Resistência elétrica

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Conceito Básico

O escoamento de carga através de qualquer material encontra a oposição de uma força semelhante, em muitos aspectos, ao atrito mecânico. Esta oposição, resultante das colisões entre elétrons e átomos do material, que converte energia elétrica em calor (efeito joule), é chamada de resistência elétrica.

-A unidade de medida da resistência elétrica é o ohm, cujo símbolo é o ômega (Ω).

A resistência de qualquer material de seção reta uniforme é determinada por quatro fatores:

Composição

Comprimento

Área da seção reta (seção transversal)

Temperatura

O material escolhido, com sua estrutura molecular particular, reage de certa forma por pressões que estabelece corrente em seu interior. Os condutores que permitem um grande escoamento de carga com uma pequena pressão externa têm valores de resistência baixos, enquanto os isolantes têm valores altos de resistência.

Como seria de esperar, quanto maior o caminho que a carga tem que percorrer, maior o valor da resistência, ao passo que quanto maior a área, menor a resistência. A resistência é, portanto, diretamente proporcional ao comprimento e inversamente proporcional à área da seção reta do condutor.

Na maioria dos condutores, quando a temperatura aumenta substancialmente, o aumento do movimento das partículas de sua estrutura molecular dificulta os portadores "livres" circulem, o que aumenta o valor da resistência.

A constante p (Resistividade) é diferente para cada material!

-A resistividade descreve as características do material possibilitando o cálculo de qual será a resistência de um condutor de determinada forma e dimensões feito com este material:

- A resistividade de um material é igual à resistência de um fio desse material de 1 metro de comprimento por 1 mm² de secção transversal conforme a imagem acima:

Para utilizar a fórmula, multiplicamos a resistividade pelo comprimento e dividimos pela área da secção reta do condutor. Por exemplo, um condutor de nicromo de 2 metros de comprimento e seção de 0,4 mm2 terá uma resistência de:

R=ρL/A

R = 1,1 x 2/0,4 = 5,5 ohm.

em que:

ρ é a resistividade elétrica (Ωm);

R é a resistência elétrica de um espécime uniforme do material(Ω);

L é o comprimento do espécime (m);

A é a área da seção do espécime (m²).

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Condutividade elétrica

Materiais sólidos exibem uma espantosa faixa de condutividades. De fato, uma maneira de classificar materiais sólidos é de acordo com a facilidade com que conduzem uma corrente elétrica; dentro deste esquema de classificação existem 3 grupamentos: condutores, semicondutores e isolantes.

Pode - se sugerir que a prata, o ouro, cobre e o alumínio seriam os melhores condutores e os mais comuns. De modo geral, há outros fatores, como maleabilidade (facilidade com que se pode moldar o material), ductibilidade (capacidade que o material pode ser transformados em fios longos e finos), sensibilidade a temperatura, resistência a fadiga, e naturalmente, o custo que precisam ser levado em consideração quando escolhemos um condutor para uma aplicação em particular.

Constitui engano achar que o ouro é o melhor condutor elétrico. Na temperatura ambiente, no planeta Terra, o material melhor condutor elétrico ainda é a prata. Relativamente, a prata tem condutividade elétrica de 108%; o cobre 100%; o ouro 70%; o alumínio 60% e o titânio apenas 1%. A base de comparação é o cobre. O ouro, em qualquer comparação, seja no mesmo volume, ou na mesma massa, sempre perde em condutividade elétrica ou térmica para o cobre. Entretanto, para conexões elétricas, em que a corrente elétrica deve passar de uma superfície para outra, o ouro leva muita vantagem sobre os demais materiais, pois sua oxidação ao ar livre é extremamente baixa, resultando numa elevada durabilidade na manutenção do bom contato elétrico. Entre os citados, o alumínio seria o pior material para as conexões elétricas, devido à facilidade de oxidação e à baixa condutividade elétrica da superfície oxidada. Assim, um cabo condutor de cobre com os plugues de contatos dourados levam vantagens sobre outros metais. Uma conexão entre superfícies de cobre, soldada com prata constitui a melhor combinação para a condução da eletricidade ou do calor entre condutores distintos.

- Os materiais mais usados para a fabricação de condutores elétricos são o cobre e o alumínio. Ainda que ambos os metais tenham uma condutividade elétrica excelente, o cobre constitui o elemento principal na fabricação de condutores pelas suas notáveis vantagens mecânicas e elétricas.

-Condutividade elétrica é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. A unidade é a recíproca de ohm-metro, isto é, [(Ωm)-1]. Sua unidade de medida é por siemens por metro (O siemens é a unidade da condutância elétrica, representada pela letra G.).

