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Condutores bimetálicos aço-cobre e sua equivalência com condutores de cobre
25 JAN 2021

Condutores bimetálicos aço-cobre e sua equivalência com condutores de cobre

Condutores bimetálicos aço-cobre e sua equivalência com condutores de cobre

Dado seu alto valor comercial, o cobre é muito visado para furtos em malhas de aterramento. Uma solução é substituí-lo por condutores de aço revestido de cobre (CCS copper-clad steel), cujo processo de produção, por soldagem em escala atômica, dificulta a separação entre cobre e aço e inviabiliza a comercialização. Este artigo dedica-se a apresentar a tecnologia e a engenharia do CCS e sua equivalência com os condutores de cobre.

Os fios e cabos bimetálicos de copper-clad steel (CCS) têm construção muito diferente dos condutores de cobre, alumínio, aço zincado e outros. A soldagem entre o aço (núcleo) e o cobre (cama­da externa) se dá através de processo de caldeamento contínuo em meio redutor. Os demais bimetálicos, fa­bricados com processos mais sim­ples, apresentam desempenho ter­momecânico diferente, seja pela qualidade da aderência, seja pela diferença de parâmetros dos metais envolvidos. O CCS foi concebido para elevado desempenho térmico (em alta temperatura) e mecânico (módulo de elasticidade próximo ao do aço). 

O bimetálico copper-clad steel sur­giu no começo dos anos 1950 no Ins­tituto Battelle, de Ohio, EUA, fruto de cooperação bem-sucedida com a empresa American Steel. O processo então aplicado, de caldeamento con­tínuo (continuous cladding), é talvez mais antigo processo metalúrgico existente, remontando aos Hititas (1250 A.C.). É realizado com aque­cimento ao rubro do ferro em cha­ma produzida por carvão e posterior martelamento de conformação, provocando o caldeamento de molécu­las de carvão, por difusão no estado sólido, para o interior da massa de ferro. 

Na tecnologia CCS moderna, o caldeamento contínuo é feito levan­do-se um fio de aço (núcleo) ao rubro numa atmosfera redutora (e não oxi­dante, como no tempo dos Hititas) e com martelamento contínuo, utili­zando um cilindro de metal duro que comprime duas fitas de cobre (uma por cima e outra por baixo) contra o fio de aço. Esse processo garante uma solda contínua entre os metais, em nível atômico.

Condutores bimetálicos aço-cobre: tecnologia clad line
A figura 1 apresenta se­quência de caldeamento contínuo com a formação de um vergalhão de CCS rebarbado, o qual será pos­teriormente trefilado e en­cordoado para as diversas formações de condutores.

Engenharia dos fios e cabos bimetálicos de copper-clad steel

A engenharia mecânica, no que concerne às proprie­dades dos materiais, será a somatória proporcional das propriedades dos metais participantes na seção transversal do fio. Um exemplo clássico é a distribuição de forças na camada externa e no núcleo de um fio CCS.

Um cabo ou fio tracionado por uma força F qualquer se comportará conforme as leis da resistência dos ma­teriais. As forças nos materiais cobre e aço serão proporcionais aos respectivos módulos de elasticidade e às respectivas áreas que ocupam na seção do condu­tor. Daí decorre uma das propriedades de excelência do CCS, que é a de o aço predominar sobre o cobre quando o condutor é tracionado.

Na engenharia elétrica, algumas considerações devem preceder os conceitos de propriedades dos mate­riais. Se o material for solicitado em corrente contínua, existem boas ra­zões para considerar as propriedades dependentes da área na seção trans­versal. Porém, se o material for soli­citado em corrente alternada, toda a teoria do eletromagnetismo deve ser invocada. Neste artigo, faremos uma apresentação de parâmetros conside­rando apenas o comportamento com corrente contínua. Com esta aborda­gem, o cobre e o aço são colocados em paralelo, resultando a resistivi­dade equivalente do paralelismo, a qual, associada à área total, permite calcular a área do metal condutor e, consequentemente, a área do aço.

A partição das forças que atuam no aço e no cobre é feita com a ajuda da resistência dos materiais clássicos. Neste caso, quem governa a divisão das forças são o módulo de elastici­dade de cada material e suas respectivas áreas.

Condutores bimetálicos aço-cobre: resistividades e forças.

Na figura 2, a resistividade elétri­ca equivalente da seção do condutor bimetálico é uma função direta das resistividades do cobre e do aço e suas correspondentes áreas na seção. Na mesma figura, a partição das for­ças atuantes é uma função direta dos módulos de elasticidade e suas res­pectivas áreas. Este enfoque somente pode ser considerado numa aborda­gem em corrente contínua (em cor­rente alternada, deve-se considerar os efeitos pelicular e de proximida­de, este com menor participação), mas é adotado nas principais normas internacionais, como a ASTM B227-15 - Standard Specification for Har­d-Drawn Copper-Clad Steel Wire. Além disso, a definição IACS - In­ternational Annealed Copper Stan­dard (ver adiante) utiliza os parâme­tros em corrente contínua.

