Dimensionamento do condutor de cabos de média tensão enterrados: imprecisões e consequências do uso de tabelas de capacidade de condução de corrente

A utilização do dimensionamento de condutores de cabos de média tensão isolados utilizando-se os valores tabelados da norma ABNT NBR 14039:2003 pode levar a resultados que comprometem a instalação. Neste artigo, apresenta-se um exemplo do que pode ocorrer em pouco tempo com os cabos dimensionados conforme essa metodologia.

Uma das etapas mais simples do dimensionamento de instalações elétricas de média tensão é a definição da seção dos condutores por capacidade de condução de corrente, utilizando as tabelas da norma ABNT NBR 14039 [1]. Em dois ou três passos, chega-se à seção desejada, desde que a instalação em questão esteja prevista nas tabelas. Escolhe-se o material do condutor (cobre ou alumínio) e a temperatura máxima permitida para o condutor (105oC quando a isolação é feita com EPR 105 ou 90oC quando constituída pelos outros materiais normatizados). Multiplicam-se o fator de correção para a temperatura ambiente pelo fator de correção da resistividade térmica do solo, caso essa temperatura e resistividade sejam diferentes dos valores relativos às correntes tabeladas, bem como pelo fator de correção para eventuais agrupamentos de circuitos e o resultado multiplica-se pelas correntes tabeladas. Escolhe-se a seção para a qual o resultado seja igual ou imediatamente superior à corrente que deve circular em regime permanente pelo condutor.

Algumas vezes, a instalação não é prevista nessa norma. Por exemplo, não há fatores de correção para o caso de cabos enterrados com vários circuitos, todos em contato, mas existem fatores para quando os circuitos estão afastados 200 mm entre si, o que faz com que o projetista, muitas vezes, utilize um fator de correção inadequado devido à inexistência de um fator correto.

Entretanto, qual seria a imprecisão de um processo tão simples e quais as consequências caso a imprecisão seja grande? Se houver imprecisão, porque existem valores tabelados, não somente na norma ABNT NBR 14039, mas também em outras normas, como a IEC 60502-2 [2] (que, por segurança, não trata os valores como normativos)?

A resposta é que o cálculo mais preciso da capacidade de condução de corrente de um cabo em uma instalação é extremamente longo e complexo. Nos últimos anos surgiram softwares que fazem os cálculos, mas que dão uma falsa sensação de segurança, pois, para utilizá-los corretamente, é preciso conhecer a metodologia. Além disso, esses softwares têm algumas limitações e problemas; por exemplo, alguns têm limite de condutores em certas instalações e quase todos divergem da metodologia normatizada em algum ponto.

O cálculo normatizado da capacidade de condução de corrente em regime permanente é dado pela série de normas IEC 60287, principalmente as normas IEC 60287-1-1 [3] e a IEC 60287-2-1 [4], complementadas por diversos artigos técnicos escritos ao longo dos anos por pessoal qualificado. Existe ainda a norma ABNT NBR 11301:1990 [5], baseada na precursora da série de normas IEC 60287 (IEC 287:1982), mas que está um tanto obsoleta, já que não foi revisada nos últimos 30 anos. Entretanto, sendo normas técnicas, estas não são didáticas, pressupõem o conhecimento da metodologia para sua aplicação.

Capacidade de corrente

A corrente elétrica aquece o condutor por efeito Joule. O condutor em si pode ser aquecido até altas temperaturas antes de derreter, mas em temperaturas muito inferiores, suas características mecânicas podem ser alteradas por recozimento. Entretanto, este não é, via de regra, o problema; como o condutor está em contato com a isolação ou o sistema da isolação (blindagem semicondutora + isolação + blindagem semicondutora), a temperatura máxima do condutor é dada por estes últimos.

