5 CONDUTORES E CONECTORES ELÉTRICOS

Há três métodos para ganhar sabedoria: primeiro, por reflexão, que é o mais nobre; segundo, por imitação, que é o mais fácil; terceiro, por experiência, que é o mais amargo.

Confúcio

5.1 - Condutores Elétricos

A revolução trazida pela energia elétrica, com seus avanços e facilidades, não seria possível sem a invenção e o desenvolvimento dos fios e cabos elétricos. Os fios são compostos por um metal cilíndrico, flexível e maciço e podem ser fabricados com, ou sem, isolação. Quando agrupados – sendo este conjunto revestido por uma cobertura protetora ou não – são chamados de cabos.

Utilizados para conduzir, com o mínimo de perdas, a energia (ou corrente) elétrica de um ponto a outro, em um aparelho ou circuito, eles são, muitas vezes, chamados simplesmente de condutores – o que na realidade é a sua finalidade –, mas serão tratados dessa forma neste texto, à despeito de, a rigor, o termo condutor se referir apenas à parte interna, metálica, desses produtos.

Os condutores são feitos, em sua grande maioria, de cobre ou alumínio, por serem metais de ótima condutividade elétrica e preço bastante acessível.

Os cabos, por sua flexibilidade, apresentam vantagens frente aos fios de seção equivalente, facilitando a instalação e a acomodação em curvas, pois necessitam de menor esforço de puxamento e apresentam menor probabilidade de sofrer danos. No SEP, devido às altas correntes, as seções necessárias para os condutores são significativas, o que implica o uso apenas de cabos.

5.1.1 - Tipos de Cabos Usados no SEP

Dentre os diversos tipos de cabos, os principais utilizados em aplicações do sistema elétrico são listados a seguir, com destaque para os dois primeiros:

O cabo SAC (Figura 5.1.b, .f) é composto de uma ou mais camadas concêntricas, torcidas helicoidalmente, de fios de alumínio 1350/H19, também conhecido como “Alumínio EC” (Electric Conductor), possuindo 99,5% de pureza (FONSECA, 2009a). Tem uma alta relação peso-condutividade, a mais alta entre todos os condutores utilizados no SEP, sendo recomendado para o uso em áreas urbanas com limitações de espaço, onde vãos curtos e alta condutividade são necessários. As subestações, em geral, se enquadram nesse caso, o que reduz a necessidade de cabos com alta resistência mecânica. Nesses locais, os cabos SAC são os mais utilizados (FONSECA, 2009b).

O condutor ACSR (Figura 5.1.a, .e, .g) é feito de uma ou mais camadas de fios de alumínio 1350/H19, ao redor de um ou mais (dependendo da dimensão deste condutor) fios de aço galvanizado, chamada de “alma”. São possíveis diversas combinações de fios de alumínio e aço, a fim de se obter a melhor relação entre capacidade de transporte de corrente e resistência mecânica para cada aplicação (ALUBAR, 2010). Tem maior capacidade de transporte para a mesma seção de condutor (medida em área de seção transversal de alumínio, desconsiderando-se o aço), sendo recomendado para o uso em linhas de transmissão em áreas rurais onde os vãos são maiores¹. O aço, porém, aumenta em cerca de 15% do peso do cabo (FONSECA, 2009b).

O cabo AAAC (Figura 5.1.c) é um condutor composto de uma ou mais camadas de fios de liga 6201-T81. Preenche a necessidade de um condutor para aplicação aérea, onde é requerida uma maior resistência mecânica do que a obtida com o condutor de alumínio SAC, e maior resistência à corrosão que a alma de aço galvanizado do cabo ACSR. Os condutores de liga 6201-T81 são mais duros, portanto, resistem melhor à abrasão que os condutores de alumínio 1350-H19 (ALUBAR, 2010). As conformações dos cabos AAAC são semelhantes àquelas dos cabos SAC.

Figura 5.1: Exemplo da Conformação de Condutores. Fonte: Adaptado de Alubar (2010)

O cabo ACAR (Figura 5.1.d, .h) é um condutor encordoado concêntrico, composto de uma ou mais camadas de fios de alumínio 1350/H19, reforçado por um núcleo de alumínio liga 6201-T81. Costuma ser usado em substituição ao ACSR, em aplicações onde o peso máximo é relevante.

