I. Uma pergunta mais frequente

Na seleção e uso de cabos, uma pergunta é feita repetidamente:

"Qual é a corrente máxima que este cabo pode suportar?"

Esta questão em si está incorreta.

A pergunta correta é:

"Sob uma determinada corrente de sobrecarga, por quanto tempo o cabo pode operar com segurança?"

A capacidade de sobrecarga de curto prazo de um cabo é determinada tanto pelo tempo quanto pela corrente, e não apenas pela corrente. Discutir a capacidade de sobrecarga ignorando a dimensão do tempo não faz sentido na engenharia.

II. O processo térmico de cabos sob sobrecarga

Os cabos geram calor Joule ao transportar corrente. A quantidade de calor gerada é determinada pela seguinte fórmula:

Q = I² × R × t
Onde Q é o calor gerado, I é a corrente, R é a resistência do condutor e t é o tempo.

A corrente afeta o calor gerado com uma relação quadrada. Dobrar a corrente quadruplica o calor gerado.

Porém, o ponto chave é: se o tempo for curto o suficiente, mesmo com uma corrente grande, o calor total gerado pode ser muito pequeno.

Um cabo não é um fusível. Os fusíveis são projetados para derreter em milissegundos. Os cabos são sistemas com inércia térmica significativa – tanto os condutores como os materiais de isolamento requerem tempo para atingir temperaturas perigosas.

Um surto de alta corrente de curto prazo pode causar apenas um aumento de temperatura de alguns graus Celsius. No entanto, pequenas sobrecargas prolongadas podem levar ao envelhecimento térmico ou mesmo à ruptura térmica do isolamento.

III. Sequência de falha: Isolamento antes do condutor

Um equívoco comum é que as sobrecargas dos cabos “queimarão os fios de cobre”.

Isso está incorreto.

Em cenários reais de sobrecarga, a camada de isolamento falha primeiro, e não o condutor.

O ponto de fusão dos condutores de cobre é de aproximadamente 1085°C. A temperatura operacional permitida a longo prazo do isolamento XLPE é de apenas 90°C e, mesmo considerando sobrecargas de curto prazo, sua temperatura suportável não excede 250°C. A temperatura operacional permitida a longo prazo do isolamento de PVC é de 70°C, e sua temperatura suportável a curto prazo é de aproximadamente 160°C.

A comparação desses números mostra claramente que antes do condutor de cobre atingir seu ponto de fusão, o material de isolamento já sofreu amolecimento térmico, carbonização ou mesmo perda completa de desempenho de isolamento.

Quando o isolamento falha, ocorre um curto-circuito entre os condutores, gerando um arco elétrico e altas temperaturas localizadas – só então o condutor de cobre pode derreter. Contudo, esta é uma falha secundária e não uma consequência direta de sobrecarga.

Portanto, discutir a capacidade de sobrecarga do cabo na engenharia significa essencialmente discutir: por quanto tempo o aquecimento do condutor não fará com que a temperatura do isolamento exceda seu limite de resistência de curto prazo?

4. Capacidade de sobrecarga de curto prazo deCabos isolados em XLPE

Com base na IEC 60364-5-54 e em cálculos termodinâmicos na prática de engenharia, para cabos condutores de cobre isolados em XLPE, sob a premissa de uma temperatura inicial de 90°C (estado normal de carga total), a capacidade de sobrecarga de curto prazo é aproximadamente a seguinte:

Quando o múltiplo de sobrecarga é de 150%, o cabo normalmente pode suportar de vários minutos a dezenas de minutos. Este intervalo de tempo depende principalmente da taxa de acumulação de calor no material de isolamento.

Quando o múltiplo de sobrecarga é de 200%, o cabo pode suportar dezenas de segundos a vários minutos. O fator limitante aqui é principalmente a taxa de aumento da temperatura na superfície do isolamento.

Quando o múltiplo de sobrecarga é de 300%, o cabo pode suportar de vários segundos a mais de dez segundos. Neste ponto, a temperatura na interface condutor-isolamento aumenta rapidamente, tornando-se o principal fator limitante.

Quando a sobrecarga atinge 500% ou mais, o cabo só consegue suportá-la por 1 a 5 segundos. Sob estas condições, o material de isolamento irá carbonizar rapidamente, deixando quase nenhuma margem de segurança.

Deve-se observar que os valores acima são apenas estimativas de engenharia. Os valores precisos dependem da seção transversal do cabo, do método de colocação, da temperatura inicial e da formulação específica do material de isolamento. Quanto mais baixa for a temperatura inicial, maior será o tempo de resistência – as partidas a frio são muito mais seguras do que as partidas a quente. Uma melhor dissipação de calor também aumenta o tempo de resistência – a instalação com ar comprimido é superior à instalação com conduíte.

V. Verificação de sobrecarga do cabo para partida direta do motor

Tomando como exemplo um motor de 132kW. Sua corrente nominal é de aproximadamente 240A (em sistema de 400V). Durante a partida direta, a corrente de partida é aproximadamente 6 vezes a corrente nominal, ou seja, 1440A. A duração inicial é normalmente de 6 segundos.

O cabo correspondente é um cabo de cobre XLPE de 95 mm². A capacidade nominal de transporte de corrente deste cabo em um ambiente de 40°C sob condições de instalação de conduíte é de aproximadamente 300A.

