos. Redondosólido (fio): é formado por um único elemento condutor, sendo sua construção geralmente limitada às seções menores ou iguais a 16mm². Cabo: é um condutor formado por vários fios encordoados. Cabo de seção circular Condutor de formação concêntrica, é composto de um fio longitudinal em torno do qual é colocada, em forma de espiral, uma ou mais camadas de fios redondos sólidos de mesmo diâmetro do fio central. A NBR 6880 estabelece, para condutores de cobre, seis classes de encordoamento numeradas de 1 a 6 com graus crescentes de flexibilidade: Classe 1: Condutores sólidos (fios). Classe 2: Condutores encordoados, compactados ou não. Classe 3: Condutores encordoados, não compactados. Classe 4, 5 e 6: Condutores flexíveis. O condutor para instalações elétricas referido pela norma como condutor encordoado (lembra a trama da corda) parte de um condutor e, sobre ele, são dispostos outros conjuntos. Para uma mesma capacidade de corrente, essa formação apresenta uma melhor flexibilidade do que o fio. 7 As formações padronizadas de condutores encordoados (cordas) redondos normais são: 7 fios - 1 + 6 19 fios - 1 + 6 + 12 37 fios - 1 + 6 + 12 + 18 61 fios - 1 + 6 + 12 + 18 + 24 91 fios - 1 + 6 + 12 + 18 + 24 + 30 Um cabo compactado é uma formação na qual foram reduzidos os espaços entre os fios componentes. Essa redução é realizada por compressão mecânica na hora da produção. O resultado desse processo é um condutor de menor diâmetro e flexibilidade em relação ao condutor encordoado redondo normal. Condutor encordoado redondo normal Condutor encordoado compactado Um cabo flexível é obtido a partir do encordoamento de um grande número de fios de diâmetro reduzido. Seção nominal As seções dos condutores e cabos para a utilização em instalações elétricas são (em mm2): 0,5 – 0,75 – 1 – 1,5 – 2,5 – 4 – 6 – 10 – 16 – 25 – 35 – 50 – 95 – 120 – 150 – 185 – 240 – 300 – 400 – 500 – 630 – 800 – 1000 8 Tema 2: Condutores: elemento isolante e de proteção Isolação Veja na tabela alguns materiais empregados na isolação de condutores (fios e cabos). ISOLANTES TERMOPLÁSTICO S Cloreto de Polivinila (PVC) Polietileno (PE ou PET) Polipropileno Polivinil Antiflam SÓLIDOS (Extrudados) TERMOFIXOS (Vulcanizados) Polietileno reticulado (XLPE) Borracha etileno – propileno (EPR) Borracha de silicone ESTRATIFICADO S Papel impregnado com massa Papel impregnado com óleo fluído sob pressão OUTROS MATERIAIS Fibra de vidro Algodão Verniz No trabalho do condutor, ao ser percorrido pela corrente elétrica, ocorre o aquecimento por efeito Joule (P=R.I2). Também há a influência da temperatura ambiente e o aquecimento pelo trabalho em conjunto com outros condutores. Essas variações de temperatura atuam sobre as características do condutor e do isolante. A NBR 6880 determina as seguintes temperaturas de regime permanente, de sobre carga e de curto circuito: ▪ Temperatura em regime permanente: é a maior temperatura que a isolação pode atingir continuamente em serviço normal. É a principal característica na determinação da capacidade de condução de corrente de um fio ou cabo em instalações elétricas. ▪ Temperatura em regime de sobrecarga: é a temperatura máxima que a isolação pode atingir em regime de sobrecarga. Segundo as normas de fabricação, a duração desse regime não deve superar 100 horas durante doze meses consecutivos, nem superar 500 horas durante a vida do cabo. 9 ▪ Temperatura em regime de curto-circuito: é a temperatura máxima que a isolação pode atingir em regime de curto-circuito. Segundo as normas de fabricação, a duração desse regime não deve superar 5 segundos durante a vida do cabo. A tabela a seguir indica as temperaturas características das isolações em PVC e EPR, dois dos isolantes mais utilizados em fios e cabos para instalações elétricas. Tipo de material Temperatura de operação em regime contínuo (C) Temperatura de