Qual material e utilizado para conduzir a eletricidade nesse produto

Fios e cabos: condutores na evolução humana

Criados inicialmente para a transmissão de dados telegráficos, os fios e cabos evoluíram graças às descobertas de materiais mais eficientes para sua isolação, tornando os condutores cada vez mais seguros

A eletricidade é responsável por uma revolução no cotidiano de toda a humanidade, mas muitos dos avanços e facilidades trazidos pela energia elétrica só foram conquistados graças à invenção dos fios e cabos. Surgidos no início do século XVIII, os primeiros condutores eram muito diferentes daqueles que conhecemos hoje e suas primeiras aplicações eram na transmissão de mensagens de telégrafos.

 A primeira experiência bem sucedida foi realizada pelo inglês William Watson, em 1747, quando um condutor feito de juta e com pouco mais de três quilômetros de extensão foi utilizado para transmitir informações entre as margens do rio Tamisa, em Londres. Em 1795, o espanhol Dom Francisco Salva aplicou, pela primeira vez na história dos condutores, papel para isolar condutores metálicos usados também na transmissão telegráfica. Já a invenção do primeiro cabo efetivamente isolado é creditada ao barão Von Schilling que, entre 1812 e 1815, desenvolveu um condutor submarino que cruzava o rio Sena para detonação de minas e era feito de fios de cobre e isolado com um tipo de borracha indiana seca e envernizada.

 Com o fim da guerra, Schilling convenceu o imperador russo Nicolau a construir uma linha telegráfica entre São Petersburgo e Peterhoff, em 1836. As linhas eram formadas por cabos aéreos nus e subterrâneos que foram isolados individualmente com seda envernizada, amarrados e impregnados com asfalto.

 A experiência deu certo e estimulou pesquisas de novos tipos de isolação para os cabos de transmissão de dados e, em 1848, a isolação com uma planta asiática chamada gutta percha foi aplicada em um cabo de uma linha telegráfica subterrânea com mais de cinco quilômetros, localizada entre as cidades de Berlim e Gross Berem, ambas na Alemanha.

 A utilização da tecnologia dos condutores para a transmissão de eletricidade se deve a dois fatores: à descoberta das células voltaicas por Alessandro Volta, em 1800, que permitiu a reprodução repetitiva e contínua da energia elétrica, e à criação do dínamo em anel por Zénobe Gramme, em 1871, que possibilitou o uso do gerador de corrente contínua em alta tensão.

 O uso dos condutores na transmissão de energia se popularizou com o processo de iluminação pública iniciado por Thomas Alva Edison, em 1882, quando o inventor utilizou dois grossos fios de cobre separados por papel dentro de um tubo de ferro cheio de betume para conduzir eletricidade para lâmpadas incandescentes, formando o primeiro sistema de iluminação pública que se tem notícia.

 O sistema funcionou com eficiência durante um ano e só foi substituído porque o professor de engenharia elétrica John Hopkinson criou um sistema de cabos trefilados para condução de corrente contínua que utilizava 50% menos cobre. Assim, o sistema usado por Edison foi trocado por outro que usava dentro de cada tubo de ferro, ainda preenchido com betume, três fios de cobre isolados individualmente com gutta percha e colocados em forma de triângulo sobre outro condutor.

 Este tipo de condutor foi utilizado para a iluminação de diversas cidades até meados de 1950, quando os cabos foram substituídos por tecnologias mais parecidas com as conhecidas atualmente. 

Tipos de isolação

Entre os componentes dos fios e cabos, a isolação é um dos mais importantes, pois, como o próprio nome sugere, serve para isolar eletricamente a parte metálica do produto – o condutor – de outros condutores e do ambiente. É importante lembrar que isolação é diferente de isolamento, termo que não se aplica a este tema, pois isolamento refere-se à quantidade, como resistência, e isolação refere-se à qualidade do produto.