G= 1/p

G = Condutância

p = Resistência

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EXEMPLOS DE CONDUTIVIDADE E RESISTIVIDADE

EXEMPLO 1:

Vamos determinar a resistência de duas barras de materiais de secção circular, uma de cobre e outra de grafite, ambas com um comprimento de 1 metro e com 2 mm de diâmetro. Consultando a tabela anterior, temos que as resistividades dos materiais são:

R=ρL/A

-Cobre:

0,0162 .1/2= 0.0081 ohms

-Grafite:

13.1/2= 6,5 ohms

EXEMPLO 2:

Um fio condutor de cobre unifilar tem 1 Km de comprimento e um raio de 2cm, qual a resistência aproximada do condutor?

-Primeiro calculamos a área(secção)do condutor, S=π.r², convertemos para mm², S=3.14 x 20²= 125,6 mm².

-Como usamos a área em mm², convertemos a resistividade do cobre para Ωmm²m e o comprimento em Km para metros.

-O cobre puro tem uma resistividade de 0,0162Ωmm²m.

O valor R = ρ L/A será R=0,0162 x 1000 / 125,6 = 0,0128 Ω

Nota 1: Para efeitos de cálculo usar, uma vez que a área dos condutores já está, normalmente, em mm² a resistividade em (Ωmm²m).

Nota 2: Para converter Ωm em Ωmm²m, multiplica-se Ωm por 1000000 que é a razão da conversão(1m² para mm²). A resistividade do Cobre 1,7 x 10-8=0,000000017 Ωm = 0,017 Ωmm²m. Erros nesta conversão geram muitos erros práticos.

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TIPOS DE MATERIAIS CONDUTORES

Materiais condutores

Os materiais condutores utilizados na produção de fios e cabos elétricos são o cobre e o alumínio; O cobre utilizado é o cobre eletrolítico recozido, com pureza mínima de 99,9% e condutibilidade de 100% na escala da IACS – International Annealed Copper Standard. A sua condutividade é: σ = 5, 814 × 10000000 [Ω −1 · m−1]

O alumínio utilizado é de alta pureza, têmpera meio-dura e condutibilidade de 61% na escala IACS.

IACS -O International Annealed Copper Standard ( IACS ) é um padrão estabelecido em 1914 pelo Departamento de Comércio dos Estados Unidos. [1] É um valor padrão empiricamente derivado para a condutividade elétrica do cobre comercialmente disponível .

- Por possuir menor condutividade elétrica para se conduzir uma mesma corrente em temperaturas similares, é necessário um cabo de maior bitola de alumínio para substituir um cabo existente de cobre. Em contrapartida, como a densidade do alumínio é cerca de três vezes menor do que a do cobre, para se conduzir essa mesma corrente elétrica é necessário um cabo de alumínio de cerca de metade do peso de um cabo de cobre.

Essas características explicam as escolhas técnicas clássicas: quando se requer menor peso, como é o caso de linhas de transmissão ou distribuição aéreas, o cabo de alumínio é o preferido, enquanto nos casos em que se possui menos espaço disponível, o cabo de cobre é o escolhido. Em resumo, o alumínio possui como principais vantagens menor custo e peso, sendo assim, é também menos atraente ao furto. Em contrapartida, o cobre é melhor condutor elétrico, é mais resistente à corrosão e, portanto, é a melhor – e em alguns casos, a única – opção para aplicação em determinados locais.

* Em instalações elétricas de baixa tensão não se pode utilizar condutores de alumínio:

O alumínio oxida com facilidade e a superfície oxidada possui baixa condutividade, sendo assim, conexões entre dois cabos de alumínio devem ser feitas por meio de soldas exotérmicas, que não são apropriadas para instalações de baixa tensão; Conexões do alumínio com outros materiais, em especial o cobre, resulta em pilhas eletrolíticas que favorecem a corrosão.

Uso cabeamento de alumínio

- Em instalações de estabelecimentos industriais, podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que sejam obedecidas simultaneamente as seguintes condições:

a) a seção nominal dos condutores seja igual ou superior a 16 mm² ;

b) a instalação seja alimentada diretamente por subestação de transformação ou transformador, a partir de uma rede de alta tensão ou que possua fonte própria.

Em instalações de estabelecimentos comerciais, podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que sejam obedecidas simultaneamente as seguintes condições:

a) a seção nominal dos condutores seja igual ou superior a 50 mm² ;

b) baixa densidade de ocupação, condições de fuga fáceis. (Condições de fuga das pessoas em emergências conforme tabela 15 da norma NBR 5410)

PROPRIEDADE

Propriedades físicas

-A mais importante é a leveza, visando a redução das cargas mecânicas nos apoios.

