A escolha da temperatura de trabalho do condutor é dependente, basicamente, de três características bem definidas de aplicação: A temperatura de trabalho do condutor em regime permanente, a temperatura de trabalho em regime de sobrecarga e a temperatura de trabalho em regime de curto-circuito.
Todas elas são, em última analise, uma relação direta entre a resistência do condutor, a corrente à qual ele é submetido e o período de tempo sob o qual o condutor é submetido à corrente em questão.
TEMPERATURA NO CONDUTOR EM REGIME PERMANENTE (OU EM SERVIÇO CONTÍNUO)
É a temperatura alcançada em qualquer ponto do condutor em condições estáveis de funcionamento. A cada tipo (material) de isolação, corresponde uma temperatura máxima para serviços contínuos, designada por θz.
A temperatura de um condutor em regime permanente é uma característica importante a ser avaliada também, do ponto de vista de eficiência energética. Vejamos como: Quando dimensionamos um condutor com isolamento à base de PVC, sua máxima temperatura de uso em regime permanente é de 70ºC, enquanto cabos com isolamento em XLPE e EPR tem sua máxima temperatura de uso e regime permanente de 90ºC. Assim sendo, é fácil de se intuir que, do ponto de vista do custo da instalação, podemos usar um condutor cuja suportabilidade à temperatura seja maior pois sua capacidade de condução de corrente é substancialmente maior, o que nos traz economia durante a execução da instalação.
A título de comparação, segundo a tabela 57 da NBR-5410 que apresenta a capacidade de condução de corrente, em Amperes, para os métodos de instalação de referência A1, A2, B1, B2, C e D, para condutores em cobre e alumínio isolados em PVC (temperatura 70ºC) temos:
Cabo seção nominal 10mm², maneira A1, com 3 condutores carregados:
- Capacidade 42A.
Agora, segundo a tabela 58 da NBR-5410 que apresenta a capacidade de condução de corrente, em Amperes, para os métodos de instalação de
referência A1, A2, B1, B2, C e D, para condutores em cobre e alumínio isolados em EPR ou XLPE (temperatura 90ºC) temos:
Cabo seção nominal 10mm², maneira A1, com 3 condutores carregados:
- Capacidade 54A.
Vejamos que nessa simples comparação temos uma diferença de 12A, o que corresponde a uma capacidade 28,57% maior de condução de corrente.
Entretanto, do ponto de vista de eficiência energética, que é o que realmente importa ao longo do ciclo de vida útil da instalação, precisamos também avaliar quanto de energia será dissipada em forma de calor neste condutor, por efeito Joule, visto que sua temperatura de trabalho também será maior ao longo de toda a vida útil, sendo que temperatura do condutor é consequência direta da relação entre resistência Ôhmica e corrente circulante.
Calcular a queda de tensão concatenada ou total no circuito é o essencial para equacionarmos a questão de eficiência energética, seja com cabos isolados com PVC, seja com XLPE ou EPR, sendo a decisão do isolante uma característica não só de custos, mas de engenharia.
TEMPERATURA NO CONDUTOR EM REGIME DE SOBRECARGA
É a temperatura alcançada em qualquer ponto do condutor em regime de sobrecarga. Para os cabos de potência, estabelece-se que a operação em regime de sobrecarga, para temperaturas máximas especificadas em função da isolação, designadas por θsc, não deve superar 100 horas durante doze meses consecutivos, nem superar 500 horas durante a vida do cabo.
TEMPERATURA DO CONDUTOR EM REGIME DE CURTO-CIRCUITO
É a temperatura alcançada em qualquer ponto do condutor durante o regime de curto-circuito. Para os cabos de potência, a duração máxima de um curto-circuito, no qual o condutor pode manter temperaturas máximas especificadas em função da isolação, designadas por θcc é de 5 segundos.
TABELA 55 - TEMPERATURAS CARACTERÍSTICAS DOS CONDUTORES | |||
TIPOS DE ISOLAÇÃO | TEMPERATURA MÁXIMA PARA SERVIÇO CONTÍNUO | TEMPERATURA LIMITE DE SOBRECARGA (CONDUTOR C) | TEMPERATURA LIMITE DE CURTO CIRCUITO (CONDUTOR C) |
Policloreto de vinila (PVC) até 300mm² | 70 | 100 | 160 |
Policloreto de vinila (PVC) maior que 300mm² | 70 | 100 | 140 |
Borracha etileno - propileno (hepr) | 90 | 130 | 250 |
Polietileno reticulado (XPLE) | 90 | 130 | 250 |
Conforme tabela 35 - NBR 5410/2004 |
Para que calculemos a temperatura alcançada por um condutor durante um curto-circuito, são necessários três dados essenciais:
Corrente de interrupção máxima do dispositivo de proteção em regime de curto-circuito.