sobrecarga (C) Temperatura de curto circuito (C) Policloreto de Vinila (PVC) até 300mm² 70 100 160 Policloreto de Vinila (PVC) maior que 300mm² 70 100 140 Borracha etileno – propileno (EPR) 90 130 250 Polietileno reticulado (XLPE) 90 130 250 Isolamento Isolamento se refere ao aspecto quantitativo de gradiente de potencial, à resistência de isolamento ou outra grandeza expressa em valores. Ou seja, condutor com tensão de isolamento para 750V, 1kV, 5kV, 15 kV e resistência de isolamento de 5 MΩ, 12 MΩ, etc. A isolação material dos fios e cabos é sempre feita para uma determinada "classe de isolamento", relacionada com a espessura da isolação e com as características da instalação. A tensão de isolamento é indicada por dois valores Vo/V: ◾ Vo: refere-se à tensão fase – terra; ◾ V: refere-se à tensão fase – fase. 10 A tabela a seguir mostra os valores normalizados de tensão nominais. TIPO TENSÃO (VO/V) Condutores para baixa tensão 300/300 300/500 450/750 0,6/ 1 kV Condutores para média tensão 1,8/ 3,0 kV 12,0/20,0 kV 3,6/ 6,0 kV 15,0/25,0 kV 6,0/10,0 kV 20,0/35,0 kV 8,7/15,0 kV Blindagem Cabos blindados são condutores geralmente fabricados para uma indicação específica. A blindagem normalmente se refere aos campos eletromagnéticos gerados pela corrente elétrica, porém também pode se referir à blindagem contra agentes mecânicos, perfurantes por exemplo, ou contra a penetração de agentes corrosivos. Para consultar as especificações de um exemplo de cabo blindado, acesse o artigo a seguir: http://www.induscabos.com.br/portfolioitem/1000v_atox_blindado_fita_de _cobre/?lang=es Tema 3: Dimensionamento de condutores elétricos: critério da seção mínima O dimensionamento dos condutores é, se não a parte mais importante, uma das mais importantes do projeto de uma instalação elétrica. Projetar e dimensionar os condutores é um exercício de engenharia e técnica, que exige a observação das várias peculiaridades do projeto, faz parte de um estudo e prática contínua. Nesta seção, vamos desenvolver os passos fundamentais para o dimensionamento de condutores em instalações elétricas. Para a determinação dos condutores, devemos ter o valor da corrente elétrica. Daí podemos encontrar duas situações distintas: http://www.induscabos.com.br/portfolioitem/1000v_atox_blindado_fita_de 11 a. Termos diretamente a corrente, como quando temos um motor trifásico e sua corrente está na sua placa de identificação; basta a leitura do valor. b. Precisamos calcular a corrente. Nessas situações, precisamos utilizar nossos conhecimentos de circuitos elétricos, principalmente envolvendo potências. NBR 5410 A NBR 5410:2004 da ABNT regulamenta e orienta todos os procedimentos para os projetos e obras envolvendo as instalações elétricas. É importante, se você vai trabalhar nessa área, ler toda a norma e tê-la disponível para consulta em todos os seus trabalhos. A norma é extensa e demanda um bom tempo de trabalho. Critérios para o dimensionamento de condutores Nas instalações elétricas, a seção dos condutores deve atender todos os seguintes critérios: a. Seção mínima; b. Capacidade de condução de corrente; c. Queda de tensão; d. Proteção contra sobrecargas; e. Proteção contra curto-circuito; f. Proteção contra choques elétricos. Para essa seção, vamos nos concentrar nos três primeiros critérios. Na aula sobre proteções contra sobrecargas, abordaremos o item d. Os itens “e” e “f” são destinados a projetos mais complexos do que os abordados nessa disciplina e merecem estudos posteriores. 