Guia de aplicação e seleção de cabos de média tensão para novos projetos de energia

Em projetos de energia eólica e solar, 35kV se estabeleceu como o nível de tensão padrão de fato para linhas coletoras. Mas especificar isso em um desenho é uma coisa – selecionar o cabo certo, do material do condutor ao tipo de isolamento, da estrutura de blindagem à classificação de retardante de chama, é uma decisão que afeta diretamente a segurança e a economia do projeto durante todo o ciclo de vida. Este guia percorre a lógica de seleção para cabos de média tensão de 35kV, aterrados em condições reais de projeto.

Por que 35kV se tornou a escolha certa para novos projetos de energia

A topologia elétrica de um típico parque eólico onshore ou planta solar fotovoltaica de grande escala segue um caminho consistente: a saída do gerador ou do conjunto (690V ou 10kV) passa primeiro por um transformador elevador local para atingir 35kV, depois viaja através de linhas coletoras até a subestação elevadora principal, onde é novamente amplificado para conexão à rede.

Três factores objectivos explicam porque é que 35kV se tornou a escolha principal para novos projectos energéticos na China, Ásia Central, Sudeste Asiático e outros mercados emergentes.

Primeiro, a distância de transmissão se ajusta. O raio de transmissão económico para sistemas de 35kV é de aproximadamente 5 a 15 quilómetros – uma boa correspondência para a área ocupada pela maioria dos parques eólicos onshore. Além de 15 quilômetros, as perdas na linha aumentam visivelmente e só então vale a pena considerar 66kV ou uma tensão mais alta.

Em segundo lugar, a cadeia de fornecimento de equipamentos está madura. Quadros de distribuição de 35kV, transformadores montados em almofadas, juntas de cabos e terminações são altamente padronizados nas cadeias de fornecimento nacionais e internacionais. Os prazos de entrega são curtos, as peças sobressalentes estão amplamente disponíveis e as equipes de campo já estão familiarizadas com o equipamento – uma vantagem de custo muitas vezes esquecida.

Terceiro, a vantagem da eficiência de transmissão em relação a 10kV é substancial – 3,5 vezes maior. Na mesma corrente, uma linha de 35kV fornece 3,5 vezes a potência de uma linha de 10kV (P = √3 × U × I). Em termos práticos: fornecendo a mesma potência, um circuito de 35kV consome apenas 28,6% da corrente exigida por um circuito de 10kV, e as perdas de linha (que aumentam com o quadrado da corrente) caem para aproximadamente 8% do nível de 10kV. Em comparação com 66kV, os custos dos equipamentos de manobra e dos transformadores normalmente são cerca de 40% mais elevados, e as exigências técnicas sobre as equipes de operação e manutenção são maiores – o que não é uma compensação econômica para projetos abaixo de 100 MW.

Para a grande maioria dos projetos eólicos onshore ou solares em escala de serviço público abaixo de 100 MW, 35 kV representa o ponto ideal para equilibrar o custo do equipamento, a complexidade da construção e as perdas operacionais.

Cinco dimensões de seleção: dividindo camada por camada

A seleção não consiste em copiar uma folha de especificações. Abaixo, trabalhando do condutor para fora, examinamos a lógica de cada camada funcional.

1. Material do condutor: Cobre vs. Alumínio

Este é o primeiro ponto de decisão em qualquer novo projeto energético.

O cobre tem uma condutividade de aproximadamente 58 MS/m, em comparação com aproximadamente 35 MS/m do alumínio. Na mesma seção transversal, um cabo com núcleo de cobre oferece maior capacidade de transporte de corrente e menor resistência CC. O cobre também supera o alumínio em resistência à fluência e à corrosão – o que significa que sob altas temperaturas ou ciclos de carga diários, as conexões de cobre são menos propensas a afrouxar e são mais estáveis a longo prazo.

O cobre é a melhor opção para níveis de tensão mais altos (≥35kV), cargas mais pesadas e circuitos principais onde a confiabilidade é fundamental. O alumínio oferece menor custo de material e menor peso, tornando-o mais econômico para transmissão de longa distância e seção transversal grande - mas requer terminais de transição cobre-alumínio adequados e controle rigoroso de torque durante a instalação.