 As primeiras isolações de condutores elétricos foram as mesmas utilizadas nos cabos telegráficos, como a planta gutta percha. No final do século XIX outras substâncias como gomas, fibra de vidro, areia e compostos betuminosos foram usadas, mas um material, o papel – utilizado pela primeira vez para isolação de fios e cabos em 1795 – é aplicado até hoje. As propriedades isolantes do papel foram descobertas e aplicadas pelo espanhol Francisco Salva, mas foi somente em 1836 que seu uso foi conhecido, graças à apresentação sobre o tema do cientista Michael Faraday na Academia Real de Londres.

 O uso do papel para a isolação foi difundido apenas em 1890, também em Londres, e o material era impregnado de betume para reduzir a perda da característica isolante devido à umidade. A isolação em papel facilitou o aumento das tensões utilizadas em cabos, porém as descargas internas começaram a provocar perfurações na isolação e o papel começou a perder espaço no início do século XX.

 Essas isolações que utilizam papel impregnado são chamadas de estratificadas. De acordo com o gerente técnico comercial da Wirex Cable, Carlos Finck, apesar de atualmente haver isolações melhores, ainda é possível encontrar alguns condutores com isolação de papel impregnado em óleo fluido, principalmente em média e alta tensão para a reposição de circuitos antigos. “Atualmente no país existem várias linhas de transmissão para tensões superiores a 145 kV com cabos isolados em papel ainda em operação”, completa o gerente de marketing de produtos da Prysmian, Rubens Bertim de Campos.

 Depois da isolação em papel, foram utilizadas isolações a óleo, onde os cabos eram impregnados da substância e mantidos sob pressão por vasos de compensação ligados a caixas de junção. Ainda no século XIX, foram utilizados como isolantes a gutta percha, a borracha natural e a borracha vulcanizada.

 Em 1850, o esmalte começou a ser usado para isolação de fios para enrolamentos de transformadores e motores e em 1910 passou a ser produzido em larga escala. Este tipo de isolação é utilizado até hoje, mas sua composição química mudou ao longo da evolução tecnológica, principalmente com a chegada dos isolantes termoplásticos e termofixos, chamados de isolação por materiais sólidos.

 Os isolantes termoplásticos são o polietileno (PE – pouco utilizado atualmente no Brasil) e o cloreto de polivinila, mais conhecido como PVC, plásticos derivados de petróleo. Já os isolantes termofixos são o etileno-propileno, chamado no mercado simplesmente de EPR, e o polietileno reticulado, o XLPE.

 O isolante de PVC é composto por resina sintética (cloreto de polivinila puro), estabilizantes, cargas e plastificante. Possui boa estabilidade química, principalmente se comparado com outros isolantes, e é pouco sensível à água. Podem ser facilmente coloridos e a utilização de estabilizantes adequados pode combater o envelhecimento térmico. Sua rigidez dielétrica e poder indutor são altos, mas sua resistência de isolamento é mais fraca comparada ao isolante de polietileno e suas perdas dielétricas acima de 20 kV são grandes. Por isso, são indicados para cabos de potência em instalações elétricas de até 10 kV.

 O PVC não é exatamente um bom condutor de fogo, mas sua queima produz fumaça com grandes quantidades de gases tóxicos e corrosivos. “Como a base do PVC possui cloro, é emitido gás clorídrico durante incêndios, e a intoxicação por fumaça é uma das principais causas de morte nestes casos”, completa o vice-presidente comercial e de marketing da Nexans, Chaim Tencer.

 Os cabos isolados com PVC são mais facilmente encontrados no mercado e isso se deve ao relativo pouco tempo de existência dos condutores com baixa emissão de fumaça e gases tóxicos, cujas normas ABNT NBR 5410 e a NBR 13570 obrigam, em certos locais e em certas maneiras de instalar, o uso de cabos com baixa emissão de fumaça, gases tóxicos e corrosivos, que devem ser fabricados conforme a NBR 13248.