 

Condutores bimetálicos aço-cobre: parâmetros do CCS

Na figura 3, todas as proprie­dades estão correlacionadas com o parâmetro IACS, que es­tabelece condutividade de 100% IACS para o cobre puro a 20 ºC. O parâmetro IACS é muito apropriado porque nele estão associadas às seções do cobre e do aço [(Δ/S), (ΔR / R)].

Propriedades físicas e químicas dos metais

Além dos que utilizam aço-cobre, outros conduto­res bimetálicos conhecidos são de aço-alumínio e aço-zinco (conhecido como aço zincado ou aço galvanizado). Suas proprie­dades também podem ser calcula­das com as mesmas considerações anteriores. Na tabela I (acima), encontram-se algumas propriedades desses condutores além dos de alumínio, cobre comercial e cobre reco­zido, em comparação com fio CCS 53% IACS, o que pode ser útil num cálculo exploratório.

Equivalência CCS-cobre para condutores de aterramento

Os condutores CCS foram inicial­mente concebidos como alternativa aos ACSR (aluminium conductor steel reinforced). Todavia, as es­pecificações ASTM limitaram sua condutividade em 40% IACS, o que implicava um aumento de seção do cabo bimetálico para substituição do alumínio, cuja condutividade é 61 % IACS. Modernamente essa limitação foi vencida. Podem-se fabricar con­dutores CCS com a mesma conduti­vidade do alumínio. Tais condutores podem trabalhar em temperaturas de até 150 ºC, com carga média diária de tração (EDS) de 33%, sem defor­mação por fluência (creep) nem fadi­ga cíclica. Porém, tais condutores são usados apenas em projetos especiais por falta de exploração dos ganhos por parte dos projetistas de linhas de transmissão. A construção do con­dutor com 53% IACS foi um pleito das engenharia de distribuição de algumas concessionárias - 53% é a proporção de área condutiva da série AWG dos cabos de distribuição.

Já como alternativa ao cobre puro em condutores de aterramento, o CCS é o único material resistente e de longa duração. Esta assertiva está suportada pela característica eletro­química do cobre da camada externa do condutor, que é um elemento quí­mico catódico (receptor de elétrons), enquanto todos os outros materiais para esta função são anódicos (doa­dores de elétrons). No Brasil, o furto de cobre tornou-se “meio de vida" e todas as instalações que usam este metal em estado puro estão à mercê dos ladrões.

As concessionárias têm resolvi­do o problema substituindo o cobre por CCS em malhas de aterramento, contrapesos de torres, condutores de descida e hastes de aterramento. A quantidade de cobre contido nos sistemas de aterramento depende es­sencialmente das correntes de curto-circuito e de surto e do tempo de du­ração do fenômenos. A resistência do aterramento depende marginal­mente da quantidade de metal, mas a forma e a distribuição dos conduto­res têm papel definitivo.

A quantidade de carga a ser ab­sorvida num tempo muito curto é guiada por uma transformação ter­modinâmica adiabática (toda energia gerada na transformação é converti­da em aumento de temperatura).

Condutores bimetálicos aço-cobre: equação

A seguir, são apresentados dados e é discutida a equivalência de resis­tência e a equivalência termodinâmi­ca entre condutores de cobre e con­dutores CCS 53% IACS.

Nas segunda e terceira colunas da tabela II (abaixo), a região de equi­valência, apenas por resistividade, sem considerar as propriedades ter­modinâmicas dos materiais (ponto de fusão do cobre 1080 ºC e do fer­ro 1538 ºC), implica utilizar a seção AWG imediatamente superior quan­do se passa de cobre para CCS.

A equivalência termodinâmica po­de ser apreciada comparando-se os va­lores de corrente da terceira e quarta colunas. Agora a equivalência não se dá simplesmente por equivalência de massa/resistência, mas decorre da ca­pacidade térmica dos materiais. O aço e o cobre possuem o mesmo coeficiente de dilatação linear, o que permite que o bimetálico excursione numa faixa de temperatura ampla abaixo do ponto de fusão dos dois metais. Desse modo, em projetos de aterramento, pode-se usar o CCS 53% com a mesma seção do con­dutor de cobre substituído.