Tomemos, por exemplo, um condutor de cobre de 3×150mm² especificado na IEC 60502-2:2014. A norma estabelece uma resistência DC máxima de 0,124Ω/km a 20°C. Em relatórios reais de testes de fábrica de um projeto de parque eólico no Uzbequistão, os valores medidos para as fases vermelha, amarela e verde foram 0,120, 0,121 e 0,120Ω/km, respectivamente – uma margem de aproximadamente 3,2% abaixo do limite padrão.

Para compradores de EPC, exigir que o fornecedor relate a resistência CC medida por fase no certificado de teste de fábrica é a maneira mais direta de verificar se a seção transversal do condutor não foi reduzida e se a pureza do material atende às especificações.

2. Isolamento: Por que o XLPE se tornou a escolha padrão

Para cabos de média tensão, a escolha de isolamento é essencialmente entre polietileno reticulado (XLPE) e cloreto de polivinila (PVC), com EPR (borracha de etileno propileno) aparecendo apenas em aplicações flexíveis especializadas.

XLPE oferece três vantagens principais.

Temperatura operacional mais alta. Os cabos isolados em XLPE têm uma temperatura operacional contínua de 90°C e uma classificação de temperatura de curto-circuito de 250°C, em comparação com 70°C e 160°C para PVC. Essa classificação térmica mais alta se traduz diretamente em cerca de 15 a 20% maior capacidade de transporte de corrente para a mesma seção transversal do condutor.

Menores perdas dielétricas. O XLPE tem uma constante dielétrica de aproximadamente 2,3, significativamente menor que 4–5 do PVC. Em altas tensões e em longas distâncias, a diferença nas perdas dielétricas torna-se substancial.

Maior resistência de isolamento. A resistividade volumétrica do XLPE é várias ordens de grandeza superior à do PVC e suas propriedades elétricas degradam-se muito menos quando expostas à umidade.

O indicador crítico de desempenho para a vida útil do isolamento XLPE é o nível de descarga parcial (PD). Quaisquer vazios ou impurezas dentro do isolamento podem gerar descargas minúsculas sob campos elétricos elevados. Com o tempo, essas descargas causam arborização elétrica e eventual avaria. A IEC 60502-2:2014 exige que a descarga parcial de 1,73U₀ não exceda 10pC para cabos de média tensão.

No projeto do Uzbequistão mencionado anteriormente, os valores de PD trifásicos mediram 4pC, 5pC e 5pC – apenas 40–50% do máximo do padrão. Dentro da mesma estrutura padrão, a produção em lote com valores de PD consistentemente baixos (constantemente abaixo de 5pC) é um forte indicador de controle estável do processo de reticulação e alta pureza da matéria-prima.

3. Blindagem: quando é necessária e quando pode ser omitida

A blindagem tem uma função: proteção mecânica. Nem toda instalação exige isso.

A armadura de fita de aço (designada pelo código "23" nas normas IEC) é adequada para enterramento direto ou instalações onde a pressão radial pode ser uma preocupação - compactação de aterro, risco de ultrapassagem de veículo e similares. A armadura de fio de aço (códigos "33" ou "43") é usada onde a tensão axial é um fator, como passagens verticais, instalações submarinas ou travessias de longo vão. Para novos projetos de energia onshore com linhas coletoras enterradas diretamente, a blindagem de fita de aço é o ajuste padrão.

Dois parâmetros são importantes na seleção da fita de aço: espessura nominal e taxa de sobreposição de lapidação. A IEC 60502-2:2014 especifica a espessura mínima da fita de aço com base no diâmetro do cabo sobre a base da armadura. Os compradores devem solicitar certificados de material e registros reais de medição de espessura do fornecedor. Para projetos em solos salinos ou com alta umidade, o aço galvanizado padrão pode ter margem de corrosão insuficiente – considere atualizar para um revestimento de zinco mais pesado ou adicionar uma camada de PVC extrudado sobre a fita para proteção composta.

A blindagem pode ser omitida quando o cabo passa inteiramente dentro de eletrocalhas, conduítes ou valas cobertas, onde danos mecânicos e ataque de roedores não são riscos.