 Os cabos isolados com etileno-propileno, ou EPR, são geralmente reticulados com peróxidos orgânicos e dessa mistura é possível obter uma boa resistência aos agentes oxidantes e ao envelhecimento térmico, que permite manter em um nível aceitável as densidades de correntes quando instalados em ambientes quentes. Também possui elevada resistência às radiações e descargas ionizantes, e resistência à deformação térmica durante curtos-circuitos de até 250 ºC. Como o EPR é um tipo de borracha, também é muito flexível mesmo em temperaturas baixas.

 O EPR possui baixas perdas em média tensão, mínima dispersão da rigidez dielétrica e é pouco suscetível a um fenômeno chamado treeing, que é responsável pela formação de arborescências na isolação, resultando em descargas localizadas e deterioração do material. Podem ser usados em condutores para baixa, média e alta tensão. Atualmente o mais utilizado é o EPR 105 que permite que os cabos trabalhem com gradiente elétrico elevado e suportem temperatura de operação do condutor de até 105 ºC.

 O polietileno reticulado, conhecido no mercado como XLPE, em sua reticulação passa por um processo interno de transformação parecido com a vulcanização de uma borracha, com isso, o material deixa de estar sujeito a fissuras que poderiam ocorrer na utilização da resina em seu estado original. A reticulação também otimiza o comportamento mecânico do polietileno e aumenta a resistência á intempéries e ao fogo.

 O XLPE também é resistente às deformações térmicas em até 250 ºC e tem desempenho satisfatório quando opera em baixas temperaturas, mantendo sua estabilidade química.

 Os condutores com XLPE são comumente utilizados em baixa e média tensão, mas sua aplicação em instalações com tensão superior a 15 kV exige cautela, pois esse tipo de isolação possui dispersão alta da rigidez dielétrica e pode apresentar treeing. Esse tipo de isolação só não é recomendada para aplicações em que os cabos serão submetidos a algum tipo de umidade, como instalações subterrâneas ou em canaletas. “Sem os cuidados adequados de projeto e processo, a isolação em XLPE apresenta uma maior propensão à formação de arborescência”, completa Campos.

 Além das particularidades já apresentadas, as isolações em PVC, EPR e XLPE possuem algumas propriedades em comum, como o escoamento mínimo mesmo quando instalados na vertical já que os isolantes são sólidos. Os três isolantes compartilham da elevada resistência ao envelhecimento por causas elétricas e químicas, da homogeneidade da isolação, além da mínima absorção de umidade e insensibilidade à vibração.

 Atualmente, o PVC é o isolante mais utilizado para condutores de baixa tensão por seu baixo custo, bom desempenho elétrico e boa resistência à propagação de incêndio. Porém, polímeros mais modernos como o Etileno Vinil Acetato (EVA) tem ganhado cada vez mais espaço por serem livres de halogênios e, consequentemente, emitirem pouca fumaça e gases tóxicos em caso de incêndio.

Mais proteção

Além da isolação, os condutores podem ter em sua composição um fino revestimento de metal ou liga para evitar corrosão do metal e até mesmo a degradação pela presença de atmosfera agressiva no ambiente da instalação. O fio estanhado, por exemplo, possui essa característica.

 A cobertura pode ser composta dos mesmos materiais usados na isolação, sendo que o mais utilizado é o PVC, mas não possui a mesma composição do polímero usado na isolação, pois não tem função isolante, mas sim de resistência mecânica e/ou química. Também podem ser usados na cobertura o neoprene e o hypalon, que são geralmente aplicados em cabos para instalações que exigem desempenhos mecânico e/ou químico específicos, como plataformas de petróleo.

Em baixa tensão, para aplicações específicas, os condutores ainda podem receber uma blindagem para proteger o ambiente em que o cabo está instalado contra os “ruídos elétricos” que o circuito pode gerar ou proteger as veias do cabo contra os “ruídos” existentes no local. Geralmente são usados materiais metálicos com baixa resistência elétrica, como fitas de cobre, de alumínio poliéster e tranças de fios de cobre. Os condutores comumente blindados são aqueles para controle e instrumentação.

