Comparação entre Cobre e o Alumínio

Tema 2: CABLAGEM
1. CONSIDERAÇÕES GERAIS
Chamamos de fio ao produto metálico de qualquer seção maciça, de comprimento muito
maior do que a maior dimensão da seção transversal.
Os fios e cabos são condutores eléctricos, ou seja, designados como um corpo formado de
material condutor e destinado primordialmente à condução de corrente eléctrica. O cobre e o
alumínio são os dois metais mais usados na fabricação dos condutores eléctricos. Ao longo
dos anos, o cobre tem sido o mais utilizado, sobretudo em condutores isolados, devido,
principalmente, a suas propriedades eléctricas e mecânicas.
O cobre para condutores é o cobre eletrolítico, com pureza de até 99,99%. Obtido em
lingotes, é transformado em vergalhões, que são produtos maciços, semi-acabados, de forma
geralmente cilíndrica e de comprimento muito maior do que a maior dimensão da seção
transversal, e fabricados por laminação ou extrusão a quente. Os dois tratamentos principais
do cobre na fabricação de condutores são o estiramento a frio, que dá o cobre duro, e o
recozimento, que dá o cobre mole (ou recozido); intermediário entre esses dois tipos, tem-se
o cobre meio-duro. O cobre recozido é o mais utilizado na fabricação dos condutores
eléctricos.
O alumínio para condutores, com uma pureza de cerca de 99,5%, é obtido normalmente por
laminação contínua, sofrendo processamentos análogos aos do cobre; via de regra, é utilizado
alumínio meio-duro. Seu uso baseia-se principalmente na relação condutividade/peso, a mais
elevada entre todos os materiais condutores, e no seu preço, bem mais estável que o do cobre
e inferior ao desse metal. O alumínio praticamente domina o campo dos condutores para
linhas de transmissão; são também fabricados condutores isolados, embora seu uso apresente
algumas restrições.
2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
A fabricação dos fios se dá inicialmente pelo processo de fundição do metal. Enquanto
fundidos, eles são quimicamente refinados a fim de remover impurezas indesejáveis. O metal
fundido é vazado no interior de um molde onde solidificará. O molde é um lingote, isto é,
simplesmente um bloco de metal solidificado que será mais tarde deformado por trabalho
mecânico.
No processamento mecânico, chamado de laminação, a forma é permanentemente
modificada, portanto, as tensões aplicadas devem estar acima do limite de escoamento.
Normalmente o processamento mecânico é feito a altas temperaturas já que nelas o material é
tipicamente mais macio e mais dúctil. Após a laminação é feito a Trefilação que é um
processo à temperatura ambiente onde é produzido o fio.
O princípio da Trefilação é o mesmo que o estiramento na bancada, mas como se tratam de
grandes comprimentos, foi preciso construir máquinas especiais nas quais o arame é puxado
através da fieira por rolos motrizers. Para fios de cobre, onde a seção é bastante diminuída,
passa-se em maior número de fieiras. Estas em metal duro ou diamante, são posicionadas em
série. O fio passa de uma para a outra em ziguezague, conduzido por cilindros de inversão
que asseguram ao mesmo tempo a tração.
O conjunto é colocado numa cuba contendo um líquido que serve, ao mesmo tempo, de
lubrificador e de refrigerador.
2.1. TREFILADO
O primeiro processo na fabricação do condutor é o trefilado. Consiste em reduzir o diâmetro
do fio de cobre, de maneira progressiva, até ao diâmetro final, para aumentar a sua
maleabilidade e condutividade. A primeira fase do trefilado denomina-se desbaste. Neste
processo reduz-se o diâmetro do fio de cobre até 2 mm.
A partir deste fio de 2 mm entra-se no trefilado fino, onde se reduz o diâmetro do fio até à
medida definida para cada tipo de condutor
Na última fase do trefilado fino, todos os fios são submetidos a um tratamento térmico
denominado recozimento. A finalidade desta etapa é aumentar a maleabilidade e
condutividade do cobre.
2.2. PADRÕES DE SECÇÃO DE FIOS
Falaremos agora das cores para serem utilizadas nos condutores eléctricos tanto prediais
quanto industriais.
Ao contrário do que muitos pensam é correcto e necessário utilizar a mesma cor para fios
com a mesma função. O objectivo disso é facilitar qualquer intervenção futura nas instalações
eléctricas.
As cores para instalações prediais seguem um padrão de cor propriamente dita e são
utilizadas as seguintes:

Vermelha: condutores de fase;

Azul-claro ou branco: neutro;

Verde ou verde-amarelo: aterramento ou protecção;
Preto e demais cores: retorno de fase ou retorno de neutro. As cores para instalações
industriais seguem um padrão diferente, sendo divididas por tipos de circuito já que temos o
circuito de força e o de comando. Não existe uma cor correcta para diferenciar circuito de
força do comando, o importante mesmo é usar cores diferentes para os dois. Por exemplo:

Vermelho ou preto: circuito de força (indiferente se é fase ou retorno já que é difícil
até definir o que é fase e o que é retorno de fase);

Preto ou cinza: circuito de comando;

Azul claro ou branco: neutro no circuito de comando e de força;

Verde ou verde-amarelo: aterramento ou protecção.
2.3. CABLAGENS
Depois do trefilado, os fios de cobre recozido são agrupados para formar os condutores.
Este processo chama-se cablagem.
Na cablagem, formam-se condutores de seções variadas, por exemplo desde uma seção tão
pequena como 0,5 mm2 até outra, para circuitos de alta potência, de 240 mm2, 400 mm2 ou
mais.
2.4. ISOLAMENTO
O seguinte processo na fabricação de um cabo eléctrico é o isolamento. Neste processo,
colocamos um recobrimento isolante sobre o condutor para evitar fugas de corrente.
Em função das características do cabo, os materiais do isolamento podem variar. A qualidade
de um material de isolamento vem definida pelas características básicas: a capacidade de
isolamento e o nível térmico.
2.5. CABLAGEM DAS FASES
A cablagem das fases consiste em agrupar distintos condutores isolados, para formar um cabo
multi-condutor.
A identificação das fases pode-se realizar pelas diferentes cores ou pela numeração das
mesmas.
2.6. PROTEÇÕES AUXILIARES
Já vimos como se fabrica o núcleo de um cabo eléctrico. Contudo, em alguns casos, podem
ser necessários elementos auxiliares para melhorar o nível de protecção do núcleo. Desta
forma, os cabos incorporam protecções metálicas, quer sejam eléctricas ou mecânicas.
As protecções eléctricas, também denominadas “malhas”, isolam os sinais que circulam pelo
cabo de possíveis interferências externas. Também protegem os cabos de energia para evitar
que façam interferências em circuitos de sinal adjacentes.
2.7.BAINHA EXTERIOR
Os cabos eléctricos normalmente levam uma cobertura polimeria exterior que os protege. Isto
é o que se denomina de “bainha exterior”. Esta bainha isola o interior do cabo de elementos
externos (humidade, etc) que poderiam alterar as suas propriedades eléctricas, e também o
protege dos golpes que possa receber durante a instalação e uso.
Como o isolamento, a bainha exterior também pode ser termoplástica ou termoestável.
3. Definições Importantes
Os fios podem ser usados como condutores eléctricos nus ou isolados, ou podem ser produtos
semiacabados destinados à fabricação de cabos.
Os fios cuja seção transversal não seja circular, são chamados de fios perfilados e designados
pela forma da seção transversal (quadrados, rectangulares etc.).
Ao conjunto, isolado ou não, de fios metálicos encordoados, isto é, aqueles dispostos
helicoidalmente, não isolados entre si, chamamos cabo. Os cabos, logicamente são mais
flexíveis que os fios. A seção de um fio é a área da seção transversal do fio, enquanto a seção
de um cabo é a soma das seções transversais dos fios componentes. Abaixo a figura mostra a
seção de um fio.
Figura 2. Seção de fios
TABELA I
SEÇÕES DE FIOS
Chamamos de condutor revestido ao condutor não encordoado (fio ou barra) envolvido por
uma camada delgada de um metal diferente. Esse tipo de condutor é, em geral, qualificado
pelo metal utilizado no revestimento, por exemplo, “cobreado”, “zincado”, “estanhado” etc.
A expressão “camada delgada” refere-se a uma espessura de camada usualmente obtida por
disposição electrolítica ou por imersão em metal líquido.
O condutor nu é o fio ou cabo sem revestimento, isolação ou camada protectora de qualquer
espécie. Os cabos podem ser unipolares ou multipolares.
Um cabo unipolar é definido como um condutor maciço ou encordoado, dotado de isolação
eléctrica e de protecção mecânica. Um cabo bipolar, tripolar, ou, de modo geral, multipolar, é
um conjunto de dois, três ou mais condutores justapostos, maciços ou encordoados, cada um
deles dotado de isolação própria (parede isolante), sendo o conjunto dotado de protecção
mecânica comum.
Chamamos de perna ao cabo não isolado formado por fios, destinado a ser encordoado para a
formação de cochas ou de um cabo de encordoamento composto. Cocha, por sua vez, é um
cabo não isolado, formado por pernas, destinado a ser encordoado para a formação de um
