Equipamentos elétricos: cabos, terminações e aterramento

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Equipamentos elétricos: cabos, terminações e aterramento

cabos de média tensão para aterramento

1– Introdução

O objetivo maior deste artigo é apresentar como realizar aterramento da blindagem dos cabos isolados e dos terminais correspondentes nas duas extremidades do referido cabo. O aterramento pode ser realizado em uma só extremidade, ou nas duas extremidades, porém será estudada a melhor solução.

Para alcançarmos esse objetivo, faz-se necessário conhecer a construção dos cabos isolados de média tensão e, também, das muflas e terminações.

2 – Partes componentes de um cabo isolado de média tensão

Um cabo de média tensão isolado é constituído dos elementos a seguir.

2.1 – Condutores

Os condutores elétricos utilizados em cabo isolados de média tensão isolados, normalmente, são fabricados em cobre ou alumínio.

2.2 – Isolamento

Excluindo os materiais estratificados, utilizados nos cabos de papel impregnado, atualmente a isolação dos condutores elétricos é constituída de materiais sólidos extrudados.

As isolações sólidas podem ser fabricadas a partir dos materiais a seguir.

2.2.1 – Termoplástico

As isolações termoplásticas são fabricadas à base de cloreto de polivinila, conhecido comumente como PVC. Têm a propriedade de se tornar, gradativamente, amolecidas a partir da temperatura de 120 ºC, passando ao estado pastoso, com o aumento desta, até desagregar-se do material condutor correspondente. A isolação termoplástica pode suportar, em operação normal, temperaturas de até 70 ºC.

2.2.2 Termofixo

As isolações termofixas são fabricadas à base de dois materiais distintos, sendo que cada um deles apresenta características elétricas e mecânicas específicas. A isolação termofixa pode suportar em operação normal temperaturas de até 90 ºC. São comumente utilizadas as isolações XLPE e EPR.

2.3 – Blindagens de campo elétrico

Também conhecidas como blindagens eletrostáticas, são materiais semicondutores que envolvem o condutor elétrico e a sua isolação com a finalidade de alinhar e confinar o campo eletrostático.

2.3.1 – Blindagem do condutor

É constituída de uma fita não metálica semicondutora ou por uma camada extrudada de compostos semicondutores, ou ainda, por uma combinação de ambos os processos.

A blindagem do condutor deve ser utilizada em cabos isolados em XLPE, a partir de 1,8/3 kV, ou em cabos isolados em PVC e EPR a partir de 3,6/6 kV.

A presença da blindagem em contato com o condutor e com a isolação é de fundamental importância para a uniformização das linhas de campo elétrico radial e longitudinal.

Considerando, por exemplo, um condutor redondo normal ou redondo compacto, pode-se perceber que a sua irregularidade superficial provoca distorção do campo elétrico, criando gradientes de tensão em determinados pontos, solicitando diferentemente o dielétrico do cabo e resultando uma acelerada redução de sua vida útil. Esse fenômeno se torna mais grave quando existem vazios dentro do dielétrico.

Para se manter a uniformidade das linhas de força radiais e longitudinais, na superfície interna do dielétrico, deve-se revestir o condutor com uma fita de blindagem, não metálica, que faça um íntimo contato com este e com a superfície interna da isolação, eliminando, assim, os espaços vazios que são responsáveis pelo processo de descargas parciais, cujo resultado é a destruição da isolação. 

Do ponto de vista elétrico, pode-se considerar que a blindagem semicondutora interna do condutor converte a superfície irregular dos cabos em superfície cilíndrica, praticamente lisa, minimizando a concentração de linhas de força radiais e longitudinais na superfície interna da isolação.

Já a fita semicondutora, interposta entre a parte externa da isolação e a blindagem metálica do cabo isolado, regulariza a uniformidade do campo elétrico na superfície do cabo, devido à falta de aderência da blindagem metálica com a superfície da isolação.

A Figura 1(A) ilustra um cabo de média tensão desprovido de blindagem interna, isto é, sem controle de campo elétrico, ressaltando-se a conformação do campo radial e das linhas equipotenciais que propiciam o surgimento de pontos de concentração de esforços de tensão no dielétrico.

A Figura 1(B) mostra o mesmo cabo dotado de uma conveniente blindagem interna, em que se nota perfeitamente a nova orientação das linhas de força, de maneira uniforme no interior do dielétrico.

As linhas equipotenciais são mostradas nas figuras mencionadas com valores percentuais da grandeza do campo elétrico para diferentes afastamentos da superfície do condutor.

Figura 1(A) – S/controle de campo      Figura 1(B) – C/controle de campo

O gradiente máximo, a que é submetido um cabo isolado, corresponde à superfície de contato entre o condutor e o isolamento.

Já o gradiente mínimo corresponde ao contato entre a superfície externa da isolação e a blindagem semicondutora, sobre a qual está a blindagem metálica, deve ser aterrada.

2.3.2 – Blindagem da isolação

A blindagem da isolação, também denominada de blindagem externa, deve ser constituída por uma fita semicondutora, não metálica, com as mesmas características da anterior..