A nomenclatura empregada para identificar os condutores SAC ou ACSR segue padrões internacionais, com os cabos SAC sendo conhecidos por nomes de flores e os cabos ACSR por nomes de pássaros, em inglês. Na Tabela 5.1, são apresentados dados técnicos dos condutores usados nas subestações de interesse deste trabalho, e, na Figura 5.1, exemplos de conformações dos cabos citados.

Tabela 5.1: Dados técnicos de alguns condutores SAC

5.1.1 - Forças Aplicadas aos Condutores

A Força Resultante, F_R , aplicada a um condutor é a composição vetorial das seguintes parcelas (Equação (5.1)),

onde:

F_P = Força Peso próprio, em [N];

F_A = Força de Arraste do vento, em [N];

F_CC = Força do Curto-Circuito, em [N].

Força Peso Próprio

A Força Peso próprio, F_P , Equação (5.2), pode ser calculada, simplesmente, multiplicando a massa por unidade de comprimento m′ (dada na Tabela 5.1, p. 42) pela aceleração da gravidade g e comprimento total do condutor l:

Força de Arraste

Para se determinar F_A serão adotados os métodos previstos na norma ABNT NBR 6123 (1988), que diz ser preciso, primeiramente, determinar a velocidade básica do vento V_o (velocidade de uma rajada de 3 s, excedida na média uma vez em 50 anos, a 10 m acima do terreno, em campo aberto e plano) na região de interesse; no caso, 35 m/s. V_o deve ser multiplicada pelos fatores S₁ , S₂ e S₃ , que consideram a influência da topografia e da rugosidade do terreno e das dimensões da edificação em estudo, obtendo a velocidade característica V_k , Equação (5.3),

onde:

Em seguida, é preciso determinar o coeficiente de arraste C_a do cabo. Para tanto, determina-se o número de Reynolds através de Re = 70.000 · V_k · d e verifica-se a tabela correspondente à razão correta raio dos fios/diâmetro do cabo (r′ /d), obtendo-se C_a = 0,9.

Há ainda o coeficiente q, pressão dinâmica do vento, correspondente à velocidade característica V_k , em condições normais de pressão (1 atm) e de temperatura (15∘ C), dado por q = 0,613 · V_k² .

Finalmente, a força de arraste do vento será determinada, para um comprimento l do condutor e incidência normal à sua superfície, pela Equação (5.4):

Força Dinâmica de Curto-Circuito

O curto-circuito é um caminho de baixa impedância² entre dois pontos com níveis de tensões diferentes. No SEP, podem ocorrer devido a um toque acidental entre condutores (fases), ou um condutor e uma parte aterrada (fase-terra), causado por diversos motivos. Num curto, as correntes geradas são de elevada intensidade, em geral 10 a 20 vezes superiores à corrente de carga nominal do circuito (SILVA, 2009).

Do eletromagnetismo, sabe-se que dois condutores, através dos quais circulam cargas elétricas, geram campos magnéticos em seu redor (Lei de Biot-Savart) que, ao interagirem, criam forças de atração ou repulsão (força de Lorentz) entre si, dadas pela Lei de Ampère, Equação (5.5),

onde:

μ_o = permeabilidade magnética no vácuo, 4π × 10⁻⁷ [N/A²],

s = distância de separação entre condutores, em [m],

I_x = correntes circulando em cada condutor, em [A],

l = comprimento dos condutores, em [m].

Com o curto-circuito, as forças se intensificam e, caso os condutores não estejam adequadamente suportados, eles podem sofrer deformações, tocarem-se ou até mesmo romperem-se.

Da teoria de circuitos polifásicos, o valor máximo da corrente dependerá do instante de tempo em que o curto ocorre e da relação entre reatâncias e resistências do circuito (X/R) no local do curto (FONSECA, 2009b), dado por um fator chamado fator de assimetria da corrente, κ, podendo ser obtido pela Equação (5.6):

Considerando o fator κ, a corrente máxima de curto circuito I_max , função da corrente de curto subtransitória I_k′′ , é obtida através da Equação (5.7):

Assim, a força dinâmica de curto circuito pode ser calculada pela aplicação da Lei de Ampère para o condutor central, considerando curto-circuito trifásico (pior caso), resultando na Equação (5.8):

onde:

I_e,max = corrente máxima de curto do condutor externo, em [A]

I_c,max = corrente máxima de curto do condutor central, em [A]

120∘ = ângulo entre os vetores de corrente de cada fase num sistema trifásico

5.1.3 Processo de Falha em Condutores

A resistência mecânica dos condutores deriva das propriedades metalúrgicas do metal e do trabalho a frio a que os fios são submetidos, durante o processo de fabricação do cabo. O trabalho a frio provoca o alongamento dos grãos do metal e eleva o número de deslocações, aumentando a resistência mecânica à tração do fio.

