Experiência 03 Ensaio de Fios Condutores

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Materiais Elétricos EEL 7051 Professor Clóvis Antônio Petry Experiência 03 Ensaio de Fios Condutores Fábio P. Bauer Tiago Natan A Veiga Florianópolis, junho de 2006.

2 2 Sumário 1. Objetivos Introdução Fios e Cabos Ensaio de Laboratório Materiais Utilizados Determinação da Resistência do fio Determinação da Resistência do Isolamento Medição do diâmetro externo do fio Medição do diâmetro do fio sem isolamento Medição da espessura da isolação Cálculo da Área da Seção Transversal do fio Medição da Massa Específica do Condutor (μ) Conclusões Referências Bibliográficas Anexos... 13

3 3 1. Objetivos Verificar se um fio condutor CORFIO, 2,5 mm 2 450/750V se encontra dentro das normas técnicas exigidas pela NBR. Avaliar a interferência dos métodos utilizados nos valores obtidos para o experimento. 2. Introdução Fios condutores são elementos primordiais para o correto funcionamento de qualquer rede elétrica. Em projetos de instalações, o correto isolamento dos fios pode determinar a ocorrência ou não de choques elétricos e curtoscircuitos. Todos os fabricantes que têm como objetivo a comercialização de seus produtos em mercados globais precisam atender a diferentes requisitos, simultaneamente. Na América Latina, os padrões devem estar em conformidade com as Normas do IEC (International Electrotechnical Commission), observando as variações locais: A Marca S (na Argentina), as normas NBR do INMETRO (no Brasil) e as normas NOM (no México). Na Europa os produtos devem estar em conformidade com os Documentos Harmonisados (HDs Harmonized Documents) que se baseiam nas Normas Européias (ENs European Norms) ou no Acordo HAR. Na América do Norte, esses produtos devem estar em conformidade com as Normas UL (nos Estados Unidos) ou as Normas CSA (no Canadá). Em vários outros países, como o Japão e a Austrália, os produtos devem estar em conformidade com as Normas IEC e variações locais.

4 4 Normalmente, os fabricantes produzem diferentes versões do mesmo cabo para diferentes mercados, o que acarreta sensível aumento dos custos do projeto e da produção. Antes de ser oferecidos ao mercado, esses cabos devem ser submetidos a vários ensaios e certificações, freqüentemente por laboratórios e órgãos certificadores de diferentes partes do mundo. Neste ensaio será diagnosticada a adequação de um fio condutor rígido às normas técnicas em vigor. Para tal, serão realizadas verificações de âmbito dimensional bem como das características elétricas e físico-químicas.

5 5 3. Fios e Cabos Os cabos elétricos de potência em baixa tensão são os responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000 volts. Os principais componentes de um cabo de potência em baixa tensão são o condutor, a isolação e a cobertura, conforme indicado na figura 2.1. Figura 2.1: Cabo elétrico de potência em baixa tensão típico Alguns cabos elétricos podem ser dotados apenas de condutor e isolação, sendo chamados então de condutores isolados, enquanto que outros podem possuir adicionalmente a cobertura (aplicada sobre a isolação), sendo chamados de cabos unipolares ou multipolares, dependendo do número de condutores (veias) que possuem. A figura 2.2 mostra exemplos desses três tipos de condutores elétricos. Figura 2.2.: Tipos de cabos elétricos de potência em baixa tensão Em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e custos, o cobre e o alumínio são os metais mais utilizados desde os primórdios da indústria de fabricação de fios e cabos elétricos. As três principais diferenças entre o cobre e o alumínio são: condutividade elétrica, peso e conexões.

6 6 Quando utilizados em projetos de instalação elétrica, os fios condutores devem ser isolados. A função básica da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. Com isso, são reduzidos ou eliminados o risco de choques elétricos e curtos-circuitos.

