Por Hélio E. Sueta; Luís E. Caires; Roberto Zilles – Instituto de Energia e Ambiente (USP)
Conteúdo gentilmente cedido para publicação no site do GRUPO INTELLI por Hélio E. Sueta; Luís E. Caires e Roberto Zilles
Resumo
Este artigo apresenta um estudo de uso dos condutores de aço revestidos de cobre em sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (PDA).
O objetivo principal deste trabalho é o auxílio na definição de seções transversais para este tipo de condutor em sistemas de proteção.
INTRODUÇÃO
A norma IEC 62305-3: 2010 [01], assim como a norma brasileira ABNT NBR 5419-3: 2015 [02], permite o uso de cabos de aço revestidos de cobre em sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA).
A IEC [01], em suas Tabelas 6 (“Material, configuração e área mínima de seção transversal de condutores de captação, hastes de captação, eletrodos de aterramento e descidas”) e 7 (“Material, configuração e dimensões mínimas de eletrodos de aterramento”), indica uma área de seção transversal de 50 mm² para o aço revestido de cobre, na configuração "redonda maciça" (diâmetro do eletrodo de aterramento de 14 mm, com uma nota que “em alguns países o diâmetro pode ser reduzido para 12,7 mm”) e como "fita sólida" e, respectivamente, 50 mm² e 90 mm² na Tabela 7, que se refere às dimensões mínimas dos eletrodos de aterramento.
Na Tabela 6, referente aos condutores dos subsistemas de captação e de descida, a ABNT NBR 5419-3: 2015 [02] indica uma área de seção mínima de 50 mm² nas configurações “redonda maciça” (diâmetro de 8 mm) e “encordoada” (diâmetro de cada fio da corda de 3 mm) para o cabo de aço revestido de cobre com 30% de IACS. Na Tabela 7, que se refere ao eletrodo de aterramento, os valores indicados são seções de 70 mm² para o eletrodo sem ponta (com um diâmetro de 3,45 mm para cada fio da corda) e um diâmetro mínimo de 12,7 mm para o eletrodo com ponta nas configurações "redonda maciça" e “encordoada” para o aço revestido de cobre.
As diferenças entre os valores das normas internacionais e brasileiras nas dimensões desses condutores levaram a um estudo para verificar o comportamento dos condutores de aço revestidos de cobre em seu uso em Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
O objetivo deste artigo foi estudar os cabos de aço revestidos de cobre em comparação com os cabos de cobre. Estas são as características dos cabos estudados:
- Cabo de cobre nu, seções de 35 mm² (7 fios x 2,5 mm) e 50 mm² (7 fios x 3 mm).
- Cabo de aço revestido de cobre, seção de 35 mm², 30%, 40% e 53% IACS, LCA (7 fios x 2,5 mm) e seção de 50 mm², 30%, 40% e 53% IACS, LCA (7 fios x 3 mm).
Os testes foram realizados no Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo para simular os efeitos térmicos nos cabos (aplicação de pulsos de corrente contínua na forma de arco elétrico, simulando a componente de corrente contínua do raio), testes de curto-circuito (a 60 Hz) e testes de elevação de temperatura (também a 60 Hz).
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
O IACS é uma unidade de medida de condutividade elétrica, que é uma propriedade microscópica dos materiais e corresponde ao inverso da resistividade. Esta unidade de medida é frequentemente utilizada no Reino Unido e nos EUA.
A condutividade elétrica específica de 100% IACS corresponde a 58 MS/m (milhões de Siemens por metro). Valores de condutividade fornecidos em % IACS indicam que as medições foram realizadas a uma temperatura de 20°C (293K ou 68°F). Medições indicadas em MS/m precisam informar a temperatura em que foram realizadas.
