Gráfico de ampacidade do cobre: aplicações, critérios de seleção e orientações práticas

Um condutor de cobre 4/0 AWG aparece três vezes em um gráfico de ampacidade de cobre padrão: 195A a 60ºC, 230A a 75°C e 260A a 90°C. Todos os números estão corretos e nenhum deles é automaticamente o número que um projeto precisa. O valor que pertence a uma tabela de cabos é o mais baixo de três limites, ou seja, a ampacidade reduzida do condutor, a classificação de temperatura da terminação em que ele pousa e o efeito da temperatura ambiente e do agrupamento.

Essa é a resposta curta, e vale a pena afirmar antes de qualquer tabela: leia o gráfico de trás para frente a partir do componente mais fraco do circuito, aplique as correções e dimensione o resultado. Dimensionar diretamente a partir da coluna de 90 °C é como um projeto acaba sendo 20-30% otimista antes que alguém verifique a classificação estampada no terminal.

O que um gráfico de ampacidade de cobre realmente mede

Ampacidade é a corrente contínua máxima que um condutor pode transportar enquanto seu isolamento permanece dentro da temperatura nominal e envelhece a uma taxa previsível. É um limite térmico e não elétrico. Um condutor de cobre tem a mesma resistência a 10 A e a 200 A, mas o calor que gera aumenta com o quadrado da corrente, enquanto o calor que emite depende da área da superfície, do método de instalação e da temperatura ambiente.

Seis entradas movimentam o número na página: seção transversal em AWG, kcmil ou mm²; material condutor e grau de condutividade; classificação de temperatura de isolamento e jaqueta; método de instalação como ar livre, canaleta, bandeja ou duto enterrado; temperatura ambiente; e o número de condutores condutores de corrente compartilhando o mesmo invólucro. Mude qualquer um deles e o mesmo cobre poderá ser listado com vinte ou trinta amperes de diferença.

Duas convenções precisam ser verificadas antes de qualquer número ser citado. As tabelas AWG e kcmil geralmente assumem 30 °C no ar ambiente e um preenchimento de conduíte definido, enquanto as tabelas IEC podem assumir 30 °C no ar, mas 20 °C no solo, com diferentes fatores de agrupamento. Um valor de 25 mm² retirado de uma tabela IEC não se alinhará perfeitamente com uma lista AWG, porque 25 mm² fica entre 4 AWG em aproximadamente 21,2 mm² e 3 AWG em aproximadamente 26,7 mm². Misturar os dois sistemas em um único cronograma é uma fonte comum de confusão na fase de licitação.

Por que o mesmo cobre apresenta três ampacidades diferentes

As três colunas existem porque o isolamento falha numa curva de temperatura. Os compostos de PVC são normalmente classificados para 70 °C ou 75 °C, XLPE e EPR atingem 90 °C, e a coluna de 60 °C sobrevive principalmente para isolamento de borracha legado e para equipamentos marcados para terminações de 60 °C. Um condutor de 90 °C não é “melhor cobre”; é o mesmo cobre com isolamento que tolera mais calor antes de fragilizar ou deformar.

O segundo limite fica nas extremidades do cabo. Os blocos terminais, terminais e blocos do disjuntor são classificados separadamente, e a regra comum é que os circuitos acima de 100 A usem terminações de 75 °C, a menos que o equipamento esteja marcado de outra forma. Um cabo XLPE de 90 °C colocado em um terminal de 75 °C é, portanto, limitado ao valor de 75 °C, e o espaço térmico extra só se torna útil quando é consumido pela redução de capacidade.

Essa é a conclusão prática para o trabalho de especificação: escolha o produto de 90 °C pelo espaço livre que ele oferece em salas de fábrica quentes e bandejas lotadas, mas nunca apresente a coluna de 90 °C como a classificação do circuito sem confirmar a terminação. Quando os dois discordam, prevalece o número mais baixo, e a diferença muitas vezes explica por que dois fornecedores citam o mesmo cabo com reivindicações atuais suspeitamente diferentes.