Os materiais dos condutores são projetados para operar em temperatura ambiente, ou próxima a ela. Temperaturas altas, acima de aproximadamente 93∘ C para o alumínio, levam a uma série de fenômenos, entre eles o chamado Annealing (Recozimento) – processo metalúrgico onde altas temperaturas permitem a relaxação das tensões internas criadas durante o trabalho a frio, que resulta em amolecimento e perda de resistência mecânica do metal –, culminando com a perda de resistência à tração de todo o condutor. A extensão desta perda é função da composição do material, sua temperatura e do tempo acumulado em que ficou submetido a esta temperatura³. A perda de resistência mecânica de um núcleo de aço em um condutor ACSR só tem início acima de 200∘ C (IEEE STD. 1283, 2004).

Além da perda de resistência mecânica citada, os efeitos da operação de condutores em altas temperaturas incluem:

• Aumento da flecha dos condutores resultando em alturas de segurança reduzidas;

• Redução da vida útil e integridade de conectores;

• Aceleração do envelhecimento de componentes;

• Aumento das perdas de energia;

• Potenciais danos aos equipamentos conectados.

Modelos de Predição de Perda de Resistência Mecânica

Existem modelos na literatura (FONSECA, 2009a) para o cálculo da resistência mecânica remanescente de condutores. A maioria destas equações contemplam a dependência do tempo e temperatura sobre a perda de resistência mecânica, mas não deixam de ser aproximações empíricas sobre uma série de processos que ocorrem simultaneamente, tendendo a simplificar um fenômeno complexo (IEEE STD. 1283, 2004). Não obstante, a precisão das previsões obtidas pelos modelos são equivalentes, ou até melhores, que as previsões, cálculos ou medições de temperatura que podem ser realizados em condutores de linhas de transmissão (HARVEY, 1972).

Entre os principais modelos, destacam-se o modelo de Harvey (1972) e o modelo de Morgan (1996), ambos derivados a partir de dados experimentais, com diversos cabos em várias temperaturas⁴. Enquanto o primeiro derivou equações parabólicas para descrever os fenômenos para cada tipo principal de condutor (Seção 5.1.1), o segundo, procurando descrever equações mais gerais, chegou a equações logarítmicas, dependentes de diversos coeficientes.

O modelo que será utlizado neste trabalho é o de Harvey, pela sua rapidez e simplicidade no cálculo, não tendo sido emitido juízo de valor quanto aos dois modelos citados.

O modelo de Harvey

Os testes realizados por Harvey demonstraram que o efeito danoso da exposição aleatória a altas temperaturas são acumulativos, levando à necessidade de se conhecer o histórico térmico do condutor em estudo, ou seja, as temperaturas e as durações em cada temperatura a que o condutor ficou submetido. Por conveniência, e sem muita perda de exatidão, a determinação do histórico pode ser feita dividindo-se em grupos ou incrementos os valores de temperaturas obtidos, e então somando-se os tempos de duração de cada temperatura.

Ajustando curvas aos dados experimentais obtidos, Harvey derivou um modelo matemático que prediz a perda de resistência mecânica para cabos SAC, Equação (5.9),

onde:

RS = resistência mecânica remanescente do condutor em relação à incial, em [%]

T = valor da Temperatura de exposição, em [∘ C]

t = soma do tempo de exposição à temperatura T , em [h]

d = diâmetro de um fio do condutor, em [pol.]

