2 de agosto de 2021

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O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

Cabos de alumínio podem ser usados nos sistema de energia solar fotovoltaica?

Autor: 15 de fevereiro de 2021fevereiro 23rd, 2021Artigos técnicos
O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

O cobre não é o único material condutor que pode ser usado nas instalações elétricas.

O mercado está cheio de ofertas de cabos de alumínio, que são significativamente mais leves e baratos (até dois terços do preço de um cabo de cobre de mesma especificação) e que podem ser encontrados com as mesmas coberturas, propriedades isolantes e tensões de aplicação que os cabos de cobre tradicionais.

Logo, não é raro encontrar este tipo de cabo em instalações comerciais e industriais. Inclusive, praticamente toda a linha de distribuição pública em média tensão é composta de cabos de alumínio.

Se já temos aplicação do cabo de alumínio em algumas instalações comerciais e industriais, e se o mesmo tem as vantagens de peso e custo, surge a pergunta: podemos usar cabos de alumínio nos sistema de energia solar fotovoltaica?

Limitações do cabo de alumínio

O alumínio possui densidade de 2,7 g/cm³, enquanto o cobre apresenta densidade de 8,89 g/cm³ – uma diferença grande, ainda mais se considerarmos o uso dos cabos em uma linha aérea suspensa. Em relação à resistividade, o alumínio apresenta números muito maiores que o cobre: 28,2 Ω.mm²/km versus 17,2 Ω.mm²/km.

Logo, para uma mesma capacidade de condução de corrente, o cabo de alumínio terá que possuir seção transversal maior que o cabo de cobre. Como a queda de tensão é diretamente proporcional à resistividade do material, ao utilizar cabos de alumínio devemos estar mais atentos a este fenômeno.

Para entender mais sobre a queda de tensão nos cabos, leia estes artigos do Canal Solar:

A seguir encontra-se a Tabela 36 da norma ABNT NBR 5410, na qual se pode verificar que, para uma mesma seção de cabo e método de instalação, os condutores de alumínio têm uma menor capacidade de condução de corrente.

O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

Mesmo com tamanha atratividade econômica, não podemos utilizar cabos de alumínio em qualquer instalação. A primeira e principal limitação em relação aos cabos de alumínio são as suas conexões.

O alumínio, quando exposto ao ar, forma sobre si uma camada de óxido de alumínio, que é isolante. Como essa camada isolante é da ordem de alguns micrômetros, os elétrons ainda conseguem passar através dela, porém isso aumenta consideravelmente a resistência da conexão, podendo causar aquecimento demasiado da mesma. 

Figura 1: A conexão entre cabos de alumínio e cobre inapropriada causou o aquecimento e o derretimento da conexão. A causa mais provável é a resistência de contato aumentada pela oxidação dos condutores. Fonte: Reprodução

Figura 1 – A conexão entre cabos de alumínio e cobre inapropriada causou o aquecimento e o derretimento da conexão. A causa mais provável é a resistência de contato aumentada pela oxidação dos condutores. Fonte: Reprodução

Além do problema da oxidação, por serem materiais com eletronegatividade muito distintas, não podemos fazer conexões diretas de cabos de alumínio com componentes de cobre. Os dois metais são incompatíveis galvanicamente.

Com o tempo, o componente de cobre, que é um material mais nobre, corroerá a conexão com o alumínio, causando os mesmos problemas citados anteriormente.

Figura 2 – Cabo de alumínio em conector não compatível galvanicamente. Com o tempo o problema da corrosão pode causar acidentes mais sérios. Fonte: Youtube/Reprodução

O material alumínio tem outras propriedades não desejáveis para conexões: seu coeficiente de expansão térmica é maior que o do cobre e sua maleabilidade e seu limite de escoamento são menores. 

O alumínio expande-se e contrai-se mais facilmente com o calor do que o cobre, portanto há a tendência de maiores forças vindas do cabo atuando no sistema de fixação do mesmo, o que com o tempo pode causar o afrouxamento das conexões. 

O alumínio também é menos maleável, isto é, quebra com mais facilidade e possui um limite de escoamento menor. O limite de escoamento está relacionado à deformação que um material suporta de forma que ainda possa voltar ao seu formato original. 

Se flexionarmos uma chapa de alumínio e uma chapa de cobre com as mesmas forças, chegará um momento em que a chapa de alumínio não voltará ao seu estado original, ficando permanentemente amassada, enquanto a de cobre conseguirá voltar a ser plana. A mesma ideia se aplica aos cabos.

Somando-se os efeitos da temperatura com a maleabilidade e o limite de escoamento, temos que para algumas ligas de alumínio (principalmente as mais antigas ou as fora de norma para uso em cabos), o aquecimento natural faz com que o condutor perca gradualmente seu formato original, abrindo espaço para mais ataque da oxidação, o que piora a conexão e causa ainda mais calor, formando um ciclo de expansão que termina com um afrouxamento da conexão ou, em casos extremos, até o rompimento do cabo.

Instalação de cabos de alumínio

Os fatos mostrados acima mostram que devemos ter cuidados especiais ao trabalhar com este tipo de cabo. Para evitar a oxidação das conexões, mesmo aquelas entre alumínio e alumínio, devemos utilizar uma pasta anti-óxido específica para este fim.