Ampacidade do cobre por tamanho: onde a curva se curva

A ampacidade não aumenta com a seção transversal. Passar de 6 AWG para 500 kcmil multiplica a área do condutor por aproximadamente dezenove, mas a ampacidade a 90 °C aumenta apenas de 75 A para 430 A, um fator de cerca de 5,7. O calor deixa o condutor através de sua superfície, e a superfície cresce em diâmetro e não em área, de modo que cada milímetro quadrado adicional de cobre compra um pouco menos de corrente do que o anterior.

As barras são dimensionadas para 430 A. A lacuna visual entre as duas classificações diminui em termos absolutos à medida que o tamanho aumenta, e é por isso que as penalidades de redução prejudicam os condutores pequenos proporcionalmente mais do que os grandes.

Esta curva tem duas consequências práticas. Primeiro, vários condutores paralelos menores podem dissipar o calor melhor do que um condutor grande com a mesma área total, mas cada percurso paralelo atrai fatores de agrupamento e cada percurso precisa de seu próprio espaço de terminação. Em segundo lugar, a queda de tensão se comporta na direção oposta ao calor, de modo que longos percursos são geralmente impulsionados pela queda e não pela coluna de corrente, e um condutor que passa na verificação de ampacidade ainda pode falhar na verificação de queda por uma ampla margem.

Derating: as correções que alteram o número final

Os fatores de correção são onde os valores do gráfico se transformam em valores de projeto. A sequência abaixo é a que vale a pena seguir, utilizando um condutor de cobre 1/0 AWG XLPE como caixa trabalhada.

1. Comece pelo valor da tabela na classificação de isolamento: 170 A a 90 °C.
2. Aplique a correção ambiental. A 45 °C de ar, o fator para um condutor de 90 °C é de cerca de 0,87, dando aproximadamente 148 A.
3. Aplique o fator de agrupamento para o número de condutores carregados compartilhando a pista. Seis condutores normalmente usam 0,80, fornecendo aproximadamente 118 A.
4. Compare com o limite de terminação de 150 A a 75 °C. A rescisão não é a restrição vinculativa aqui.
5. Aplique a regra de carga contínua, que exige que o condutor tenha pelo menos 125% da carga contínua. A carga contínua utilizável cai para cerca de 94 A.

Execute o mesmo condutor em terminais de 60 °C e a imagem muda novamente: a tampa cai para 125 A e, após as mesmas correções, o circuito é limitado a aproximadamente 87 A. Um projetista que lesse apenas a coluna de 90 °C teria exagerado a capacidade em quase 100% antes das correções serem aplicadas e em cerca de 35% depois delas. Essa lacuna é o custo real de uma referência gráfica não verificada e é muito mais barato detectá-la no papel do que durante o comissionamento.

Ampacidade não é tudo para condutores de aterramento

Os condutores de aterramento têm tamanhos diferentes. O condutor de aterramento do equipamento é geralmente selecionado a partir de uma tabela baseada na classificação do dispositivo de sobrecorrente a montante, em vez de carregar a corrente: um dispositivo de 200 A exige cobre 6 AWG, 400 A para 3 AWG, 600 A para 1 AWG, e a escada continua subindo com a classificação do dispositivo. O gráfico de ampacidade diz muito pouco sobre essa seleção.

O que governa, em vez disso, é a resistência de curto prazo. A verificação adiabática é S = √(I²t) / k, onde S é a área do condutor em mm², I a corrente de falta em amperes, t o tempo de compensação em segundos e k uma constante de material e isolamento: cerca de 143 para cobre com isolamento de PVC e 176 para cobre com XLPE, retirado da IEC 60364-5-54. Portanto, um condutor de aterramento de cobre e PVC de 35 mm² absorve aproximadamente 5 kA por segundo. Tempos de eliminação mais longos ou níveis de falta mais elevados aumentam rapidamente a área, e é por isso que as configurações de proteção e o tamanho do condutor são sempre revisados ​​em conjunto.