Propriedades térmicas

-Capacidade calorífica elevada e boa condutividade térmica para uma melhor e mais rápida dissipação com o meio ambiente do calor gerado pelo efeito Joule.

Propriedades químicas

-Boa resistência à ação dos agentes atmosféricos como ar, água, gases, etc. E aos reagentes químicos Ácidos, bases e sais.

Propriedades mecânicas

-Alta resistência

-Tração

-Flexão

-Choque

-Deve ser bem dúctil e maleável

Propriedades elétricas

Resistividade, a mais baixa quanto possível para uma redução do efeito joule e da queda de tensão. É necessário considerar a natureza econômica, o material deve apresentar boas condições de oferta comercial. Condutores mais usados: cobre e alumínio e suas respectivas ligas com outros metais.

Seção Nominal

Fios e cabos são caracterizados por sua seção nominal. Seção do fio corresponde à seção transversal do fio. Seção de um cabo formado por fios corresponde à soma das seções dos fios soma das seções dos fios. A seção se refere apenas à parte condutora, sem considerar isolação ou camada protetora.

Cabos Bimetálicos de Aço Cobre

•Excelente desempenho elétrico e mecânico;

•Até 50 % mais barato no preço por metro;

•Mesmas dimensões;

•Desestimula o furto;

•10% mais leve

Aplicação:

Redes de distribuição aérea urbana, rural e subterrânea;

Redes de transmissão e subestações;

Eólicas, fotovoltáicas, transporte (metrôs e trens);

Iluminação Pública;

Redes de telefonia e TV a cabo;

SPDA prediais, industriais, residenciais, etc;

Característica:

Formado por fios bimetálicos aço/cobre o cabo bimetálico é produzido com condutividade de 21%, 30%, 40%, 53% e 63% IACS.

A espessa camada de cobre aderida ao aço, garante ao produto uma longa vida útil, mesmo se instalado em ambientes agressivos, devido à alta resistência à corrosão do metal cobre.

O cabo bimetálico é utilizado para aterramento de redes telefônicas, descida de pára-raios em edificações, estaiamento de redes elétricas, instalações aéreas de longa distâncias, como cabo mensageiro ou suporte para outros cabos, e diversas outras aplicações

NBR-15751 / NBR-8121 / NBR-5419

- Cabos estanhado:

O Fio de cobre estanhado é um condutor de energia aplicado em indústrias em geral, com destaque para a sua aplicação na indústria náutica.

A utilização de Fio de cobre estanhado faz-se valer principalmente quando aplicada em conjunto com isolantes térmicos, isso porque aumenta o bom rendimento do fio como condutor em ambiente aquático, o protegendo de impactos que o não isolamento dificultam. Devido a característica de composição do Fio de cobre estanhado, ele conduz bem a energia, redirecionando-a para o melhor rendimento do processo industrial ao qual será aplicado futuramente.

Em ambientes próximos ao mar, os cabos ou fios tradicionais de cobre, podem sofrer muito com a perda de condutividade, causada pela corrosão e deterioração após alguns meses de uso. Isso ocorre quando há alguma infiltração no material isolante que protege os filamentos de cobre, oxidando os filamentos que se tornam aparentemente mais escuros.

O cabo estanhado, nada mais é que um cabo tradicional de cobre que passa por uma reação química com o estanho, tornando o cabo resistente ao contato com o mar e aos efeitos da maresia.

Tecnicamente falando

Todo bom cabo estanhado usa filamentos de cobre revestido de estanho pelo processo de eletrólise e isolados com cloreto de polivilina (PVC) resistente a 105 °C, superior até ao determinado na norma ABNT NBR NM-247, que é de 70 °C.

O cabo estanhado pode ser torcido (de acordo com a classe 5), proporcionando enorme flexibilidade e resistência à fadiga do material. E são dimensionados para suportarem tensões nominais de até 750 Volts.O cabo estanhado pode ser torcido (de acordo com a classe 5), proporcionando enorme flexibilidade e resistência à fadiga do material. E são dimensionados para suportarem tensões nominais de até 750 Volts.

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Os condutores elétricos podem ser sólidos (fios), ou flexíveis, formados por vários fios finos encordoados.

Os condutores elétricos são compostos de três partes diferenciadas:

• A alma ou elemento condutor

• A isolação

• As coberturas

Condutores Isolados:

Possuem qualquer revestimento ou camada protetora de isolação.