Correntes elevadas, mas de curta duração, podem não ter tempo de elevar a temperatura do condutor a valores perigosos. Entretanto, quando a corrente é relativamente constante durante um certo tempo, a temperatura do condutor pode atingir um valor de equilíbrio, que é chamado de regime permanente e é nesse regime que se determina a capacidade de corrente do condutor e é desse regime que estamos tratando.

É difícil de se encontrar os valores dessa temperatura limite para cada material, de modo que as normas técnicas definem um valor para cada material de isolação, sendo os materiais das blindagens semicondutoras compatíveis com ele. Para os materiais utilizados como isolação de cabos de média tensão, as normas técnicas da ABNT somente permitem o uso do XLPE (ou sua variante, o XLPE-TR) e do EPR (ou suas variantes, HEPR e EPR 105). As temperaturas máximas em regime permanente desses materiais são de 90oC para o XLPE, EPR e HEPR e de 105oC para o EPR 105. Assim, essas são as temperaturas máximas em regime permanente para os condutores desses cabos.

Trabalhando acima dessas temperaturas, os materiais da isolação envelhecem prematuramente, perdendo suas características físicas. Por exemplo, um material de isolação pode ter a seguinte vida prevista conforme a temperatura:

Na sua temperatura nominal, de 90oC, esse material tem uma vida prevista de 27 anos. Entretanto, trabalhando em, por exemplo, uma temperatura de 110oC, a vida prevista é de 560 dias, ou cerca de um ano e meio. Após esse tempo, o material perde metade de sua elasticidade, podendo rachar e provocar um curto-circuito, no caso de média tensão, entre o condutor e a blindagem.

Nota: este é o envelhecimento da isolação provocado por alta temperatura; existe também a degradação da isolação por alto gradiente elétrico, mas esta não tem origem na corrente, mas na tensão, e é um outro assunto. Exemplo de Dimensionamento

1. Condições

Supondo uma instalação de cabos unipolares de média tensão 20/35 kV, com dois circuitos trifásicos diretamente enterrados a uma profundidade de 900 mm em terreno com resistividade térmica de 1,5 Km/W e sendo a temperatura máxima do solo de 30oC, estando os 6 cabos idênticos dispostos horizontalmente e com uma distância de 200 mm entre seus eixos centrais, conforme a figura seguinte:

Os cabos devem ter condutor de alumínio, isolação de EPR para temperatura máxima em regime permanente de 105oC, espessura coordenada (reduzida) da isolação, blindagem a fios de cobre com seção total de 35 mm2 e cobertura de PVC. A blindagem será aterrada em vários pontos e não há transposição. A corrente máxima em regime permanente que deve percorrer cada condutor é de 400 A.

2. Conforme as tabelas da norma ABNT NBR 14039

A norma ABNT NBR 14039:2003 traz valores de capacidade de corrente para somente um circuito trifásico, temperatura do solo de 20ºC e resistividade térmica do solo de 2,5 K·m/W e para temperatura do solo de 30ºC traz o fator de correção de 0,94. Propositalmente, a disposição apresentada corresponde ao Método de Instalação I da ABNT NBR 14039:2003, que traz o fator de correção 1,24 para resistividade térmica do solo de 1,5 K·m/W e o fator de correção 0,85 para dois circuitos. Assim, o fator de correção total será de 0,94·1,24·0,85 = 0,99, que corrige os valores de capacidade de corrente dessa norma.

Os valores tabelados (Tabela 31 da norma ABNT NBR 14039:2003 para condutores de alumínio operando a 105ºC no condutor de cabos com tensão de isolamento superiores a 8,7/15 kV) mais próximos da corrente de 400 A dada são informados na tabela seguinte, bem como os valores já corrigidos:

Portanto, a seção a ser utilizada é a de 400 mm2, que é a menor seção com capacidade de corrente corrigida maior ou igual a 400 A.