 Para cabos de média tensão, a blindagem é obrigatória. “A função da blindagem é fazer com que o cabo se comporte como se fosse um condutor sólido e o campo elétrico fique confinado no interior do cabo, pois não é possível fazer um condutor solido para média tensão”, acrescenta Carlos Finck, da Wirex Cable.

Tipos de fios e cabos

Apesar de os fios e cabos serem, na prática, muitas vezes chamados simplesmente de condutores, pois a finalidade de ambos é exatamente a condução de eletricidade, é preciso saber que, tecnicamente, o termo condutor se refere apenas à parte interna metálica desses produtos. Os fios são compostos por esse metal cilíndrico, flexível e maciço e podem ser fabricados com ou sem isolação. Eles ainda podem ser usados na produção de fios encordoados, que podem ser isolados entre si e também em seu conjunto, reunidos, formando os cabos.

 Existem diversos tipos de condutores que são distintos em sua formação e aplicação, pois a função de levar energia elétrica de um ponto a outro com segurança e com o mínimo de perdas possível é a mesma em todos. A flexibilidade dos condutores, por exemplo, é importante durante a instalação devido à maior facilidade de acomodação dos cabos em locais sinuosos. Assim, os cabos flexíveis necessitam de menor esforço de puxamento e, consequentemente, apresentam menor probabilidade de sofrer dano durante a instalação. Por isso, os cabos rígidos vêm sendo substituídos pelos flexíveis há dez anos e devem, segundo especialistas, sair do mercado na próxima década.

 Os cabos flexíveis também podem suportar esforços repetitivos de torção ou dobramento, podendo ser utilizados em circuitos móveis como os de elevadores, alimentadores de máquinas escavadeiras, pontes rolantes, etc. Contudo, para cada aplicação é necessário um condutor específico, assim, os cabos flexíveis para instalações fixas, como os condutores isolados e os cabos unipolares e multipolares de baixa tensão, apresentam uma construção diferente de cabos flexíveis para uso móvel, como é o caso dos cabos para ligação de elevadores.

 O que determina a flexibilidade do condutor é o número de filamentos utilizados para produzir uma mesma seção. Por exemplo, um condutor de 10 mm2 fabricado com um único fio é bastante rígido, enquanto que outro condutor de mesma seção, mas fabricado com sete filamentos apresentará uma flexibilidade maior, mas ainda será rígido. Se aumentarmos o número de fios de forma bastante significativa, para 72 fios, por exemplo, este condutor apresentará uma excelente flexibilidade. “Um condutor rígido tem poucos fios de diâmetro maior, enquanto o condutor flexível tem mais fios, com diâmetro menor. Em ambos os casos deve ser mantida a seção total do cabo”, explica Carlos Finck, da Wirex Cable.

 A norma ABNT NBR NM 280 apresenta a construção padronizada de condutores elétricos, em que constam as chamadas classes de encordoamento. As classes 1 e 2 são chamadas de rígidas e as classes 4, 5 e 6 são flexíveis. Por razões fabris, a classe 3 praticamente não é produzida. Os condutores flexíveis mais utilizados são os de classe 4 e 5, sendo que os de classe 6, por serem extremamente flexíveis, são aplicados em instalações especiais, como as metroviárias e de mineração.

 O condutor isolado é um tipo de fio ou cabo que possui apenas a isolação. Já os fios e cabos nus não possuem revestimento, isolação ou cobertura, sendo compostos apenas da parte metálica que conduz eletricidade. São geralmente instalados em locais de difícil acesso, em que a ausência de camadas protetoras não represente risco elevado para pessoas e equipamentos, como linhas de transmissão e distribuição. “As redes elétricas que empregam cabos nus são largamente utilizadas, mas apresentam um risco maior do que as redes isoladas, principalmente quando a construção das cidades é desordenada e as redes elétricas, mesmo as de média tensão, ficam próximas das edificações e, consequentemente, das pessoas”, afirma Campos.

 O cabo unipolar é composto por isolação e cobertura e é conhecido como cabo 0,6/1 kV unipolar. Podem ser fabricados com isolação em PVC, EPR ou com isolação e cobertura compostas de materiais livres de halogênio. Podem ser utilizados em todos os tipos de instalação de potência em condutos abertos ou fechados.