A isolação é a parte que mais influencia na escolha do tipo de um fio ou cabo a ser especificado para um sistema elétrico, quer seja pelas suas características elétricas, mecânicas e químicas requeridas para o material dielétrico, quer seja pelas condições de instalação (aéreas, subterrâneas, eletrodutos, etc.), quer seja pelo aspecto econômico.

Os materiais isolantes usados para fios e cabos podem ser:

•Dielétricos estratificados :

A palavra “estratificado” deriva do latim e significa “camada”.

Dielétricos estratificados são constituídos por fitas de papel ou de outro material isolante laminado, aplicados firmemente sobre o condutor, sob a forma de sucessivas camadas. O papel ou produto laminado é impregnado com óleo isolante ou com outro fluido impregnante adequado e revestido por uma capa de chumbo. Evita a fuga do fluido isolante. Penetração da umidade.

No primeiro caso seu uso é limitado até 25kV e apresenta os seguintes inconvenientes.

•São muito pesados e pouco flexíveis

•Limitações de uso quanto a desníveis ao longo da rota

•Migração do óleo

•Custo elevado

Para tensões superiores a 25kV e até 350/400kV se usam dispositivos especiais, mantêm o cabo à baixa ou alta pressão do óleo impregnante e também de gases inertes (tais como nitrogênio) no interior do cabo. Porém na prática, estes cabos são pouco utilizados, ficando restritos a aplicações específicas, como poços de perfuração de petróleo.

•Dielétricos sólidos:

São polímeros aplicados diretamente sobre o condutor ou sobre a blindagem por extrusão.

Classificação em função do comportamento térmico e Mecânico.

Termoplásticos- Quando submetidos a uma elevação de temperatura amolecem, perdem suas características mecânicas e retornam ao seu estado de fluidez e plasticidade originais. Polietileno linear (PE), cloreto de polivinila (PVC).

Termofixos- Mantêm-se estáveis a temperaturas mais elevadas A temperaturas acima do limite admissível se carboniza sem sofrer amolecimento. Polietileno reticulado (XLPE), borracha etileno-propileno (EPR).

Constante de isolamento:

PVC ........................................370 M Ω km à 20 °C

PET ................................... 12.000 M Ω km à 20°C

XLPE e TR XLPE.....................3.700 M Ω km à 20°C

EPR, HEPR e EPR 105.............3.700 M Ω km à 20°C

Temperaturas admissíveis:

|De operação em regime continuo| De Sobrecarga |De Curto Circuito

PVC 70ºC 100ºC 160ºC

PET 70ºC 90ºC 130ºC

XLPE e TR XLPE 90ºC 130ºC 250ºC

EPR e HEPR 90ºC 130ºC 250ºC

EPR 105 105ºC 140ºC 250ºC

Resistência à ionização

A resistência à ionização é medida pelo tempo necessário ao aparecimento de fissuras em amostras do material isolante colocadas em célula especial de provas onde são submetidas a descargas parciais com ionizações intensas.

PVC .................................................... 200 horas

PET ...................................................... 12 horas

XLPE. e TR XLPE..................................... 12 horas

EPR, HEPR e EPR 105............................ 160 horas

Na prática, até 1 kV, o PVC é muito utilizado, apesar de suas características elétricas apenas regulares, porque é muito econômico, bastante durável e não propagante da chama.

O polietileno comum, com excelente constante de isolamento, alta rigidez dielétrica e fator de perdas baixíssimo, encontra limitação na baixa resistência à ionização e nas pobres características físicas (é praticamente fluido a 110°C).

O Polietileno Reticulado, obtido por reticulação molecular do polietileno comum, aliás excelentes propriedades deste com a alta temperatura admissível e boas propriedades mecânicas, mas é pouco flexível e tem baixa resistência a ionização. É utilizado em todas as classes de tensão (baixa, média e alta).

Devido à dispersão relativamente alta da sua rigidez dielétrica e também devido ao fenômeno nocivo do “treeing” (*) que tem se verificado com certa freqüência neste material, foi desenvolvido mais recentemente o TR XLPE (tree retardant), bem mais resistente a esse fenômeno, permitindo projetos de cabos mais simples.

O EPR (borracha etilenopropileno) é o isolante de desenvolvimento mais recente e bem completo: alta temperatura admissível, ótima resistência à ionização, gradientes de projeto de valores equivalentes ao polietileno reticulado e excelente flexibilidade.

O EPR apresenta baixa dispersão da rigidez dielétrica e é praticamente isento do fenômeno do “treeing”, fato que permite utilizá-lo também em cabos submarinos com projetos bem simplificados.