Os testes foram realizados em cabos encordoados com duas seções diferentes: 35 mm² e 50 mm². No caso do cobre, esse tipo de cabo é utilizado como condutor para os subsistemas de captação e de descida com uma seção de 35 mm², tendo um diâmetro de 2,5 mm para cada fio da corda, e no subsistema de aterramento com uma seção de 50 mm², com o diâmetro de cada fio da corda sendo de 3 mm.
DESENVOLVIMENTO
Uma estrutura (veja Figura 1) com um comprimento de pouco mais de 11 metros (11,2 m) foi utilizada, onde as amostras foram instaladas e tensionadas.
Figura 1 – Configuração inicial para os testes
TESTES PARA SIMULAR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Nos testes para simular a corrente contínua, as amostras foram instaladas e tensionadas com 15% da RMC (Resistência Mecânica à Carga) do cabo, que, no caso da seção de 35 mm², varia de 137 a 177 daN e, no caso da seção de 50 mm², varia de 173 a 251 daN.
O pulso de corrente contínua utilizado para simular a componente de corrente contínua tem uma carga de aproximadamente 200 Coulombs (pulso de aproximadamente 400 A e tempo de aplicação de 500 ms). Este teste foi realizado em três amostras de cada tipo.
A Figura 2 mostra um oscilograma do pulso de corrente contínua aplicado a uma das amostras.
Figura 2 - Oscilograma de corrente do teste de simulação de descargas atmosféricas
Após aplicar o pulso na forma de arco no centro do comprimento da amostra, o valor da carga de tração é verificado e registrado para cada amostra (após 3 minutos da aplicação). Uma inspeção visual é feita no ponto onde o arco ocorreu. Após essa verificação, cada amostra é tensionada com uma carga de 40% da RMC do cabo, mantida por 3 minutos.
Os testes foram baseados na norma ABNT NBR 14074 [03], no Anexo B, que é a norma para cabos para-raios com fibras ópticas (OPGW) para linhas de transmissão aéreas – requisitos e métodos de ensaio. Essa norma foi utilizada porque contém o teste de descarga atmosférica em cabos.
O eletrodo utilizado é de aço 1020 e foi instalado conforme mostrado na Figura 3, onde o "gap" entre o eletrodo e a amostra foi ajustado para 60 mm, com uma inclinação aproximada de 45º em relação ao plano da amostra (paralelo ao plano da bancada de testes). Três testes foram realizados em cada tipo de amostra, com uma aplicação em cada amostra.
A Tabela I descreve os valores medidos para cada amostra com seção de 35 mm² nos testes de descargas atmosféricas. Na Tabela II, para cabos de 50 mm². As Tabelas I e II serão apresentadas ao final deste artigo, bem como algumas figuras dos cabos após os testes.
Figura 3 - Disposição do eletrodo para o teste de simulação de descargas atmosféricas
TESTES DE CURTO-CIRCUITO
Os testes foram realizados com uma corrente simétrica de 7 kA (valor eficaz) para cabos com uma seção de 35 mm² e 10 kA para cabos com seção de 50 mm², com um tempo de aplicação de 500 ms. Foi aplicada uma corrente em cada amostra.
A temperatura máxima atingida nos testes foi verificada, e as deformações mecânicas em cada amostra foram analisadas.
Cada amostra foi instalada na estrutura (Figura 1) e tensionada inicialmente com aproximadamente 200 kgf para as amostras com seção de 35 mm² e 250 kgf para as de 50 mm².
Em cada aplicação, os seguintes parâmetros foram medidos e registrados: corrente, tensão entre dois pontos nas extremidades das amostras, potência ativa e temperatura no ponto central da amostra. Para medir e registrar corrente, tensão e potência, o seguinte sistema foi utilizado:
- Osciloscópio digital (digital scope DL850); fabricante: YOKOGAWA.
- Transdutores de corrente (unidade de potência); fabricante: YOKOGAWA.
Três metodologias foram usadas para medir a temperatura: medição com termopar, medição com câmera termográfica e cálculo por meio da variação de resistência elétrica.