cabo de encordoamento bicomposto. Assim, o encordoamento composto é formado por
pernas e o encordoamento bicomposto por cochas. Além desses dois tipos, temos o
encordoamento simples que é formado por fios.
O sentido de encordoamento pode ser para a direita (horário) ou para a esquerda (antihorário), segundo o qual os fios ou grupos de fios, ou outros componentes de um cabo, ao
passarem por sua parte superior, se afastam do observador que olha na direcção do eixo do
cabo. O passo de encordoamento é o comprimento da projecção axial de uma volta completa
dos fios ou grupos de fios, ou outros componentes, de uma determinada coroa.
Coroa é o conjunto de componentes ou de partes de componentes de um cabo, dispostos
helicoidalmente e equidistantes de um centro de referência. Ao conjunto de fios ou cochas
equidistantes do fio ou cocha central de um cabo chamamos de corda. Alma é o fio ou
conjunto de fios que formam o núcleo central de um cabo, de material diferente do material
das cordas externas e destinado a aumentar a resistência mecânica do cabo. Nas linhas de
transmissão, são muito comuns os cabos formados por cordas de fios de alumínio em torno de
uma alma de aço.
Os cabos de potência são cabos uni ou multipolares, utilizados principalmente para o
transporte de energia eléctrica em instalações de geração, transmissão, distribuição e/ou
utilização.
Os cabos de controle são cabos uni ou multipolares, utilizados em circuitos de controle de
sistemas e equipamentos eléctricos.
Dado um condutor de comprimento L, seção transversal S, sua resistência R será,
𝑅=𝜌×
Onde 𝜌 é a resistividade do condutor.
𝐿
(Ω)
𝑆
A variação da resistividade com a temperatura é dada por
𝜌2 = 𝜌1[1 + 𝛼1(𝑡2 − 𝑡1)]
Onde 𝜌2 é a resistividade à temperatura t2; 𝜌1, a resistividade à temperatura t1 e 𝛼1 é o
coeficiente de temperatura relativo a t1.
A capacidade de condução de um condutor, ou de um conjunto de condutores, é a corrente
máxima que pode ser conduzida em regime contínuo, sem exceder a uma temperatura
máxima especificada. Esta capacidade depende basicamente do material condutor, seção do
condutor, tipo de isolação, temperatura ambiente e maneira de instalar.
4. Comparação entre Cobre e o Alumínio
O cobre e o alumínio são os materiais condutores mais utilizados nos condutores eléctricos. A
seguir alguns aspectos comparativos entre esses dois metais.
a) O alumínio tem uma condutividade de cerca de 60% da do cobre. Assim, para uma dada
capacidade de condução, é necessário usar um condutor de alumínio com seção da ordem
de 1,6 vezes maior do que a necessária, caso fosse usado um condutor de cobre.
b) A densidade do alumínio é de 2,7 g/cm3 , contra 8,89 g/cm3 do cobre. Por ser mais leve,
o alumínio é mais fácil de ser transportado e suspenso.
c) A relação entre as densidades e as condutividades mostra que 1kg de alumínio realiza o
mesmo trabalho elcétrico que cerca de 2kg de cobre. Considerando a diferença de preço
entre ambos os metais, tem-se que o emprego de condutores de alumínio conduz a uma
economia apreciável, muito embora a isolação absorva dessa vantagem.
d) Quando exposta ao ar, a superfície do alumínio fica recoberta por uma camada invisível
de óxido, de características altamente isolantes. Nas conexões com alumínio, um bom
contacto só será conseguido com a ruptura dessa camada. Com efeito, a principal
finalidade dos conectores utilizados, de pressão e aparafusados, é a de romper o filme de
óxido. Muitas vezes são usados, durante a preparação de uma conexão, compostos que
inibem a formação de uma nova camada de óxido, uma vez removida a camada inicial.
e) Por ser mais mole que o cobre, o alumínio escoa com pequenas pressões. Por esta razão,
os conectores usados em condutores de alumínio devem ter superfícies de contacto com
área suficiente para distribuir as tensões e evitar danos à parte do condutor a ser
comprimida.
f)
o alumínio e o cobre estão separados electroquimicamente por 2 volts. Essa diferença de
potencial é responsável pela predisposição de uma junção cobre alumínio à corrosão
galvânica. Cuidados especiais, como a utilização de conectores especiais, devem ser
tomados, para evitar que tal corrosão ocorra.
5. Normas
Existem normas internacionais que falam a respeito de cabos e fios, dentre os quais são as
normas brasileiras:
A norma NBR 6814, que diz respeito ao ensaio de resistência eléctrica, estabelece que a
resistência deve ser medida por meio de um potenciómetro caso o valor seja inferior a 1 ohm
ou por meio de uma ponte de wheatstone caso tenha valor maior que 1 ohm. Cito aqui mais
alguns pontos desta norma:

Estabelece que a temperatura ambiente tem que ser levada em conta

Quando cabos de potencial são utilizados, a distância entre cada contacto de potencial
e seu correspondente contacto de corrente deve ser igual ou superior a 1,5 vezes o
perímetro da seção transversal do condutor.

Ao medir a resistência do condutor, cuidados devem ser observados para manter a
corrente de medição baixa, e de curta duração, para assegurar que a resistência a
medir não seja modificada.

A superfície do condutor deve estar limpa para assegurar um bom contacto eléctrico
dos contactos de potencial e corrente com o condutor.

A resistência do condutor medida a uma determinada temperatura deve ser corrigida à
temperatura especificada, utilizando a seguinte fórmula:
𝑅𝑡𝑜 = 𝑅𝑡 /[1 + 𝛼𝑡𝑜 (𝑡 − 𝑡𝑜 )]
Onde:
Rto = resistência corrigida à temperatura to
Rt = resistencia medida à temperatura t
𝛼𝑡𝑜 = Coeficiente de temperatura da resistência à temperatura to
Já a norma NBR 6242 prescreve os métodos para verificação dimensional de condutores. A
norma estabelece a medição de diâmetro de fios, do passo e da massa.
Considera-se como diâmetro do fio em um determinado ponto, a média aritmética das
medidas efectuadas segundo duas direcções, perpendiculares entre si, sendo que a primeira
medida deve ser considerada na direcção onde o diâmetro do fio seja mínimo. Na medição
deve ser empregado micrómetro milesimal para diâmetros inferiores a 1mm, e centesimal
para diâmetros superiores ou iguais a 1mm.
Considera-se como uma medição de passo de um condutor encordoado, o comprimento
medido entre iguais posições relativas de N+1 segmentos consecutivos da Figura 5, sendo N
o número de fios da coroa em questão.
Passo de um condutor encordoado
O passo também pode ser medido como o comprimento medido entre as marcas
Passo de torcimento, encordoamento ou reunião de condutores encordoados
A área da seção transversal do condutor é calculada pela fórmula abaixo:
𝑆 = 0,7854 𝑥 𝑑 2 𝑥 𝑛
Onde,
S = área da seção transversal do condutor em mm2
d = diâmetro do fio componente em mm
n = número de fios componentes