7 7 4. Ensaio de Laboratório Neste ensaio as seguintes medidas foram extraídas ou calculadas: diâmetro externo do fio isolado, espessura da isolação, diâmetro do fio condutor, seção do fio condutor, massa específica, resistência do condutor, resistência do isolamento. Abaixo seguem as descrições dos procedimentos usados para a realização dos ensaios. 4.1 Materiais Utilizados 1 Megohmetro digital. MINIPA Modelo MI Fundos de escala: 4000Ω/1000V; 9L de solução de água salgada; 1 balança de precisão digital BEL classe II; 50 cm de fio sem isolação para a balança; 1 micrômetro MITUTOYO mm/0,01mm; 1 microhmímetro digital MEGADRAS modelo MPK 200. Fundos de escala : 200Ω/1mA; 1 m de fio com isolação para o microhmímetro; 1 termômetro digital KITLER. 4.2 Determinação da Resistência do fio O metro de fio com isolamento é conectado pelas extremidades aos terminais que dão acesso ao microhmímetro. A conexão é apenas mecânica, sendo que o isolamento só é retirado nas extremidades do fio. A escala do microhmímetro é ajustada para 200Ω e o valor medido se encontra na Tabela com duas casas decimais. O fator de correção é aplicado à temperatura do condutor no momento da medição, lida no termômetro.

8 8 Resistência do fio Resistência [mω] Resistência Corrigida [mω] Temperatura ambiente [ 0 C] 7,46 7,35 24,0 Tabela Resistência do fio O fator de correção (0,985) usado na Tabela para obter a resistência corrigida foi obtido conforme a tabela 1 em anexo. A seção nominal do fio em teste é 2,5 mm 2. De acordo com a tabela 2 em anexo, este fio deve ter uma resistência de 7,56 Ω/Km ou 7,56mΩ/m. O 7,35 7,56 erro percentual da medição vale : %.100 2,78% e é 7,56 considerado muito pequeno. Conclui-se que o condutor se enquadra na norma. 4.3 Determinação da Resistência do Isolamento Para medir a resistência do isolamento que protege o fio, utilizaram-se os 9L de solução de água salgada, na qual o fio isolado é mergulhado e mantido por no mínimo 9 h, tomando-se o cuidado para que a água não entre em contato com o cobre ou penetre a isolação. Utilizou-se o megohmetro em 500V por 1 minuto para obter o valor da resistência. O instrumento acusou um valor maior que 4000MΩ, conforme a tabela Resistência do Isolamento Resistência [MΩ] Temperatura ambiente [ 0 C] > ,0 Tabela Resistência do isolamento O fator de isolamento para a temperatura é análogo ao utilizado na tabela Com uma resistência maior que 4000MΩ e considerando aplicações residenciais nas quais a tensão nominal está em torno de 220V, o isolamento permitiria a passagem de corrente da ordem de 10-9 A, muito longe de causar

9 9 qualquer dano em termos de choques ou curtos-circuitos. Portanto, conclui-se que o isolamento se enquadra nas normas. 4.4 Medição do diâmetro externo do fio Uma série de 7 medições foi realizada com o micrômetro sob 11cm do fio com isolamento. Os pontos de medição são eqüidistantes das extremidades do fio e as medidas são obtidas em duas direções perpendiculares, conforme a tabela A ovalização de um fio condutor é um efeito que explica a irregularidade do diâmetro do fio ao longo do seu comprimento. Ela é dada pela diferença entre as medidas nas direções 1 e 2. Esse efeito explica então porque são obtidos valores distintos para os diâmetros na tabela Diâmetro externo (De) do fio isolado Posição da medida Direção 1 [mm] Direção 2[mm] Ovalização[mm] Posição 1 3,27 3,21 0,06 Posição 2 3,33 3,19 0,14 Posição 3 3,33 3,23 0,10 Posição 4 3,49 3,20 0,29 Posição 5 3,30 3,24 0,06 Posição 6 3,32 3,26 0,06 Meio do Fio 3,45 3,19 0,26 Média 3,35 3,22 0,13 Tabela Medidas com o fio isolado 4.5 Medição do diâmetro do fio sem isolamento Em analogia à seção 4.4, a tabela mostra os resultados obtidos com o fio sem isolamento.