Para aplicar seu modelo, Harvey sugere o seguinte método:

1. Calcular RS₁ para o primeiro intervalo de temperatura T₁ e duração t₁ ;

2. Calcular o tempo t′₂ necessário para, à temperatura T₂ , ocorrer a mesma perda de resistência RS₁ ;

3. Somar o tempo t′₂ à duração t₂ e calcular a RS₂ à temperatura T₂ e duração t′₂ + t₂ ;

4. Calcular o tempo t′₃ necessário para, à temperatura T₃ , ocorrer a mesma perda de resistência RS₂ ;

5. Somar o tempo t′₃ à duração t₃ e calcular a RS₃ à temperatura T₃ e duração t′₃ + t₃ ;

6. Repetir estes passos para todos os intervalos de temperatura, até se obter a RS_n final.

O resultado será o percentual de resistência remanescente do condutor após a aplicação deste ciclo térmico em específico. Caso se saiba o valor residual de resistência à tração do cabo, é possível prever, com este modelo, a condição futura de um condutor, a partir de um perfil térmico de interesse, o que constitui o foco desta pesquisa.

5.2 Teoria do Contato Elétrico

A oposição que o condutor faz à passagem da corrente elétrica, numa determinada tensão, é denominada Resistência Elétrica R, função de uma característica de cada material denominada Resistividade ρ, e de parâmetros geométricos. A união de dois condutores de resistência R₁ e R₂ pode ser encarada como sendo a criação de um novo condutor, com um novo valor de resistência R₃. O novo valor de R₃, a rigor, não é simplesmente a soma das resistências de cada condutor, pois é preciso considerar também a Resistência de Contato R_c, estabelecida na interface entre os dois elementos, resultando na Equação (5.10):

A resistência de contato é definida como a resistência à circulação de corrente elétrica através da interface de contato entre dois materiais condutores. J. C. Maxwell demonstrou que, quando dois eletrodos infinitos, de resistividades ρ₁ e ρ₂ , se tocam em um único ponto circular de raio a (conhecido como a-spot), a corrente fluirá por esta reduzida área, compondo a real resistência de contato daquela montagem, referida comumente como resistência de constrição. A resistência de contato R_c é dada pela Equação (5.11) (BRYANT; JIN, 1991):

Entretanto, quando houver vários a-spots suficientemente próximos (Figura 5.3, p. 51), existirá uma interação entre os campos eletromagnéticos, gerados pelo fluxo de corrente que os atravessam, forçando as linhas de corrente a se concentrarem ainda mais (Figura 5.2), criando o chamado efeito de proximidade, ou “resistência mútua”, elevando os valores de R_c como mostrado na Equação (5.12) (HOLM, 1929 apud BOYER et al., 1991),

onde:

R_par = resistência dos n a-spots em paralelo, em [Ω]

R_m = resistência mútua entre a-spots, em [Ω]

Figura 5.2: Linhas de Corrente se constringindo ao atravessar os pontos de contato.

Greenwood (1966) derivou uma equação capaz de determinar o valor de R_c nesta situação, Equação (5.13),

onde:

a_i = raio do a-spot i

n = número de a-spots

s_ij = distância de separação entre a-spots

Boyer (2001) mostra que, ao se considerar que os n a-spots possuem o mesmo diâmetro d e estão uniformemente distribuídos numa área equivalente a um disco de diâmetro D, chega-se à fórmula de Holm (Equação (5.14))

Na prática, várias condições relacionadas aos materiais envolvidos, e à maneira como esses são empregados, determinam o valor apresentado pela resistência de contato, sendo quatro as principais condições (WINDRED, 1940):

a. O formato das superfícies de contato;

b. A condição das superfícies de contato;

c. O tipo de material de cada elemento de contato;

d. A pressão mecânica agindo sobre os contatos.

a. Formato das Superfícies

Independentemente do grau de esmero na fabricação ou da perfeição que a superfície de um material aparente, haverá sempre imperfeições ou rugosidade em nível microscópico. É nas regiões onde as ondulações superficiais se tocam que é estabelecido o contato mecânico, Figura 5.3. Assim, quando duas superfícies são unidas fisicamente, a área real de contato mecânico será sempre uma fração da área total aparente (BINGHAM et al., 1988).

Como regra geral, uma superfície muito lisa apresentará resistência de contato superior ao de uma superfície equivalente, porém ligeiramente mais rugosa, pois estatisticamente apresentará uma quantidade menor de pontos de contato para uma dada pressão de contato.