Esta pasta contém flocos de outros metais que, ao serem pressionados, rompem a camada de óxido de alumínio, melhorando assim sua conexão. As pastas anti-óxido também diminuem o contato com o ar e a velocidade de oxidação do cabo.

Figura 3 – A pasta anti-óxido deve ser aplicada no momento da instalação e deve ser bem espalhada em toda a superfície de contato do cabo e do conector

Em conexões de metais diferentes precisamos utilizar um conector especial para este fim, conhecido como conector bimetálico. Este conector irá diminuir a corrosão bimetálica entre os elementos, pois é construído com um metal compatível com o cobre e o alumínio simultaneamente.

As conexões em alumínio também devem ser reforçadas mecanicamente para que não haja folga no aperto ou escoamento do material com o tempo. 

A conexão com cabos de alumínio deve ser sempre realizada com materiais adequados e por um profissional capacitado, dadas as características específicas de compatibilização do alumínio com outros materiais.

Figura 4: Terminal bimetálico para conexões de alumínio e cobre, próprio para compressão. Uma boa fixação é essencial para garantir a durabilidade do condutor.

Figura 4 – Terminal bimetálico para conexões de alumínio e cobre, próprio para compressão. Uma boa fixação é essencial para garantir a durabilidade do condutor

Figura 5: É possível realizar conexões seguras em alumínio utilizando a pasta anti-óxido e o conector bimetálico, como o caso da figura. Imagem: cortesia de JAGSOL

Figura 5: É possível realizar conexões seguras em alumínio utilizando a pasta anti-óxido e o conector bimetálico, como o caso da figura (serviços Realizado no Paraná pela empresa HL Engenharia Elétrica). Fonte: JAGSOL

Aplicação de cabos de alumínio segundo as normas

A norma NBR 5410, que rege os circuitos de baixa tensão, permite o uso de cabos de alumínio, fazendo inclusive alguns ajustes nas tabelas de capacidade de condução de corrente, dado que o material é menos condutor que o cobre.

A norma também é bem específica ao citar as limitações das conexões em alumínio. Como uma má conexão pode gerar acidentes sérios e até incêndios de alta proporção, e como visto anteriormente que a conexão de alumínio tem particularidades importantes de instalação, a aplicação desses cabos é limitada.

Em ambientes industriais somente podemos utilizar cabos de alumínio de pelo menos 16 mm² e é obrigatório que a instalação e manutenção do cabo sejam feitas por pessoas qualificadas (técnicos em elétrica, engenheiros eletricistas).

Os cabos de alumínio também podem ser aplicados em instalações comerciais, porém com restrições maiores como: seção igual ou superior a 50 mm², instalação e manutenção realizadas por pessoas qualificadas e local com condição de fuga facilitada das pessoas (BD1) – conforme a Tabela 21 de classificação BD da NBR 5410.

Este trecho da norma NBR 5410 mostra que as limitações do uso de cabos de alumínio estão bem definidas:

O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

A tabela 21 da norma ABNT NBR 5410, mostrada abaixo, relaciona as condições de fugas das pessoas com códigos de referência e exemplos dessas situações. Vários itens da norma referem-se a esta tabela.

O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

Em instalações residenciais ou em locais de alta densidade de pessoas e/ou com condições de fuga longas e tumultuadas (classificação BD4) é terminantemente proibido o uso de condutores de alumínio. 

Em todos os cenários, a emenda de cabos em alumínio só pode ser feita por conector a compressão ou por solda.

Como ficam os cabos de alumínio nos sistemas fotovoltaicos?

Apesar de ser possível a utilização de cabos de alumínio em instalações elétricas de baixa tensão, segundo a NBR 5410, a norma NBR 16690, que rege os sistemas fotovoltaicos, diz que todos os cabos em corrente contínua devem ter no mínimo as mesmas características que os cabos do tipo solar, que seguem a norma NBR 16612. 

Os cabos do tipo solar são exclusivamente de cobre, não havendo abertura para uso de cabos em alumínio. 

Uma explicação para essa proibição pode ser encontrada quando pensamos do ponto de vista do arco elétrico em corrente contínua. Os arcos elétricos em corrente contínua são bastante intensos e perigosos. 

Separações entre os condutores que possam vir a acontecer por conexões inapropriadas são inclusive a maior fonte de falhas ocasionadoras de arcos elétricos. Portanto, adicionar um risco de má terminação de cabos num sistema que é especialmente sensível a este problema torna-se muito perigoso.

Abaixo se encontra um trecho da norma ABNT NBR 16690 com as especificações dos condutores dos arranjos fotovoltaicos (lado de corrente contínua). Neste item há o requerimento para que todos os cabos atendam aos requisitos da norma de cabo solar NBR 16612, que por sua vez só permite condutores de cobre.

O emprego de condutores de alumínio nas instalações fotovoltaicas

Em resumo, podemos utilizar cabos de alumínio somente na parte CA do sistema fotovoltaico, sendo necessário verificar se o inversor e os outros pontos de conexão possuem terminal compatível com alumínio internamente ou se será necessário o uso de terminal bimetálico. As recomendações de pasta anti-óxido se mantêm.

Mateus Vinturini

Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP. Entusiasta de ciências e tecnologia, com experiência no ramo da energia solar, tanto no âmbito comercial como em projeto, dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos. 

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