A fita semicondutora é aplicada diretamente sobre a superfície da isolação. A blindagem metálica, por sua vez, é aplicada diretamente sobre a fita semicondutora ou por sobre os condutores blindados individualmente, nos cabos tripolares.

A blindagem sobre a isolação deve ser utilizada em cabos isolados em XLPE a partir de 1,8/3 kV ou em cabos isolados em PVC e EPR a partir de 3,6/6 kV.

Os cabos destinados a tensões inferiores às mencionadas anteriormente podem ser dispensados da camada semicondutora, aplicando-se a blindagem metálica diretamente sobre a isolação.

A blindagem semicondutora, aplicada sobre a isolação, tem uma função similar àquela aplicada sobre o condutor. Seu objetivo é eliminar o efeito dos vazios ionizáveis entre a isolação e a blindagem metálica.

2.4 – Blindagem metálica

A blindagem metálica pode ser constituída de fios aplicados de forma longitudinal, de fita aplicada helicoidalmente, de camada concêntrica de fios e de camada concêntrica de fios combinada com fitas.

Sua função principal é confinar o campo elétrico aos limites da isolação e ao mesmo tempo eliminar a possibilidade de choque elétrico ao se tocar na capa do cabo, desde que a blindagem metálica esteja corretamente aterrada.

Além disso, a blindagem metálica propicia um caminho de baixa impedância para as correntes de falta à terra, tem a função de reduzir os efeitos da interferência eletromagnética ou o ruído elétrico, garantindo uma tensão praticamente igual a zero sobre a superfície dessa isolação.  

A Figura 2(A) ilustra a aplicação da blindagem com fios metálicos. Já a Figura (2B) mostra um cabo dotado de blindagem metálica constituída de fita e fios.

Figura 2(A) – Blindagem de fio                   Figura 2(B) – Blindagem de fio e fita

A aplicação da blindagem metálica deve permitir um íntimo contato com a blindagem de campo elétrico ao longo de toda a isolação do cabo.

Deve-se considerar que a blindagem metálica tem grande importância na segurança de operação do cabo. Sem ela, em havendo defeito na isolação, o condutor faria o contato direto com a superfície em que estaria assentado, como por exemplo, uma eletrocalhas metálica, energizando-a e também a todos os painéis metálicos, carcaça de motores etc. que fizesse contato com a eletrocalha metálica.

Com a blindagem metálica, o condutor faz contato diretamente com ela que está conectada à terra, eliminando os perigos decorrentes.

2.5 – Cobertura de proteção

Os cabos de isolamento sólido são dotados de uma proteção externa, não metálica, normalmente constituída de uma camada de composto termoplástico, à base de cloreto de polivinila (PVC).

Nos cabos destinados a serviço em ambientes de elevada poluição, a capa de PVC é substituída por neoprene, que apresenta excelentes características térmicas e mecânicas além de ser resistente a uma variedade de agentes químicos.

3 – Muflas e terminações

Mufla terminal primária, ou terminação, é um dispositivo destinado a restabelecer as condições de isolação da extremidade de um condutor isolado quando este é conectado a um condutor nu ou a um terminal para ligação de um equipamento.

Há uma grande variedade de muflas e terminações. Porém, as mais antigas são as muflas constituídas de um corpo de porcelana vitrificada com enchimento de composto elastomérico e fornecidas com kit que contém todos os materiais necessários a sua execução.

Esse tipo de mufla é destinado aos cabos isolados singelos (muflas terminais singelas). Podem ser utilizadas tanto ao tempo quanto em instalações abrigadas.

A Figura 3(A) e mostra a parte externa de uma mufla singela e a Figura 3(B) mostra os principais componentes internos da mesma mufla.

Figura 3(A) – Mufla: parte externa     Figura 3(B) – Mufla: parte interna

Figura 4 – Vistas externa e interna de uma terminação termocontrátil.

As muflas e as terminações contráteis são componentes elétricos destinados à conexão de cabos isolados com condutores sem isolação, tais como barramentos, cabos de redes aéreas, equipamentos etc.

A Figura 4, observada na parte superior, mostra a vista externa de uma terminação termocontrátil de fabricação da Raychem. Já a Figura 4, observada na parte inferior, mostra os alguns componentes utilizados na construção da mesma terminação termocontrátil.

Os elementos principais das muflas e terminações são o tubo de alívio de campo elétrico (TVR) em EPDM, cobertura de aterramento e saias isolantes em borracha à base de silicone.

O processo de confecção de uma mufla ou terminação contrátil é fornecido detalhadamente pelo fabricante. Não se deve empregar o processo de confecção da mufla de um determinado fabricante e aplicá-lo em mufla de outro fabricante.

As medidas de corte dos componentes do cabo são milimétricas, e a quantidade de fitas e outros componentes empegados são rigorosamente utilizados nas medidas corretas indicadas nas instruções dos fabricantes.

Quando um cabo é seccionado, para se preparar uma mufla ou terminação contrátil, as linhas de campo radial convergem para a extremidade da blindagem eletrostática cortada, provocando uma elevada intensidade de campo elétrico em torno do corte da referida blindagem.