Figura 5.3: Esquematização da área de contato entre dois metais, mostrando os a-spots. Fonte: Adaptado de CEMIG (1985)

b. Condição das Superfícies

Somente metais preparados cuidadosamente, sob alto vácuo, podem ser considerados de superfície puramente metálica, livres de películas de óxido. A interface de um contato metálico real está sujeita ao ingresso de oxigênio e outros contaminantes, através de suas porosidades, que vão reagir com os átomos do metal e formar películas de um óxido isolante nas superfícies. Isto reduz ainda mais a área que efetivamente constitui um contato metálico, capaz de conduzir a corrente elétrica. A película formada em condutores de cobre é relativamente condutora, mas a maioria das películas de óxido apresentam resistividades da ordem de 10⁴ Ω · m, e podem suportar valores apreciáveis de tensões elétricas (WINDRED, 1940).

c. Materiais Constituintes

Na temperatura ambiente, o material melhor condutor elétrico é a prata, com condutividade⁵ cerca de 8% superior ao cobre, 50% superior ao ouro e 80% superior ao Alumínio. Desta forma, o contato estabelecido pela prata seria de melhor qualidade. Porém, o ouro possui a menor taxa de oxidação ao ar livre entre os metais, resultando numa elevada durabilidade do bom contato elétrico, e o alumínio o pior material, pois oxida rapidamente e a película formada é altamente isolante. É muito comum encontrarem-se cabos condutores de cobre com os plugues de contato revestidos em ouro, e a melhor situação seriam condutores de cobre conectados através de solda em prata. Em sistemas elétricos de potência, entretanto, por questões de custo e peso, os condutores de alumínio são largamente empregados, aplicando-se as técnicas adequadas para minimização de suas desvantagens (CEMIG, 1985).

d. Pressão Mecânica

À medida em que se aumenta a pressão aplicada para unir dois elementos metálicos, os pontos onde as ondulações de cada superfície se tocam são deformados, devido à ductibilidade do material, o que resulta no aumento de suas áreas e, também, no estabelecimento de novos pontos de contato pela aproximação das superfícies, diminuindo R_c . A força de aperto promove, além disso, a expulsão do oxigênio presente nos espaços vazios dessa interface, causador de oxidação. Entretanto, a pressão mecânica aplicada não deve ser excessiva pois, se essa superar os limites de escoamento, pode causar a fratura da microestrutura e o aparecimento de fissuras no material, que irão levar à sua ruptura (CEMIG, 1985).

5.3 Conectores Elétricos

Conectores (também denominados segundo sua funcionalidade: conexões) se referem a dispositivos, percorridos por corrente, que unem mecânica e eletricamente dois ou mais condutores, ou um condutor e terminais de equipamentos (IEEE STD. 1283, 2004). Devem garantir também uma pressão que possibilite o agarramento mecânico necessário para a fixação dos mesmos aos pontos devidos (CEMIG, 1985), seja pelo aperto de parafusos ou molas, seja pela aplicação de uma ferramenta de compressão (BINGHAM et al., 1988).

O volume e as dimensões dos conectores devem ser compatíveis com a capacidade de condução de corrente elétrica, a dissipação térmica dos condutores e suportabilidade às cargas mecânicas a que estarão submetidos, tanto pela pressão de contato quanto pelas forças de tração, tipicamente encontradas nos vãos de linhas de transmissão ou oriundas das forças dinâmicas de curtos-circuitos.

No SEP, conectores são geralmente usados para (CEMIG, 1985):

• emenda de condutores

• jumper e conexão ao vão ou barramento

• conexão a equipamentos

• aterramento

• iluminação pública

• ramais de ligação e de entrada (entrada de serviço)

5.3.1 Tipos de Conexões no SEP

São os seguintes os principais tipos de conectores utilizados em concessionárias de energia:

• conexão tipo aperto (ou aparafusada), Figura 5.4a

• conexão para terminais, de uma lado aperto, do outro à compressão, Figura 5.4b

• conexão à compressão, Figura 5.4c

• conexão tipo cunha, Figura 5.4d

• conexão tipo pré-formada, Figura 5.4e

Conectores tipo aperto mantém o contato entre sua superfície e a do condutor por meio de um conjunto de parafusos, porcas e arruelas de pressão. As ferramentas necessárias para a instalação são: a chave ajustável, alicate e torquímetro. Estes conectores são reutilizáveis.