4. Material da bainha e classificação retardante de chama: corresponda às condições, não exagere nas especificações

A bainha é a última defesa do cabo contra as agressões ambientais.

O revestimento de PVC (cloreto de polivinila) é econômico, oferece resistência adequada a ácidos, álcalis e óleos para aplicações externas típicas e fornece alguma resistência aos raios UV - tornando-o o material de revestimento mais amplamente utilizado para cabos de média tensão. O revestimento de PE (polietileno) oferece melhor resistência à umidade e resistência a baixas temperaturas, tornando-o preferível para aplicações submersas ou em solo congelado. O revestimento LSZH (baixo teor de fumaça e zero halogênio) não emite halogênios tóxicos quando queimado, tornando-o obrigatório para túneis, instalações internas e áreas ocupadas.

As classificações de retardadores de chama seguem o mesmo princípio: combinar a classificação com o risco real. FR-C (correspondente a GB/T 18380.33-36 ou IEC 60332-3-24) é apropriado para estações de campo em áreas abertas onde o risco de incêndio é real, mas a propagação do fogo é controlável. As classificações de classe A ou B são para galerias subterrâneas ou túneis onde vários cabos são instalados densamente. Se os códigos de incêndio do país anfitrião exigirem limites para a toxicidade dos gases de combustão, o revestimento LSZH torna-se obrigatório – normalmente adicionando cerca de 30% ao custo do material em comparação com o PVC.

5. Seção Transversal e Capacidade de Condução de Corrente: Três Fatores de Correção Frequentemente Negligenciados

O dimensionamento começa com o cálculo da corrente máxima de operação contínua e, em seguida, aplicando fatores de correção às tabelas de corrente padrão. Três correções são perdidas com mais frequência.

Temperatura ambiente. As classificações de corrente padrão são normalmente baseadas em uma temperatura ambiente de 25°C (ar) ou 15–20°C (solo). Onde a temperatura real do local se desvia da referência, a correção é necessária de acordo com a IEC 60287. Na Ásia Central, por exemplo, as temperaturas do solo no verão podem exceder 40°C – reduzindo a capacidade do cabo em aproximadamente 10–15%.

Vários cabos em paralelo. Quando vários cabos são instalados na mesma vala, a dissipação de calor fica prejudicada, sendo necessário um fator de correção de agrupamento.

Resistividade térmica do solo. O aterro arenoso ou rochoso tem maior resistividade térmica do que a argila, afetando diretamente a dissipação de calor do cabo.

Um erro de dimensionamento comum em novos projetos de energia: dimensionar a uma temperatura ambiente de 25°C durante a fase de projeto, enquanto o ambiente operacional real é consistentemente mais quente. O resultado é um cabo que funciona no limite térmico ou acima dele durante toda a sua vida útil, acelerando o envelhecimento do isolamento. A abordagem correta é exigir que o fornecedor forneça uma planilha de cálculo baseada nos parâmetros reais do local durante a fase de licitação – e não simplesmente citando tabelas de ampacidade em condições padrão.

Para o projeto eólico do Uzbequistão aqui referenciado, a seção transversal selecionada foi de 3×150mm², correspondente ao nível de tensão de 26/35kV. Sob as temperaturas ambientes e condições de instalação do local, a margem de ampacidade foi suficiente para atender ao perfil de carga especificado pelo instituto de design.

Testes de fábrica: três verificações que nenhum comprador EPC deve ignorar

O relatório de teste de fábrica é a evidência mais direta da qualidade do cabo. Esses três testes são obrigatórios – nenhum pode ser omitido.

Resistência DC do condutor. Isso verifica se a seção transversal e a condutividade reais atendem às especificações. Cada fase é medida a 20°C e os valores medidos não devem exceder os limites da Tabela 2 da IEC 60502-2:2014 para a seção transversal e material especificados. Se o relatório de teste de um fornecedor omitir este item, ou incluí-lo, mas nunca indicar a margem, os compradores devem estar alertas – a redução do diâmetro do condutor ou o uso de cobre/alumínio reciclado de baixa qualidade são práticas comuns entre os fabricantes de baixo custo.