A intensidade desse campo é, entre outras, uma função da tensão aplicada. A Figura 5 mostra a disposição das linhas de força na extremidade de um cabo seccionado.

Devido à concentração de campo elétrico na parte superior da isolação é imperativa a necessidade de se reduzir este gradiente de tensão durante o processo.

Assim, aumenta-se gradualmente a espessura da isolação, a partir do corte da blindagem até um determinado ponto da extremidade do cabo, formando o que se denomina cone de alívio de tensão, ou cone de deflexão. Esse processo é utilizado também em muflas terminais.

Já na confecção de terminais termocontráteis mostrados na Figura 5, na parte superior do desenho, observa-se a distribuição das linhas de campo elétrico nesse terminal, salientando que há uma grande concentração de campo elétrico na superfície da isolação. Os números indicam as percentagens da distribuição de campo elétrico ao longo da referida terminação.

Após a aplicação do tubo de controle das linhas de força pode-se observar que o campo elétrico fica disperso ao longo da terminação. É o mesmo processo obtido com a utilização do cone de deflexão utilizado nas muflas terminais.


Figura 5 – Linhas de campo elétrico em cabo com e sem controle.

As camadas semicondutoras têm a função de homogeneizar o campo elétrico compreendido entre a blindagem metálica e a isolação e da isolação ao condutor.

É extremamente importante observar a distância mínima requerida pelo fabricante entre o terminal energizado do cabo e a blindagem metálica da mufla ou terminação, já que estes dois pontos estão submetidos à tensão de fase-terra.

Além disso, os primeiros 25 mm, a contar do terminal de tensão, são a região mais crítica, pois concentra 75% do potencial entre fase e blindagem.

As impurezas indevidas acumuladas durante o processo de confecção descuidado da mufla ou terminação interpostas entre esses dois pontos acima referidos está sujeito à ionização, cujo resultado é a redução das características isolantes e o início de flashover que culminará, no intervalo de pouco tempo, em curto-circuito monopolar.

4 – Aterramentos: muflas e terminações

As blindagens metálicas dos cabos e das muflas ou terminações devem ser aterradas nas proximidades do seu ponto de instalação.

A abordagem de aterramento das blindagens dos cabos neste artigo considera circuitos de pequeno comprimento, em média, inferiores a 2 km, a depender do valor das tensões induzidas na extremidade não aterrada do cabo e que não deve superar um determinado valor, em geral, inferior a 300 V.

Também, a operação do cabo deve ser em regime permanente. Para circuitos de comprimentos longos há muitas considerações a ser estudadas e não abordadas neste artigo.

Em geral, há duas formas de aterramentos das extremidades da blindagem dos cabos isolados.

Na primeira opção, as blindagens das duas extremidades do cabo isolado são aterradas, conforme está indicado na Figura 6(A) que está representando somente uma fase.

Para as outras fases de um sistema trifásico, deve-se adotar o mesmo procedimento. Assim, as blindagens das três fases são reunidas num só ponto que deve ser conectado à terra.

A circulação de corrente induzidas nas blindagens ao longo do comprimento do cabo é função da sua maneira de instalação. Em decorrência da tensão induzida, pode circular corrente nas blindagens, que depende do tipo de ligação à terra.

Nesse caso, as correntes induzidas provocam perdas Joule nas blindagens, e consequentemente, o aquecimento do cabo, influenciando a sua capacidade de corrente, de acordo com a sua maneira de instalação. Em decorrência das perdas térmicas, deve-se reduzir a capacidade de corrente do cabo como forma de compensação térmica.

Pode-se perceber, pela Figura 6(A), que há uma forte semelhança do cabo com um transformador de corrente, em que o primário é o condutor de fase, e o secundário é a blindagem.

Na segunda opção é aterrada somente a blindagem de uma das extremidades do cabo isolado. Isso praticamente elimina a circulação de corrente na blindagem. Essa é a solução mais utilizada para circuitos de pequenos comprimentos.

No ponto em que a blindagem do cabo isolado não é aterrada, é necessário conectar à terra a blindagem da terminação, conforme indicado na Figura 6(B).

É indiferente a extremidade que será aterrada, da fonte ou da carga, quando é selecionada a opção da Figura 6(B).

Figura 6 – Formas de aterramento da blindagem metálica.

Para saber mais sobre o tema, recomendamos a leitura do livro Manual de Equipamentos Elétricos.


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João Mamede Filho
João Mamede Filho
É engenheiro eletricista formado pela Universidade Católica de Petrópolis (UCP), no Rio de Janeiro. Foi diretor de Planejamento e Engenharia da Companhia Energética do Ceará (COELCE) por duas vezes, e também diretor de Operações da entidade. Foi presidente do Comitê Coordenador de Operações do Norte-Nordeste (CCON) e da Nordeste Energia S.A. (NERGISA). Ex-presidente e atual engenheiro de projeto da CPE – Estudos e Projetos Elétricos. Por mais de 30 anos, ministrou a disciplina de Eletrotécnica Industrial na Universidade de Fortaleza (UNIFOR), no Ceará.

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