12 Primeiro Critério: seção mínima Essa é a seção mínima para os condutores fase em circuitos básicos. A determinação de uma seção mínima tem a função de criar uma salvaguardaàs instalações gerais que não necessitam de um projeto elétrico e são executadas por profissionais da área em pequenos serviços de instalações elétricas. Para muitas cargas de pequeno porte, a corrente é muito pequena e poderia ser alimentada por condutores mais finos; nesse ponto é que a norma entra para salvaguardar as mínimas condições de instalação. A tabela 47 da NBR 5410:2004 indica a seção mínima dos condutores a serem utilizados nas condições mais gerais de uma instalação elétrica. Quando consultar a norma, é importante ler as notas de rodapé de cada tabela. Seção Mínima do condutor Neutro A tabela 48 da NBR 5410:2004 apresenta as seções mínimas para o condutor neutro e as diversas considerações de sua aplicação. 13 Tema 4: Dimensionamento de condutores: critério da capacidade de condução de corrente A capacidade de condução de corrente dos condutores e cabos para instalações elétricas está descrita na NBR 5410. Essas tabelas se referenciam ao tipo de isolação do condutor e à temperatura de 30°C para instalações ambiente (ar livre) e 20°C para instalações no solo. A grandeza temperatura está intimamente ligada à capacidade de condução dos condutores. Veja o destaque na figura. 14 O número de condutores carregados a que se refere a tabela anterior é dado pela seguinte norma: A maneira de instalar os condutores também se corresponde com a temperatura e com a capacidade de condução de corrente do condutor. Um fio ou cabo instalado ao ar livre em uma linha aérea, por exemplo, pode trocar mais calor do que um fio ou cabo instalado dentro de um eletroduto embutido em uma parede de alvenaria. Por isso, para determinar a capacidade de condução do condutor, verificamos antes qual a maneira de instalá-lo. Para isso, veja a tabela 33 da NBR 5410:2004: Tipos de Linhas Elétricas Por sua vez, a capacidade de condução de corrente, que está referenciada à maneira de instalar, é apresentada nas tabelas 36, 37, 38 e 39 da NBR 5410:2004. Fatores de correção aplicáveis à capacidade de condução dos condutores Temperatura (FCT) “O valor da temperatura ambiente a ser utilizado é a temperatura do meio onde os condutores serão instalados considerando-os carregados”, segundo a NBR 5410:2004, item 6.2.5.3.1. O fator de correção de temperatura da tabela a seguir é aplicável quando a temperatura ambiente e do solo forem diferentes de 30°C e 20°C, 15 respectivamente. A tabela apresenta os fatores de correção de temperatura a serem aplicados. Fator de correção de agrupamento de circuitos (FAC) O fator de correção de agrupamento (FCA) deve ser aplicado quando temos dois ou mais circuitos de capacidades semelhantes em um mesmo eletroduto, eletrocalha, bandeja, agrupados sobre uma superfície, ou ainda para cabos em eletrodutos enterrados, ou cabos diretamente enterrados no solo. 16 Reforçamos novamente: sempre leia atentamente as notas que acompanham as tabelas. Tema 5: Dimensionamento de condutores: critério da máxima queda de tensão A NRB 5410:2004 determina os valores máximos de queda de tensão com a finalidade de salvaguardar o correto funcionamento das cargas ligadas à rede elétrica. A queda de tensão, desde a origem considerada até o ponto mais afastado de qualquer circuito de utilização, deverá estar dentro dos limites da tabela a seguir: Denominação Percentual (%) a) A partir dos terminais secundários do transformador MT/BT, no caso de transformador de propriedade da(s) unidade(s) consumidora(s). 7 b) A partir dos terminais secundários do transformador MT/BT da empresa distribuidora de eletricidade, quando o ponto de entrega for aí localizado. 7 c) A partir do ponto de entrega, nos demais casos de ponto de entrega com fornecimento em tensão secundária de distribuição. 5 d) A partir dos terminais de saída do gerador, no caso de grupo gerador próprio. 7 e) Queda de tensão nos circuitos terminais (6.2.7.2). 