Conectores a compressão realizam a ligação através da deformação plástica do conector, resultante de forte compressão por ferramenta apropriada. Podem ter o formato de perfis que acomodam os condutores em suas ranhuras, ou ter o formato de luvas. As ferramentas utilizadas são o alicate compressor, mecânico ou hidráulico. Os conectores à compressão não permitem reutilização, por serem deformados quando da instalação na rede.

Nos conectores tipo cunha a pressão de contato entre conector e condutores é exercida por um efeito de mola, originado do formato do conector e seu processo de fabricação. É constituído de duas peças, uma em forma de “C” e outra em forma de cunha. O ferramental necessário para a instalação de conectores tipo cunha é constituído de uma ferramenta própria, espoleta e extratores (utilizados para se fazer a desconexão, se necessário). Os conectores tipo cunha, em teoria, podem ser livremente reutilizados. Porém, é recomendada a sua reutilização apenas uma vez, pois as travas, que são feitas para prender a cunha na sua posição, se deformam, não garantindo mais a resistência mecânica original.

As emendas pré-formadas são varetas condutoras em formato helicoidal que são aplicadas enrolando-as sobre os condutores. Aplicam uma força de agarramento uniforme e bem distribuída, devido à força de mola e à utilização de material abrasivo em seu revestimento interno. Não necessitam de qualquer tipo de ferramenta especial, e não devem ser reutilizadas novamente, conforme orientação dos fabricantes.

Os dados dos conectores avaliados nesta pesquisa estão compilados na Tabela 5.2.

5.3.2 Mecanismos de Falha em Conectores

Mesmo sendo alto o custo da manutenção de conectores frente ao seu custo de aquisição, as concessionárias de energia procuram evitar falhas em conexões elétricas, pois elas trazem as seguintes implicações (com custos bem maiores):

• prejuízo aos índices de qualidade (DEC, FEC etc);
• queda excessiva de tensão elétrica;
• aumento das perdas de energia;
• risco à segurança devido ao rompimento de condutores;
• lucros cessantes;
• custos crescentes de manutenção corretiva, efetuadas em condições de emergência (sem
• programação);
• imagem empresarial negativa perante à opinião pública.

O conceito geral de falha em conectores é de caráter térmico, ou seja, definida para quando sua temperatura de operação exceder a temperatura do condutor ao qual está ligado, e não quando o conjunto condutor/conector se rompe, interrompendo a continuidade elétrica. A justificativa é que conectores que apresentam falhas são difíceis de serem detectados em campo antes de evidenciarem falha térmica, e a operação neste estado de falha térmica é usualmente um precursor do rompimento iminente do condutor. A sequência de eventos do mecanismo de falha em conectores é descrita a seguir (IEEE STD. 1283, 2004):

1. Falha Elétrica de Conector

Envelhecimento avançado do conector, onde seus pontos superficiais, disponíveis para estabelecimento de contato elétrico e fluxo de corrente, estão essencialmente exauridos. As altas densidades de corrente são capazes de romper alguns dos filmes de óxido formados ao longo do tempo, restabelecendo a resistência de contato inicial. Entretanto, quando esta capacidade do conector se esgota, as correntes não tem outra alternativa senão percorrer os pontos restantes; diz-se que o conector atingiu um estado de falha elétrica.

2. Falha Térmica de Conector

Envelhecimento avançado do conector, onde a temperatura de operação do conector é maior que a temperatura de operação do condutor ao qual está ligado. Com a redução dos pontos de contato disponíveis, o aumento da densidade de corrente levará a um aumento da temperatura de serviço do conector; diz-se que o conector está em falha térmica. Os conectores em falha térmica podem atingir temperaturas de operação que ultrapassam o limite onde o processo de recozimento do metal tem início.

3. Falha Mecânica do Conector

Envelhecimento avançado do conector, onde sua temperatura de operação é alta o suficiente para recozer, amolecer e eventualmente romper o condutor adjacente. O recozimento do metal tem o efeito de relaxar as tensões internas reduzindo sua suportabilidade à tração. Esta redução pode atingir níveis em que o conector não mais consegue manter sua integridade (resistir à tração a que é submetido, ou manter unidos dois trechos de cabos), e termina por soltar-se ou provocar a ruptura do condutor; diz-se que o conector atingiu falha mecânica.