Mais recentemente foram desenvolvidos e são muito utilizados o HEPR um EPR de maior dureza apresentando características físicas mais incrementadas e o EPR 105 utilizado na média tensão, permitindo temperatura de operação permanente ainda maior (105°C).

O conjunto destas características faz com que o EPR possa ser utilizado numa ampla gama de cabos, nas mais diversas aplicações em baixa, média e alta tensão.

(* treeing ) arborescências que se formam no material isolante provocando descargas parciais e consequente deterioração do mesmo

CLASSE DE ENCORDOAMENTO

Os condutores elétricos possuem várias classificações! Dentre elas, a que define a flexibilidade do cabo é a classe do encordoamento.

São classificados como:

Classe 1 Classe 2 Classe 4 ou 5

Fio sólido Cabos rígidos Cabo Flexíveis

A diferença das classes 4 e 5...

A classe de encordoamento dos cabos flexíveis está relacionada com o diâmetro dos fios elementares. Quanto menor o diâmetro dos fios, maior será a classe e consequentemente maior será a flexibilidade do condutor.

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Blindagem dos condutores

Nos casos dos cabos de média e alta tensão o condutor central é revestido com uma camada de material condutor não metálico (também chamado de primeira camada semicondutora)

Principais finalidades:

•Dar uma forma perfeitamente cilíndrica ao condutor

•Prover uma distribuição radial e simétrica do campo

•Eliminar os espaços vazios entre o condutor e a isolação

•Evitar a criação de arcos-voltaicos devido ao campo elétrico do condutor.

Blindagem da isolação

Igualmente nos cabos de média e alta tensão, se aplica sobre a isolação uma blindagem.

Principais finalidades:

•Prover uma distribuição radial e simétrica do campo elétrico.

•Proporcionar uma capacitância uniforme entre o condutor e o Terra.

•Escoamento de correntes de fuga, induzidas e de curto-circuito.

Cobertura

Tem função de dar proteção ao núcleo do cabo durante instalação e vida útil.

Deve ser mecânica e quimicamente compatível com as condições ambientais do local onde o cabo será instalado.

Requisitos:

•Impermeabilidade

•Resistência à abrasão e ao impacto

•Estabilidade térmica

•Flexibilidade

•Resistência aos ataques dos agentes químicos e atmosféricos

Principais materiais PVC, polietileno linear (PE), neoprene.

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Definição das alternativas para escolha de cabos elétricos.

A definição das alternativas a serem analisadas deve ser feita a partir de uma série de condições que são estabelecidas pelo projetista mediante considerações operacionais e econômicas:

• Tipo e projeto do sistema: o tipo de sistema (transmissão, distribuição, iluminação pública, etc.), bem como o seu projeto (radial, radial seletivo, reticulado, etc.), podem ser determinantes na escolha do tipo de cabo.

• Tensão e potência: os vários tipos de cabos apresentam faixas limitadas de tensão e potência nas quais podem operar.

• Comprimento do circuito: particularmente em baixa tensão, o comprimento do circuito deve ser considerado principalmente no que concerne aos valores admissíveis de queda de tensão.

• Tipo de carga: cargas indutivas capacitivas ou puramente resistivas, podem exigir cabos com detalhes diferentes de construção.

• Condições ambientais: os cabos devem ser dotados de proteções mecânicas condizentes com as condições ambientais do local de instalação do circuito.

• Trajeto: os eventuais desníveis ou curvas ao longo do trajeto do cabo são importantes na escolha dos materiais de isolamento e proteção.

• Confiabilidade desejada: o tipo de isolamento deverá apresentar confiabilidade compatível com a desejada para o sistema a curto, médio e longo prazos.

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TIPOS DE LINHAS ELÉTRICAS NBR 5410

2) O revestimento interno da parede possui condutância térmica de no mínimo 10 W/m2 .K.

3) A distância entre o eletroduto e a parede deve ser inferior a 0,3 vez o diâmetro externo do eletroduto.

4) A distância entre o cabo e a superfície deve ser inferior a 0,3 vez o diâmetro externo do cabo.

5) A distância entre o cabo e a parede ou teto deve ser igual ou superior a 0,3 vez o diâmetro externo do cabo.

6) Deve-se atentar para o fato de que quando os cabos estão instalados na vertical e a ventilação é restrita, a temperatura ambiente no topo do trecho vertical pode aumentar consideravelmente.

7) Os forros falsos e os pisos elevados são considerados espaços de construção.

8) Os cabos devem ser providos de armação