4 “Os limites de queda de tensão são válidos quando a tensão nominal dos equipamentos de utilização previstos for coincidente com a tensão nominal da instalação”. “Nos casos das alíneas a), b) e d), quando as linhas principais da instalação tiverem um comprimento superior a 100m, as quedas de tensão podem ser aumentadas de 0,005% por metro de linha superior a 100m, sem que, no entanto, essa suplementação seja superior a 0,5%”. Para circuitos de motores, com o objetivo de “evitar perturbações que comprometam a rede de distribuição, a própria instalação e o 17 funcionamento das demais cargas por ela alimentadas, devem ser observados (6.5.1.2.1): ” a) as restrições impostas pela empresa distribuidora de energia elétrica à partida de motores; b) os limites de queda de tensão nos demais pontos de utilização, durante a partida do motor, devem ser conforme os itens a) a d) da tabela 23. Para satisfazer essas condições a) e b), pode ser necessário empregar dispositivos que limitem a corrente na partida do motor. que: O dimensionamento dos condutores que alimentam motores deve ser tal a. Em regime permanente, as quedas de tensão nos terminais do motor e em outros pontos de utilização devem ser de acordo com os itens a) a d) da tabela (6.5.1.3.2). b. Durante a partida do motor, a queda de tensão no dispositivo de partida não ultrapasse 10% da tensão nominal (6.5.1.3.3). Observações: 1. Em determinadas situações, é possível uma queda de tensão superior a 10% da tensão nominal, desde que o tempo de aceleração do motor não seja prolongado; 2. Adotar fator de potência 0,3 para o cálculo da queda de tensão do motor com rotor bloqueado. A figura a seguir mostra detalhes da queda de tensão vistos na tabela anterior: 18 Os fabricantes de condutores fornecem as tabelas de queda de tensão para seus condutores em volts/ampère.km (V/A.km). Ou seja, define quantos volts de queda de tensão apresenta um condutor quando por ele passa uma corrente de um ampère de um quilômetro de comprimento. Com base nessas informações, referenciamos ao nosso caso de estudo. Veja na figura um exemplo de tabela de queda de tensão de uma fabricante de fios e cabos. 19 Trocando Ideias Chegou a hora de participar do fórum! As normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT são, como vimos, muito detalhadas, assim como todas as normas técnicas do mundo, tais como a International Eletrotechnical Commission – IEC, a American National Standards Institute – ANSI, entre outras. Essas normas existem para orientar os técnicos, engenheiros e outros profissionais na correta condução de seus projetos. Verifique a NBR 5410, disponível em vários sites da internet, e percorra- a na totalidade, sem a preocupação de um estudo profundo, apenas para verificar sua abrangência. Após isso, converse com seus colegas no fórum sobre o alcance e importância dessas normas na sua profissão! Na Prática Localize, na sua residência ou local de trabalho, algumas cargas pontuais como chuveiros, torneiras elétricas e aquecedores. Levante os circuitos dessas cargas e, depois de assistir à aula prática de dimensionamento de condutores, verifique se os dimensionamentos dos condutores das cargas analisadas foram feitos de forma correta. Em caso negativo, verifique uma forma de fazer as alterações necessárias. Síntese Nessa aula, estudamos as maneiras de se dimensionar os condutores elétricos de uma instalação. Como dissemos no início, os condutores são fundamentais no desenvolvimento de um projeto. Seu correto dimensionamento, além da técnica e da segurança, permite que se faça um orçamento correto e justo para com o contratante do projeto. É fundamental dominar bem esses conceitos. 20 Referências CAVALIN, G. & CERVELIN,S. Instalações elétricas prediais. 10ª ed. São Paulo: Editora Érica, 2010. COTRIM, A. Instalações elétricas. 5ª ed. Rio de Janeiro: Editora Prentice Hall, 2014. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410:2004: Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Rio de Janeiro, 2010.
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