Tempo necessário para a atuação da proteção.
Máxima potência dissipada (em W) pelo condutor, sob corrente de curto-circuito.
É necessário conhecer a temperatura do condutor sob corrente de curto-circuito para compatibilizar a atuação da proteção com a capacidade térmica do condutor, ou seja, para que não seja excedida a temperatura máxima admissível do condutor, sob curto-circuito.
A temperatura máxima atingida por um condutor no regime de curto-circuito, é estabelecida pelo fabricante, e depende do tipo de isolamento (PVC, EPR, EXPR, etc..).
Os passos para a execução do cálculo são: Calcular a resistência do condutor, calcular a potência máxima dissipada pelo fio em curto-circuito e então, encontrar a temperatura máxima atingida do condutor em ºC, usando as equações abaixo:
Para encontrar a resistência do condutor e a potência máxima dissipada por ele em curto-circuito, usamos a Lei de Ohm, ou seja:
Resistência de um condutor de forma circular:
Onde:
ρ – resistividade do condutor na temperatura de operação.
l – Comprimento do condutor
s – área do condutor em mm².
Potência dissipada no condutor:
Onde:
Icc – Corrente de curto-circuito
R – Resistência do Condutor
Temperatura final do condutor:
Onde:
k – equivalente térmico de Joule para o cobre 2,39.10-4.
p – potência constante (W) fornecida pelo condutor em curto-circuito.
t – Tempo de duração do curto-circuito em segundos (s)
c – Calor específico do material (cal/kg.ºC) – cobre 0,094
ᵞ - peso específico do material (kg/dm2) – cobre 8,9
s = seção em dm2.
Exemplo prático: Como calcular a temperatura máxima alcançada pelos condutores de nossa instalação?
Vejamos as equações que se seguem, obtemos facilmente essas temperaturas.
Onde:
ρɵ - Resistividade do material do condutor - cobre a 20ºC (0,0174Ω)
α – Coeficiente de temperatura do material do condutor – cobre (0,00392)
ϑ – Temperatura de operação
Um exemplo prático para exercitar: Supondo linha de alimentação com cabos de 2,5 mm² de comprimento de 45 m, protegida por um disjuntor de classe C de 10A com uma temperatura de operação de 40ºC
Agora, como todos sabemos este componente pode disparar com corrente de até 100A e geralmente com um tempo entre 25ms e 30ms.
Como podemos obter a temperatura máxima alcançada pelos condutores nestas situações?
Primeiro: Calcular a resistividade do cobre a 40ºC.
ρ40 = 0,0188
Segundo: Calcular a resistência do condutor a 40ºC.
Usando a equação do cálculo da resistência de um condutor de forma circular:
R = 0,3384Ω
Finalmente, sendo a resistência do condutor é de 0.3384Ω e a corrente de disparo máxima do disjuntor em caso de curto-circuito é de 100A, podemos calcular a potência máxima dissipada neste condutor sob estas circunstâncias.
Wcc = 3384W
Sendo então:
Potência em curto-circuito dissipada de 3384W
Tempo máximo de interrupção 0,03s (30ms)
Seção do condutor: 0,00025dm² (2,5mm²)
ɵcc = 116,01ºC
Como sabemos pela tabela acima, cabos em PVC têm temperatura máxima de regime permanente de 70ºC e temperatura máxima sob curto-circuito de 160ºC.
Portanto, o condutor está corretamente dimensionado para a temperatura alcançada durante o curto-circuito.
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Bibliografia
Revista O SETOR ELÉTRICO, 74ª edição – Fascículo Sistemas de iluminação, capítulo III, autor: KAWASAKI, Juliana Iwashita, Edição 74 – Março de 2012
HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.
GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Quíca. Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.
FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011
TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em: <http://www. liberato.com.br/upload/arquivos/0131010716090416. pdf>. Acesso em 16 fev. 2011.
HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.
TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em:<http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/ pdf/0100.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.
DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/teses_mestrado/200102_dutra_r_m_ms.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.
AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010. Disponível em:<http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf>. Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.
Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.
Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 22 setembro. 2018.
Website ANEEL :<https://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 07 setembro. 2018.
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