As falhas em conectores podem acontecer devido à ocorrência individual ou concomitante (caso mais comum) dos seguintes fatores:

• deficiência de projeto,
• problemas de fabricação,
• má qualidade do material,
• ação nociva do meio ambiente (vento, poluição, umidade),
• operação a temperaturas elevadas,
• instalação inadequada.

Para Bingham et al. (1988), os principais modos de falha em conectores são:

• a corrosão do metal,
• o afrouxamento do conector,
• a ruptura dos fios do condutor.

Nesta pesquisa será verificado se, e quando, o condutor associado a um conector, em falha térmica, terá seus fios rompidos – pela ação das forças a que está submetido – por perda de resistência mecânica, ignorando os outros modos. Deficiências de projeto, de fabricação ou no material, bem como erros na instalação, apenas potencializam os problemas.

Efeito da umidade, poluentes e do vento

Em presença de umidade, a combinação química de elementos ácidos existentes no ar, devido à poluição, podem provocar a deterioração dos materiais dos conectores, levando à corrosão e oxidação dos mesmos. Além disso, pós e poeiras podem aderir à superfície do conector, prejudicando a dissipação térmica. As conexões tipo aperto são em geral bemsuscetíveis à ação nociva do meio ambiente, devido à sua concepção de projeto, com muitas reentrâncias e saliências no corpo dos conectores (CEMIG, 1985).

Já as rajadas de vento produzem vibrações dos condutores e conectores associados, ocasionando afrouxamento e até a fadiga do material. Nos conectores de aperto, mesmo com a existência de arruelas de pressão, essas frequentemente não conseguem impedir o afrouxamento de maneira satisfatória.

Efeito da variação da temperatura de trabalho

Com a variação cíclica da temperatura do conector, ocorrem a dilatação e contração dos materiais do condutor e do conector, tanto radial quanto axialmente, fazendo com que as superfícies se reacomodem, rompendo e oxidando os pontos de contato estabelecidos. Frequentemente, refletem no aumento da resistência elétrica e, consequentemente, na temperatura de operação, realimentando o processo de degradação (BINGHAM et al., 1988). A correta instalação de conectores deve criar pressão interna suficiente para prevenir a movimentação destes pontos de contato.

Mesmo quando operados em baixos carregamentos elétricos e temperaturas (dilatação e contração desprezíveis), os agentes oxidativos e corrosivos atacam constantemente as periferias de cada ponto de contato individual por um processo de difusão, que provoca o crescimento da película de óxido isolante em direção ao interior do ponto de contato (BRYANT; JIN, 1991; VISLENEV; KUZMIN, 1990). Este crescimento leva à redução gradativa da área metálica, fazendo com que a resistência de constrição seja cada vez maior. Eventualmente, o óxido cobrirá toda a área disponível, suprimindo aquele ponto de contato (Figura 5.5).

Figura 5.5: Esquematização da difusão do óxido dentro área de contato entre dois metais. Fonte: Adaptado de Bryant e Jin (1991)

A maioria dos conectores de alumínio (particularmente os à compressão) emprega um composto viscoso na interface conector-condutor, chamado de pasta anti-oxidação. O principal propósito é criar uma barreira que impeça a penetração de umidade e contaminantes. Numerosas excursões em altas temperaturas podem degradar o composto interfacial através da sua evaporação ou expulsão do interior da interface. O resíduo da evaporação não é capaz de preencher os espaços, deixando livre o caminho para a entrada de umidade. A presença de umidade e contaminantes na junção vai acelerar o processo de envelhecimento do conector e reduzir sua vida útil (CEMIG, 1985).

5.3.3 Reparo em Conectores

O reparo de conectores sob falha, onde houve o rompimento do condutor, envolve a remoção do conector e o trecho de condutor recozido, a limpeza cuidadosa das extremidades não afetadas do condutor e a instalação de novos conectores. Quando conectores são encontrados em falha mas não houve ainda rompimento do condutor (normalmente com o uso de algum dispositivo de termovisão), o reparo será o mesmo que no caso de condutor rompido (remoção do conector falhado e instalação de novo conector) para os tipos à compressão. As conexões aparafusadas podem ser reaproveitadas em muitos casos.