No caso das medições com termopar e câmera termográfica, os valores foram obtidos da leitura direta dos instrumentos. Os valores máximos indicados pelos instrumentos foram registrados.
Os equipamentos utilizados foram:
- Multímetro digital, fabricante: MINIPA, modelo: ET-2517, número de série: ET-251700183. Equipado com um termopar tipo “K”.
- Câmera termográfica, fabricante: FLIR, número de série: 49003207, modelo: E50.
No caso da determinação da temperatura por cálculo através da variação de resistência, os dados do sistema de medição foram usados para calcular a potência instantânea. A partir desses valores, a potência ativa por ciclo foi calculada. O valor eficaz da corrente por ciclo também foi calculado. Com esses valores, a resistência por ciclo foi calculada.
Como parâmetro auxiliar, uma carga mecânica (tração) foi aplicada, medida por uma célula de carga (fabricada por Oswaldo Filizola, modelo Crown DAC).
A Figura 4 abaixo ilustra a célula de carga.
Figura 4 - célula de carga.
Um exemplo da aplicação do conceito pode ser o processo usado na amostra 07, um cabo de cobre de 50 mm². Para isso, foi necessário ter o valor de T0 ou α, que são constantes relacionadas à variação da resistência com a temperatura. Na prática, esses valores são equivalentes, diferindo apenas na aplicação do conceito. Existe uma expressão que estabelece essa equivalência, que é:
T0+20=1/α
Não é o objetivo deste artigo discutir a teoria envolvida nesta questão, mas apenas indicar os passos seguidos para obter os valores. Tendo o valor de T0 (que neste caso é 234,5°C), foi possível aplicá-lo ao teste de curto-circuito, e estimou-se que a temperatura atingiu 181°C por meio da variação de resistência.
O sistema de medição com termopar registrou 150°C e o sistema de medição por radiação infravermelha registrou 126°C, como mostrado na Figura 5 abaixo.
Figura 5 - Exemplo de termografia de uma das amostras
O problema é que esse valor foi registrado após a aplicação, quando o condutor parou de se mover após o esforço eletromagnético inerente ao curto-circuito nessas condições. Assim, espera-se que a temperatura registrada seja inferior à máxima. Para contornar essa dificuldade, registros oscilográficos foram usados para calcular a temperatura em função da resistência (veja Figura 6). Os gráficos a seguir ilustram o processo passo a passo.
Figura 6 - Oscilogramas de corrente e tensão no curto-circuito
A corrente de teste (aproximadamente 10 kA eficaz) foi aplicada e a queda de tensão na amostra foi registrada. Com isso, obteve-se a variação de potência em função do tempo (veja Figura 7).
Figura 7 - Oscilograma da potência no teste de curto-circuito
A potência aumenta como resultado do aumento da resistência do condutor devido ao aquecimento. O valor da resistência pode ser obtido ciclo a ciclo, calculando os valores da potência ativa e da corrente eficaz por ciclo, obtendo assim um gráfico da variação da resistência em função do tempo em etapas (Figura 8).
Figura 8 - Variação da resistência durante o teste de curto-circuito
A partir dos valores de resistência e considerando o valor de T0, o comportamento da temperatura da amostra foi calculado (veja Figura 9).
Figura 9 - Variação da temperatura durante o teste de curto-circuito
TESTES DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA
Os testes foram realizados em cabos com 53% de IACS e com correntes de 60 Hz, de 193 A para cabos com seção de 35 mm² e de 242 A para cabos de 50 mm². O fabricante dos cabos indicou esses valores.
Os testes foram realizados em cada amostra com condução de corrente até a estabilização da temperatura. As temperaturas foram medidas utilizando termopares adequados. As temperaturas foram registradas em alguns pontos da amostra e no ambiente para se obter a elevação de temperatura.