3. Conforme dimensionamento pela IEC 60287-1-1:2006 e IEC 60287-2-1:2015

Este dimensionamento tem por base o circuito térmico da instalação, considerando:

1. A resistência elétrica em corrente alternada na temperatura máxima de 105ºC do condutor, resistência esta que, multiplicada pelo quadrado da corrente, resultará nas perdas Joule no condutor.
2. As resistências térmicas da isolação e cobertura e a resistência térmica externa, entre o cabo e o solo.
3. As perdas na blindagem, que somam-se às perdas no condutor.
4. O aquecimento mútuo entre os cabos. Em vários pontos deste cálculo, será necessário o conhecimento das características dimensionais do cabo. As dimensões utilizadas neste estudo são:

Pequenas variações nas espessuras e diâmetros não afetam significativamente o resultado final.

As grandezas calculadas e as seções das normas IEC que trazem as expressões para seu cálculo são dados na tabela seguinte:

Utilizando-se essa metodologia, chega-se aos resultados da Tabela 4.

Portanto, utilizando-se esta metodologia, a seção do condutor dever ser 630 mm2

Discussão

Pelos resultados obtidos, a seção dimensionada pela norma ABNT NBR 14039:2003 seria 400 mm2, enquanto pela metodologia de dimensionamento das normas IEC 60287-1-1:2006 e IEC 60287-2-1:2015 a seção resultante é 630 mm2, uma diferença inadmissível.

Os valores de capacidade de corrente e fatores de correção dados na norma ABNT são válidos para diversos tipos de cabos e detalhes de instalação. Não há muita diferença entre cabos de diferentes classes de isolamento, não há consideração sobre a seção da blindagem, por exemplo. Além disso, neste exemplo, utilizou-se um espaçamento de 200 mm entre os cabos propositalmente, para que se utilizasse o fator previsto na norma da ABNT, já que nela não há fatores para outros espaçamentos.

Os valores de capacidade de corrente calculados conforme normas IEC já consideram em seu cálculo os valores reais, como o espaçamento, a resistividade térmica do solo e sua temperatura, o aquecimento mútuo dos circuitos, a forma de aterramento da blindagem e a existência ou não de transposição, por exemplo. Portanto, são considerados mais precisos.

É possível, utilizando a metodologia da IEC, saber a temperatura que o condutor de 400 mm2 atingiria quando transportasse 400 A, e essa temperatura atingiria 124ºC. Nessa temperatura, a vida do cabo seria reduzida de cerca de 25 anos para 3 ou 4 anos; após esse período, um curto-circuito provavelmente ocorreria entre o condutor e a blindagem, sem motivo aparente, em algum ponto mais fraco de um dos cabos do circuito. Feito o devido reparo, provavelmente outros defeitos ocorreriam, até que os cabos tivessem que ser totalmente substituídos.

A norma ABNT NBR 14039:2003 está atualmente em revisão e os valores tabelados de capacidade de corrente e fatores de correção serão certamente alterados, sendo o objetivo fornecer os menores valores possíveis para cada instalação. É provável que, após a revisão, valores calculados sejam iguais ou maiores que os valores obtidos utilizando-se as tabelas, e o problema será mais financeiro: a seção obtida pela aplicação da norma ABNT NBR 14039 será quase sempre maior que a realmente necessária. Seria então o caso de recomendar-se sempre o dimensionamento conforme IEC, porém se o projetista não dominar bastante bem essa metodologia, erros ainda maiores podem ocorrer. Por serem normas técnicas, como já foi dito, as normas IEC não são didáticas, e muitos erros podem ser cometidos por usuários pouco experientes em seu uso.

Conclusão

É desaconselhável a utilização da atual norma ABNT NBR 14039, edição de 2003, para o dimensionamento dos condutores. Embora existam outros motivos para defeitos nas instalações elétricas de média tensão, é provável que uma boa porcentagem desses defeitos venha da aplicação dessa norma nos últimos anos.

Enquanto essa norma não for devidamente revisada, aconselha-se o dimensionamento criterioso da seção do condutor utilizando-se a metodologia das normas IEC da série 60287 por pessoal qualificado.