O processo de verificação é o seguinte:

Primeiro, determine a temperatura inicial. Suponha que o cabo esteja funcionando sob carga nominal há algum tempo, com uma temperatura inicial de aproximadamente 90°C.

Em seguida, calcule o calor gerado durante a inicialização. O calor gerado é igual ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência multiplicada pelo tempo, ou seja, 1440² × R × 6.

Compare este valor com o calor gerado sob condições nominais de operação. Em condições nominais, com corrente de 300A por 1 hora (3600 segundos), o calor gerado é de 300² × R × 3600.

Os resultados reais do cálculo mostram que o calor gerado durante um processo de inicialização de 6 segundos é equivalente a apenas cerca de 15 a 20 segundos de calor gerado nas condições nominais. Isto corresponde a um aumento de temperatura de aproximadamente 15 a 20°C.

Este aumento de temperatura está muito abaixo do limite de temperatura suportável de curto prazo do isolamento XLPE (aproximadamente 250°C). Portanto, o processo de inicialização não causará danos ao isolamento.

É por isso que em muitas aplicações de motores de partida direta, a especificação do cabo não precisa ser aumentada devido à corrente de partida – desde que o tempo de partida seja curto o suficiente, normalmente entre 5 a 8 segundos.

VI. Três critérios de julgamento na prática de engenharia

Primeiro, faça a distinção entre sobrecarga em estado estacionário e sobrecarga transitória.

Uma sobrecarga em estado estacionário refere-se a uma situação em que a corrente excede o valor nominal e dura vários minutos ou mais. O principal risco deste tipo de sobrecarga é o envelhecimento térmico do isolamento, que pode levar a danos cumulativos a longo prazo.

Uma sobrecarga transitória refere-se a uma situação em que a corrente é várias vezes o valor nominal, mas dura apenas alguns segundos. Este tipo de sobrecarga geralmente pode ser suportado pelo cabo, a menos que ocorra repetidamente.

Segundo, use a temperatura de isolamento como critério de falha.

A base para avaliar se um cabo está sobrecarregado não é “se o cobre queimou”, mas “se a temperatura do isolamento excede o limite de resistência de curto prazo”. Para isolamento XLPE, a temperatura suportável de curto prazo é geralmente considerada como 250°C, com base na temperatura do condutor.

Terceiro, considere o efeito cumulativo.

Se o equipamento for iniciado e parado com frequência, como um guindaste ou um compressor alternativo, o aumento de temperatura a cada partida se acumulará. Neste caso, não basta olhar apenas para o aumento de temperatura de uma única partida; o efeito cumulativo do aumento da temperatura durante o ciclo térmico precisa ser calculado.

VII. Recomendações de seleção
Para equipamentos com alta corrente de partida, como motores, transformadores e máquinas de solda, existem quatro estratégias comuns de enfrentamento.

O primeiro método é aumentar a especificação do cabo. Este método é adequado para cenários com tempos de inicialização longos (mais de 10 segundos) ou partidas frequentes. Porém, é mais caro, principalmente para assentamentos de longa distância.

O segundo método é instalar um soft starter. Este método é adequado para cenários com tempos de inicialização médios (3 a 10 segundos) e onde é necessária redução de surtos de corrente. O custo é moderado.

O terceiro método é instalar um conversor de frequência. Este método é adequado para cenários com partidas muito frequentes ou onde é necessário um controle preciso da velocidade. Ele oferece a funcionalidade mais abrangente, mas também é o mais caro.

O quarto método é deixar como está e usar a especificação original. Este método é adequado para cenários com tempos de inicialização muito curtos (não mais que 5 segundos) e partidas pouco frequentes. O custo é zero, mas depende da verificação da segurança.

Um erro comum de engenharia é aumentar cegamente a especificação do cabo para lidar com a sobrecarga de inicialização. Muitas vezes esta não é a solução ideal. A abordagem correta é primeiro calcular o calor real gerado durante a inicialização. Em muitos casos, os cálculos mostram que o cabo existente é suficiente.

Caso seja necessária verificação, deverão ser preparados os seguintes parâmetros: seção transversal do cabo, material e tipo de isolamento; a curva corrente-tempo de inicialização fornecida pelo fabricante do equipamento; e o método de assentamento e temperatura inicial.

VIII. Principais conclusões

Primeiro, a capacidade de sobrecarga de curto prazo de um cabo é determinada tanto pelo tempo quanto pela corrente. Perguntando "Quanta corrente ele pode suportar?" não tem sentido; deve-se perguntar também “Quanto tempo aguenta?”.

Em segundo lugar, sob sobrecarga, o isolamento falha primeiro, e não o condutor. O limite de temperatura do isolamento está muito abaixo do ponto de fusão do cobre.

Terceiro, os cabos isolados em XLPE normalmente podem suportar dezenas de segundos a vários minutos sob sobrecarga de 200%, dependendo da temperatura inicial e das condições de dissipação de calor.

Quarto, para impactos de curto prazo decorrentes da partida direta do motor, na maioria dos casos, não é necessário aumentar a especificação do cabo, desde que o tempo de partida não exceda 5 a 8 segundos e seja pouco frequente.

Quinto, as decisões de engenharia devem ser baseadas em cálculos e não em intuição. Aumentar cegamente as especificações dos cabos desperdiça custos, enquanto negligenciar a verificação pode criar perigos ocultos.