As temperaturas atingidas nos testes foram de acordo com a Tabela IV abaixo:
RESULTADOS E DESENVOLVIMENTOS TEÓRICOS
Tanto a norma IEC 62305-1: 2010 [04] quanto a norma brasileira ABNT NBR 5419-1: 2015 [05] apresentam as Tabelas “D.2 – Características físicas de materiais típicos usados em componentes de SPDA” e “D.3 – Elevação de temperatura para condutores de diferentes seções em função de W/R”.
Este estudo, baseado nos testes realizados, principalmente nos de curto-circuito e de elevação de temperatura, complementa essas tabelas com parâmetros para cabos de aço revestidos de cobre com IACS 53%, 40% e 30%, além de comparar os resultados obtidos para o cobre com os valores tabulados.
Usando a equação D.7 descrita tanto na IEC 62305: 2010 quanto na ABNT NBR 5419-1: 2015 e os resultados dos testes, a Tabela D.2.REV (veja ao final do artigo) complementa a Tabela D.2 nas normas.
Para obter os parâmetros para cabos de aço revestidos de cobre, foram feitas as seguintes considerações:
- Foram considerados os dados dos testes e aqueles obtidos da literatura, incluindo as normas [04, 05], visando compatibilizar os modelos para ter um parâmetro de comparação.
- Tomando os valores para cobre e aço carbono, os valores de resistência equivalente foram calculados para as composições que resultaram em condutividades de 53%, 40% e 30% IACS. A partir desses valores, foram calculados os valores de resistividade ρ0 e do coeficiente de temperatura α. Esses valores foram aplicados à equação normalizada e comparados com os resultados obtidos durante os testes para validar os parâmetros. Os resultados da comparação estão listados ao final do artigo, junto com a tabela D.3.REV.
- As mesmas variáveis da norma foram usadas para caracterizar os materiais: ρ0 é a resistência ôhmica específica de um condutor à temperatura ambiente, γ é a densidade do material, Cw é a capacidade térmica, Cs é o calor latente de fusão e ϴs é a temperatura de fusão.
A Tabela D.3 também foi revisada e complementada com os valores para cabos com seção de 35 mm², amplamente utilizados em SPDA, e com os valores para cabos de aço revestidos de cobre, criando a nova Tabela D.3.REV (veja ao final do artigo).
Ao preparar esta tabela revisada, foram feitas as seguintes considerações:
- A expressão da norma brasileira ABNT NBR 5419-1: 2015 [05] foi usada para calcular a elevação de temperatura no cabo em função de W/R, verificando a compatibilidade dos resultados para os materiais existentes na tabela padronizada. Os outros materiais não incluídos na tabela padrão foram calculados a partir dos novos parâmetros na tabela D.2.REV.
- Apenas os valores para cabos de cobre de 35 mm² e 50 mm², com 30%, 40% e 53% IACS, que foram testados em laboratório, foram comparados.
- Foram feitas aplicações laboratoriais com aproximadamente 50MJ/Ω para cabos de 50 mm² e 25MJ/Ω para cabos de 35 mm². Esses valores estão bem acima dos valores tabulados, de modo que foi possível obter os valores para 2,5; 5,6 e 10 MJ/Ω. No entanto, esses valores foram obtidos a partir da análise de ondas de corrente, tensão e potência durante as aplicações, usando técnicas de ajuste de curvas para obter a melhor aproximação. Os valores obtidos estavam dentro da faixa dos valores testados e nenhuma extrapolação foi realizada.
Assim, é possível criar uma tabela com valores calculados pela expressão da norma, bem como obter os valores correspondentes a partir da análise dos dados de teste.
Considerando W/R 50 MJ/Ω para um cabo de 50 mm².
Os valores obtidos são próximos, mas com uma diferença considerável devido à dificuldade de determinar com precisão a temperatura do cabo. Três métodos foram usados, mas cada um deles tem limitações que dificultaram a medição exata da temperatura.