Propriedades frente à corrosão

A corrosão obedece a um meca­nismo contrário àquele utilizado na metalurgia para obtenção dos ele­mentos químicos puros. De modo geral, um material é composto pelo elemento que lhe dá o nome somado a várias contaminações naturais, que a metalurgia deixa de retirar por mo­tivos econômicos. Todavia, o metal purificado possui todas as proprie­dades dos elementos químicos puros que lhe deram origem. O mecanismo de corrosão é a manifestação mais aguda do segundo princípio da ter­modinâmica.

Condutores bimetálicos aço-cobre: propriedades de fios metálicos

A tendência natural dos materiais metálicos é retornar ao seu estado oxidado, o que se manifesta através de corrosão ou outra reação química com participação de oxigênio ou ele­mento eletronegativo (com abundân­cia de elétrons na última camada). O mecanismo de corrosão se caracteri­za pelo aparecimento de um poten­cial elétrico em relação aos demais elementos que estão na sua circuns­tância. Esse potencial tornou-se de tamanha importância para o entendi­mento da corrosão que os cientistas criaram uma escala eletro­química do potencial en­tre os diversos elementos (vide tabela III, abaixo).

Na tabela III, potenciais eletroquímicos (Ep) positi­vos em relação ao eletrodo

3,61E-03 de platina em hidrogênio são denominados catódi­cos, doadores de elétrons, enquanto potenciais ele­troquímicos negativos são denominados anódicos, receptores de elétrons.

Além do potencial eletroquímico dos elementos, um eletrodo de aterramento sofre o ataque do meio ambiente, pois, afinal, está en­terrado. O ambiente (terra) possui íons de múltiplos elementos, principalmente oxigênio (O2). A melhor forma de levar em conta esse ambiente é através do po­tencial hidrogênio iônico (pH). Um am­biente neutro possui pH = 7,0; valores maiores do que 7,0 indicam meio bási­co, e menores do que 7,0, meio ácido.

Condutores bimetálicos aço-cobre: capacidade de corrente (A)

Michel Pourbaix formulou em 1946 um modelo que permite clas­sificar os diversos materiais con­forme seu potencial eletroquímico e o pH do meio em que estiverem. Na figura 4 são apresentados dia­gramas de Pourbaix para alguns metais presentes em aterramentos elétricos. a figura, o eixo das or­denadas marca os potenciais ele­troquímicos e o eixo das abscissas marca os percentuais de hidrogênio iônico (pH).

Na mesma figura, são apresentadas três regiões: imune, passivada e corro­siva. As linhas inclinadas delimitam a influência da água no meio. A região imune indica corrosão muito imprová­vel; a região passivada indica corrosão muito lenta; e a região corrosiva indica corrosão altamente provável. Urna sim­ples inspeção visual mostra o desem­penho do cobre muito superior ao do zinco e do aço.

De 1910 a 1955 o National Bu­reau of Standards, dos EUA, conduziu um extenso estudo de corrosão subterrânea no qual 36,5 mil amos­tras de 333 variedades de materiais de revestimento ferrosos, não-fer­rosos e protetores foram expostos em 128 locais de teste. Esse tra­balho é amplamente reconhecido como um dos estudos de corrosão mais abrangentes já realizados. Com base nas suas constatações, é possível afirmar que a durabilidade de um eletrodo de cobre em qual­quer solo é de 40 a 50 anos, enquan­to a de um eletrodo em aço zincado é da ordem de oito a 10 anos, depen­dendo do pH do meio.

Condutores bimetálicos aço-cobre: potencial eletroquímico de alguns gases íons e metais

Condutores bimetálicos aço-cobre: diagramas de Pourbaix

Conclusões

 Foi apresentada aqui a engenharia do condutor bimetálico copper-clad steel (CCS), que reúne num único ma­terial todas as qualidades do cobre e do aço. A seguir, são destacadas caracte­rísticas do CCS que podem ser explo­radas pelos projetistas para otimização de projetos aterramento:

  • pode operar continuamente a 150ºC;
  • quando tracionado, não sofre influência nem fadiga cíclica;
  • possui coeficiente de dilatação linear de 1,15 x 10-5 K-1, enquanto a do alu­mínio é da ordem de 2,3 x 10-5 K-1;
  • cobre e aço, seus componentes, pos­suem coeficientes de dilatação de 1,15 x 10-5 K-1, por isso podem trabalhar juntos numa larga faixa de temperatu­ras;
  • pode substituir o cobre em aterra­mentos numa condutividade de 53% IACS; e
  • possui uma durabilidade em aterra­mentos cerca quatro a seis vezes maior do que seu concorrente aço zincado.

 

Artigo técnico escrito por Geraldo Roberto de Almeida (MSc - DSc), consultor da Coppersteel Bimetálicos - Grupo lntelli.

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