 Os cabos multipolares, como o próprio nome já diz, são formados por dois ou mais condutores isolados, sendo que cada um deles é chamado de veia e os condutores podem ser nomeados como bipolar, tripolar e tetrapolar, de acordo com o número de veias contido nos cabos. Os cabos multipolares devem possuir, pelo menos, cobertura e são conhecidos como cabos 0,6/1 kV multipolares. Assim como os condutores unipolares, os multipolares podem ser usados em condutos abertos e fechados e podem ser isolados com EPR ou PVC, ou ainda possuir cobertura e isolação livres de halogênio.

 Os cabos multipolares começaram a ser utilizados com maior intensidade no Brasil após a produção em larga escala dos condutores flexíveis. Quando predominava o uso do condutor rígido, os cabos multipolares eram pouco utilizados devido à dificuldade de instalação.

 Um cabo multipolar composto por um condutor centralizado e por camadas isoladas de condutores colocados concentricamente, são chamados de cabos concêntricos. Os cabos multipolares podem também ser chamados de cabos secos quando sua isolação é composta apenas por substâncias sólidas.

 Os cabos multiplexados são compostos de dois ou mais condutores isolados colocados de forma helicoidal e não possuem cobertura. Os multiplexados do tipo auto-sustentado, também conhecido como cabo pré-reunido, contam com um condutor ou outro elemento de sustentação que pode ser isolado. Os condutores que formam os cabos multiplexados também são chamados de veias.

 Há ainda as cordoalhas, constituídas por um condutor muito flexível e em forma de tecido de fios metálicos, e os cordões, que são cabos também flexíveis, compostos de alguns condutores isolados torcidos ou em paralelo, usados para ligação de equipamentos portáteis.

 Os fios ou cabos nus, cobertos ou isolados, cabos multiplexados, unipolares ou multipolares ou cordões são considerados cabos de potência, pois são destinados à condução de corrente em locais de geração, transmissão e distribuição de energia, além de alimentação de equipamentos elétricos. Os cabos de potência podem apresentar seções de 1,5 mm2 a até mais de 1.000 mm2 e podem ser classificados por diferentes características, tais como classe de tensão, material de isolação, tipo de condutor, tipo de proteção externa, etc.

 Os cabos de potência também podem ser isolados a óleo, ou gás, sob pressão quando um fluido com função isolante mantém sua isolação em uma pressão mais elevada que a encontrada na atmosfera. Esse tipo de cabo é comumente usado em distribuição e transmissão em altas potências, como no caso das redes de concessionárias.

 Os cabos elétricos também podem ser classificados como cabos de controle, que são multipolares usados na transmissão de sinais para o controle de sistemas e equipamentos, principalmente em processos industriais. Eles possuem uma composição similar aos cabos multipolares de potência, mas como transmitem apenas sinais, apresentam seções menores, de no máximo 10 mm2 e, geralmente, um número maior de condutores do que os cabos de potência, podendo passar de 50 condutores em um mesmo cabo.

 Por fim, os condutores de proteção popularmente conhecidos como “fios terra” foram projetados para ser o caminho de baixa impedância em caso de falta. Esses condutores têm somente esta função e devem ser identificados, de acordo com a ABNT NBR 5410, pela combinação das cores verde e amarela ou apenas pela cor verde.

Tipos de condutores metálicos

Os metais mais utilizados desde o início da fabricação de condutores elétricos são o cobre e o alumínio. De acordo com a ABNT NBR 5410, não é permitido o uso de condutores de alumínio em residências, e também há diversas limitações para sua aplicação em instalações comerciais e industriais. No comércio, por exemplo, a seção nominal dos cabos deve ser de, no mínimo, 50 mm2 e o local deve ter baixa densidade de ocupação. É proibido o uso de condutores de alumínio em hotéis, hospitais e casas de shows, por exemplo. Na indústria é preciso que a instalação seja alimentada diretamente por subestação, geração própria ou transformador, além disso, a seção nominal dos condutores deve ser de 16 mm2, no mínimo.