Considerando W/R 2,5 MJ/Ω para um cabo de 50 mm²
Considerando W/R 5.6 MJ/Ω para um cabo de 50 mm²
Considerando W/R 10 MJ/Ω para um cabo de 50 mm²
Em comparação aos valores obtidos, as diferenças de módulo em relação aos valores calculados são aceitáveis, com uma diferença média em torno de 10%, levando em conta as limitações e dificuldades inerentes ao teste. Curiosamente, os maiores valores de erro percentual correspondem aos menores valores de erro absoluto, já que ocorreram com baixos aumentos de temperatura, onde uma diferença de apenas 1 K é percentualmente mais significativa.
Foram testadas combinações de cabos de 35 mm² e 50 mm², resultando em um número considerável de testes, horas de laboratório e dados para processamento e análise. Além disso, o custo das amostras não pode ser negligenciado.
Como pode ser visto na tabela D.3.REV, testar todas as configurações encontradas nela adicionaria um ônus desnecessário ao processo sem melhorar significativamente a precisão. Assim, os outros valores nesta tabela foram obtidos por cálculo, uma vez que esses resultados devem ser compatíveis com os testes dentro de uma margem de erro aceitável.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Teste de Curto-circuito
Os testes de curto-circuito mostraram que nenhuma das amostras se rompeu (nenhum dos fios que compõem os cabos), apenas as cores de algumas amostras mudaram em relação ao estado original.
As medições de temperatura no vão central das amostras por diferentes métodos mostraram resultados próximos, embora com problemas específicos de medição.
Como as amostras têm aproximadamente 20 metros de comprimento cada, devido às configurações do teste, às correntes envolvidas e à interação eletromagnética no loop, ocorrem esforços mecânicos, fazendo com que os cabos se movam bastante nos testes. Além disso, como houve um aumento considerável de temperatura em algumas amostras, a expansão correspondente também influenciou o movimento dos cabos.
Esse movimento, somado à variação repentina de temperatura, aos valores elevados que ela atinge e ao curto tempo de teste, leva a dificuldades na medição da temperatura máxima no ponto central das amostras.
No caso da medição com termopares, a escolha do tipo de termopar é importante, assim como a forma de fixação na amostra. Nestes testes, foi utilizado um termopar tipo “K”, que foi fixado de várias maneiras, até se encontrar uma que o mantivesse firme, a fim de minimizar a deterioração de seu isolamento e dos meios de fixação devido aos altos valores de temperatura alcançados. O dispositivo de medição de temperatura também deve ter um bom tempo de resposta, com capacidade de registrar pelo menos o valor máximo alcançado.
Foi utilizado no teste o multímetro digital, fabricante: MINIPA, modelo: ET-2517, que mostra a temperatura atual e registra os valores mínimos e máximos.
Ao medir com a câmera termográfica, deve-se ter cuidado especial em relação ao limite de temperatura do dispositivo e ao ajuste de emissividade do ponto a ser medido. Neste teste, em particular, verificou-se se a área coberta pela medição conteria a dispersão devido ao movimento do cabo durante o curto-circuito.
O cálculo da temperatura através da variação da resistência elétrica provou ser bastante razoável. Durante os testes de curto-circuito, a corrente de teste, a tensão entre dois pontos da amostra e a potência ativa e o valor eficaz da corrente por ciclo foram registrados. Com esses valores, foi possível analisar os dados para obter e seguir a variação da resistência elétrica da amostra e, através disso, calcular a temperatura do cabo.
Teste de Simulação de Descargas Atmosféricas
No teste de simulação de descargas atmosféricas, o pulso de corrente contínua foi aplicado na forma de um arco elétrico. Ao contrário das amostras com cabo de cobre, onde ocorreram quebras de fios (um ou dois fios), as amostras com cabo de aço revestido de cobre não apresentaram fios rompidos. Danos visuais foram observados (veja as fotos), mas todas as amostras suportaram aumento de tensão para 40% da RMC do cabo por 3 minutos após os testes de descargas atmosféricas.
Teste de Elevação de Temperatura
Nos testes de elevação de temperatura, a temperatura se estabilizou nos valores indicados na Tabela IV.