10 10 Diâmetro externo (Df) do fio sem isolação Posição da medida Direção 1 [mm] Direção 2[mm] Ovalização[mm] Posição 1 1,73 1,73 0,00 Posição 2 1,74 1,72 0,02 Posição 3 1,72 1,73 0,01 Posição 4 1,72 1,71 0,01 Posição 5 1,73 1,72 0,01 Posição 6 1,73 1,74 0,01 Meio do Fio 1,73 1,72 0,01 Média 1,73 1,72 0,01 Tabela Medidas com o fio sem isolação De acordo com a norma NBR 6880 para fios condutores e conforme citado em [3], os valores obtidos para a ovalização estão dentro dos limites permitidos. Portanto as medidas se enquadram nas normas. 4.6 Medição da espessura da isolação A espessura média da isolação é dada pela diferença das médias das medidas do fio com e sem isolação. Assim, temos que: Direção 1: espessura = (3,35-1,73)/2 = 0,81mm Direção 2: espessura = (3,35-1,73)/2 = 0,75mm A média dessas medidas vale: (0,81+0,75)/2 = 0,78mm. Como a seção nominal do condutor é 2,5 mm 2, a tabela 4 em anexo informa que o fio se encontra dentro das normas. 4.7 Cálculo da Área da Seção Transversal do fio O diâmetro médio do fio sem isolamento vale, conforme a tabela : (1,73+1,72)/2 = 1,725 mm De acordo com [4], a seção do condutor pode ser obtida por:

11 11 S = 0,7854. D 2 [mm 2 ], onde D é o diâmetro médio do fio. Substituindo D= 1,725 mm, temos que S = 2,34 mm 2. O valor nominal fornecido pelo fabricante é de S fabricante = 2,50 mm 2. Então S =0,93 S fabricante. 4.8 Medição da Massa Específica do Condutor (μ) A massa dos 50cm de fio sem isolamento é obtida na balança de precisão. O valor da medição é m = 10,471 g = 10, kg. O volume do fio é V = l.s, onde k = 50 cm e S foi calculado na seção anterior. Então V = (0,5m).(2, m 2 ) = 1, m 3. Portanto μ = m/v = 10, /(1, ) = 8.949,57 kg/m 3. Como a NBR 5111:1997 prevê que a massa específica do cobre deve ser igual a 8890 kg/m 3 a 20 0 C, conclui-se que o μ obtido representa um bom valor para o cobre.

12 12 5. Conclusões Os ensaios para verificação do fio condutor foram de grande valia para o aprendizado das especificações que definem um fio comercial. Naturalmente, os métodos de medição interferem nos resultados obtidos, uma vez que a interferência humana acarreta erros nos processos de medição. Entretanto, a finalidade do ensaio de diagnosticar as condições do fio sob teste foi satisfeita e com isso percebeu-se que o condutor atende as normas da ABNT, estando adequado para consumo. Cabe salientar que os instrumentos digitais utilizados no experimento inserem erros nas medições. Esses erros são de diversas naturezas, como erro de inserção e erros associados à exatidão dos instrumentos digitais. A ovalização do fio condutor também deve ser considerada, pois esta é uma medida que contribui para a não-idealidade do fio de cobre. Embora os limites de ovalização estejam previstos nas normas da ABNT, ela deve ser vista como uma característica a ser minimizada, visto que quanto maior o seu valor, maiores serão as diferenças entres os diâmetros dos fios com e sem isolamento e conseqüentemente, maiores as chances de danificação da estrutura dos fios.

13 13 6. Referências Bibliográficas [1] IPCE. Introdução aos fios e cabos. Disponível em.< Acesso em 15 jun [2] UNDERWRITERS LABOARTORIES INC. Certificação de Produtos Disponível em.< Acesso em 15 jun [3] NORMA PARA CERTIFICAÇÃO E HOMOLOGAÇÃO DE CABOS COAXIAIS FLEXÍVEIS DE 75 OHMS COM MALHA DE FIOS DE ALUMÍNIO. Requisitos e Métodos de Ensaio. Disponível em.< Acesso em 15 jun [4] PETRY, C. A Ensaio de Fios condutores. Disponível em.< Acesso em 15 jun Anexos Abaixo seguem algumas tabelas referenciadas no relatório. Elas têm a finalidade de correção ou comparação. Todas são elaboradas com base nas normas técnicas da NBR.

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