 Além da norma, há outras características que devem ser observadas ao decidir que tipo de condutor é o mais adequado para determinada instalação, como a condutividade, que no alumínio é aproximadamente 40% menor que no cobre. Já a densidade do alumínio é de 2,7 g/cm3 e a do cobre é de 8,89 g/cm3. Por isso, o alumínio tem a vantagem de ser mais leve e é comumente utilizado em linhas aéreas de distribuição e transmissão, porém sua dimensão também é maior. Suas características permitem que os vãos entre eles sejam maiores, levando à necessidade de se utilizar menos torres de transmissão.

 A vantagem do condutor de cobre é a menor resistência elétrica e sua maior maleabilidade em relação ao alumínio. Também tem desempenho melhor que o alumínio em instalações localizadas no litoral e em linhas com muitas conexões, pouca manutenção e liga de cobre nos pontos de contato.

Segurança em incêndios

É comum que condutores elétricos interliguem dois andares de um mesmo prédio ou duas áreas de uma mesma edificação, por exemplo, e em caso de incêndio o cabo elétrico não pode ser um caminho para as chamas se espalharem. Isto porque os materiais isolantes convencionais podem emitir grande quantidade de fumaça e gases tóxicos quando são consumidos pelas chamas e podem, em alguns casos, dificultar a saída e a respiração de pessoas na área do incêndio.

 Sendo assim, em alguns tipos de instalação os materiais da isolação e/ou da cobertura dos cabos elétricos devem ser não halogenados. Esta característica é garantida por meio de aditivação dos polímeros utilizados na isolação e/ou na cobertura dos cabos. Os cabos que recebem esses materiais são chamados de cabos livres de halogênios, com baixa emissão de fumaça e gases tóxicos. Além dessas características, tais cabos não devem propagar a chama Um exemplo de material não halogenado utilizado em cabos é o Etileno Vinil Acetato (EVA).

 Inicialmente, estes materiais (não halogenados) foram desenvolvidos para aplicações especiais, como submarinos, navios e metrô, mas atualmente podem ser utilizados em todos os tipos de instalações elétricas. A ABNT NBR 5410 e a ABNT NBR 13570 já obrigam a sua aplicação em locais de grande afluência de público, como shoppings, aeroportos e hospitais, além de prédios altos, em que a fuga em caso de incêndio possa ser dificultada.

 Os condutores e cabos isolados podem ser classificados em diferentes categorias, de acordo com seu comportamento quando expostos ao fogo. Os condutores que queimam rapidamente mesmo quando em contato com o fogo por pouco tempo são chamados de propagadores de chama. O XLPE e o EPR estão nessa categoria e continuam a queimar mesmo quando não há mais contato com o fogo. Já os condutores com propagação reduzida da chama dependem do tempo de contato e intensidade do fogo, como os cabos de cobre isolados com PVC do tipo BW.

 Os condutores ainda podem ser resistentes à chama, ou seja, não propagam o fogo mesmo quando expostos a ele por longos períodos. Porém, muitos materiais resistentes à chama são halogenados e para se adequarem aos condutores usados em instalações em locais com grande afluência de público devem ser fabricados e ensaiados conforme a ABNT NBR 13248.

Identificação por cores

A cor das veias de um ou mais cabos que compõem um circuito facilita a sua identificação. Nesse sentido, as normas brasileiras preveem somente duas cores obrigatórias, sendo a azul claro utilizada para a identificação do condutor neutro.

 Já as cores verde e amarela são utilizadas para identificar o condutor de proteção e só podem ser utilizadas para este fim. Como alternativa para identificação de condutor de proteção também pode ser utilizada somente a cor verde.

Qual o material utilizado para conduzir a eletricidade?

O que o cobre é utilizado em cabos elétricos?

Qual é o elemento que conduz bem a eletricidade é é usado em fios de instalação elétrica?

Qual material conduz eletricidade com maior dificuldade?