Este teste foi utilizado para orientar as estimativas de elevação de temperatura nos testes de curto-circuito, pois, neste caso, é possível acompanhar a variação de resistência e temperatura por termopar, em condições estáveis e controladas para o uso desses elementos de medição.
O gráfico a seguir (Figura 10) para uma amostra de cabo de 50 mm² com 40% IACS demonstra o comportamento dos valores de temperatura estimados pelo método de variação de resistência (em azul) e os registrados pelo sistema que usou termopar (em vermelho).
Figura 10 - Gráficos das temperaturas registradas no teste de elevação
Os testes realizados em todas as amostras testadas mostraram gráficos semelhantes tanto para o método de variação de resistência quanto para os registros obtidos pelo sistema de medição por termopar.
Estudo dos parâmetros dos materiais
Tanto na norma IEC 62305 quanto na ABNT NBR 5419, os parâmetros para cabos de aço revestidos de cobre (IACS 52%, IACS 40% e IACS 30%) não aparecem, nem na Tabela D.2 nem na Tabela D.3. Este estudo apresenta esses valores com razoável confiabilidade, já que os outros valores já tabulados foram confirmados pelo mesmo procedimento, que incluiu testes laboratoriais.
Embora os parâmetros para esses materiais não estejam incluídos nas tabelas normatizadas, por meio do estudo de valores existentes, dados de catálogos e literatura, além do uso de métodos de análise relativamente simples acompanhados por testes laboratoriais, foi possível deduzir os elementos que completam as tabelas normalizadas.
A vantagem de usar a norma como referência foi agregar o conjunto de dados coletados durante o teste a um conjunto de informações organizado de acordo com um critério já conhecido e bem fundamentado. Traduzir os dados de teste para o formato compatível com as normas foi simples, já que os parâmetros medidos facilitaram esse processo.
CONCLUSÕES
Este artigo apresenta um estudo sobre cabos de aço revestidos de cobre com o objetivo de auxiliar na normalização da seção desses cabos para uso em sistemas de proteção contra descargas atmosféricas.
O estudo é baseado em testes laboratoriais, focando em algumas seções e tipos de cabos com diferentes condutividades elétricas.
Os cabos de aço revestidos de cobre podem ser usados como componentes dos SPDA, e as seções descritas nas Tabelas 6 e 7 da ABNT NBR 5419-3: 2015 devem ser revisadas. Na Tabela 6, referente aos condutores usados nos sistemas de captação e descida, pode-se considerar uma área de seção mínima de 35 mm² para o aço revestido de cobre com uma condutividade mínima de 30% IACS. Na Tabela 7, referente aos condutores para o sistema de aterramento, deve-se considerar uma seção mínima de 50 mm² para eletrodos não cravados.
Ao usar esses tipos de cabos de aço revestidos de cobre em contato com outros materiais que podem ser combustíveis, as características físicas desses materiais e as elevações de temperatura descritas nas Tabelas D.2.REV e D.3.REV, descritas neste relatório, devem ser consideradas.
O uso desses cabos de aço revestidos de cobre em outros sistemas, como cabos de aterramento para instalações elétricas de subestações ou para cabos de potência, deve ser estudado caso a caso, levando em consideração os resultados e as características dos testes realizados, principalmente testes de curto-circuito e elevação de temperatura.
Anexos
TABELA I – Parâmetros utilizados em cada aplicação de ensaio de curto circuito
TABELA II – Parâmetros utilizados em cada aplicação de ensaio de descarga atmosférica – Cabos de seção #35 mm²
TABELA III – Parâmetros utilizados em cada aplicação de ensaio de descarga atmosférica – Cabos de seção #50 mm²
Tabela D.2.REV – Características físicas de materiais típicos utilizados em componentes de SPDA revisada.
Tabela D.3.REV – Elevação de temperatura para condutores de diferentes seções em função de W/R revisada.