A mesma lógica explica por que o hardware de aterramento é especificado pela resistência conjunta e pela resistência a curto-circuito, em vez de pela ampacidade contínua, e por que a questão da resistência subjacente merece sua própria revisão. A mecânica por trás dessa verificação é descrita nesta nota em quanta corrente os condutores de aterramento suportam durante uma falta , que combina bem com os valores do gráfico acima.

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Barras de cobre nu e condutores de cobre trançados se comportam de maneira diferente dos cabos isolados nestes cálculos. Um barramento não tem camisa limitando sua temperatura, mas as classificações publicadas das barras variam de 30 a 50% entre as fontes porque a orientação, o espaçamento, as condições do plenum e o aumento de temperatura permitido são diferentes. Ao comparar uma barra de 25 × 3 mm cotada em 250 A com uma cotada em 350 A, verifique a base de aumento de temperatura antes de assumir que alguma delas está errada.

O que colocar no pedido de compra

Como grande parte do gráfico depende do contexto, o documento de pedido deve conter os números que o fixam. Especifique o padrão do condutor (IEC 60228 classe 2 para cobre trançado ou ASTM B8 onde o dimensionamento imperial se aplica), a seção transversal nominal e a resistência CC máxima a 20 °C: 25 mm² de cobre não deve exceder cerca de 0,727 Ω/km e 95 mm² cerca de 0,193 Ω/km. Indique o tipo de isolamento e a classificação de temperatura, a classe de torção e o padrão que o certificado de teste seguirá.

Quando o aço revestido de cobre ou o alumínio revestido de cobre são propostos como substitutos, o grau é mais importante do que o diâmetro. O aço revestido de cobre é normalmente oferecido com condutividade IACS de 21%, 30% ou 40%, portanto, um grau de 40% transporta aproximadamente 40% da corrente do condutor de cobre sólido do mesmo tamanho. Um fornecedor que cita apenas “cobreado” sem o grau de condutividade não respondeu à pergunta.

As tolerâncias são o risco comercial silencioso. Um condutor fornecido 2% abaixo do diâmetro nominal perde cerca de 4% de sua seção transversal, o que aparece como uma pequena porcentagem de resistência extra e alguns graus extras de temperatura de funcionamento ao longo dos anos de serviço. Os calibradores em um condutor trançado não são confiáveis; pesar um comprimento medido ou medir a resistência em uma ponte resolve a discussão em minutos.

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Conectores flexíveis, tranças e jumpers merecem a mesma disciplina, uma vez que sua ampacidade é limitada pela junta e pelo terminal e não pelo próprio condutor. Os compradores que trabalham com uma lista de materiais geralmente vinculam esses itens à linha de condutores de aterramento, de modo que uma especificação cubra todo o caminho de aterramento; a linha de fios de aterramento de cobre é um ponto de referência útil ao consolidar esses itens de linha.

Verificações que vale a pena fazer antes de se comprometer

1. Confirme a classificação de temperatura de cada terminação do circuito, não apenas do cabo.
2. Registrar a temperatura ambiente de projeto e o número de condutores carregados por pista; ambos são necessários para justificar o valor reduzido.
3. Verifique se o gráfico que você está lendo é baseado em suposições métricas ou AWG e nunca interpole entre os dois sistemas.
4. Verifique o nível de falta e o tempo de eliminação dos condutores de aterramento e ligação, pois a ampacidade por si só não os dimensiona.
5. Solicite dados de resistência e grau de condutividade em qualquer alternativa revestida de cobre.

Um gráfico de ampacidade do cobre é um ponto de partida, não uma resposta. O número que sobrevive à revisão é aquele que foi cortado pelos limites ambientais, de agrupamento e de terminação e, em seguida, verificado em relação à resistência a falhas, onde o condutor está lá para proteger as pessoas em vez de transportar carga.