Teste de descarga parcial. Esta é uma medida direta da pureza do isolamento e do controle do processo. A tensão de teste é 1,73U₀, com 10pC como limite de aceitação. Para classes de 35kV, valores de PD medidos consistentemente abaixo de 5pC indicam reticulação estável e materiais limpos; ampla variação entre lotes ou valores próximos do limite de 10pC sugerem controle de processo inconsistente.

Teste de resistência à tensão CA. Esta é a verificação final da integridade geral do isolamento. Em testes padrão de fábrica, os cabos de 35 kV são submetidos a 65 kV CA por 30 minutos – nenhuma quebra é o critério de aprovação. A IEC 60502-2:2014 também especifica um teste de resistência de 4U₀ por 4 horas na fase de teste de tipo – isso é realizado durante a qualificação do produto, não em todos os tambores.

Adaptações Ambientais para a Ásia Central e o Médio Oriente

Os novos projectos energéticos na Ásia Central e no Médio Oriente apresentam vários desafios ambientais que diferem acentuadamente daqueles nas planícies costeiras orientais da China. Três áreas requerem atenção especial durante a seleção.

Variações extremas de temperatura. A expansão e contração térmica cíclica colocam pressão nas terminações e juntas. A seleção deve incluir uma revisão dos dados de contração do isolamento do fornecedor e dos requisitos específicos para remoção da camada semicondutora e instalação do cone de tensão. Alguns projetos já mudaram para terminações pré-moldadas retráteis a frio em vez dos tradicionais tipos termorretráteis para reduzir o impacto da variabilidade da qualidade da instalação na adaptação à temperatura.

Areia, poeira e exposição aos raios UV. O revestimento de PVC acelera o envelhecimento sob luz solar prolongada – rachaduras na superfície e migração de plastificante são os sinais visíveis. Para lances de cabos acima do solo, especifique a espessura da bainha na extremidade superior da tolerância IEC ou adicione proteção mecânica/UV separada.

Solos salinos e alcalinos. Alguns locais de projetos na Ásia Central têm solos com pH baixo (abaixo de 6), que são notavelmente corrosivos para a armadura de fita de aço. As taxas de corrosão nesses solos podem ser duas a três vezes maiores que as dos solos neutros. As opções de mitigação incluem: especificar um revestimento galvanizado mais pesado (≥275g/m² por lado), adicionar uma camada de PE extrudado sobre a fita de aço para criar uma bainha composta ou incluir um requisito de teste de névoa salina (por exemplo, 240 horas sem ferrugem vermelha) na especificação técnica.

Fechando

Selecionar cabos de média tensão não é uma questão de extrair o número do modelo de um catálogo. Cobre ou alumínio dependem da densidade de carga e do orçamento. O XLPE para isolamento está amplamente estabelecido, mas os níveis de descarga parcial são o que separa o bom do médio. A blindagem – adicionar ou não, e em que quantidade – depende dos riscos mecânicos ao longo da rota do cabo. A classificação de retardante de chama segue o código de incêndio local, e não o grau mais alto disponível. E o dimensionamento da seção transversal deve ser baseado no ambiente real do local, com fatores de correção aplicados – e não em tabelas de ampacidade de condições padrão.

Por trás de cada linha de coletores de 35kV de bom desempenho está um conjunto de parâmetros técnicos que foram adaptados, item por item, às condições específicas do projeto.

Os dados técnicos e resultados de testes mencionados neste artigo são derivados de relatórios de testes de fábrica reais (executados de acordo com IEC 60502-2:2014) para o fornecimento da Zhongdong Cable Manufacturing Co., Ltd para um projeto de parque eólico onshore no Uzbequistão. Para obter assistência na seleção de cabos de média tensão para novos projetos de energia na Ásia Central, no Oriente Médio ou em outras regiões, os empreiteiros de EPC e os institutos de engenharia podem entrar em contato conosco para obter cálculos de dimensionamento específicos do projeto e cópias de relatórios de testes históricos.

Referências da norma neste artigo: IEC 60502-2:2014 Cabos de potência com isolamento extrudado e seus acessórios para tensões nominais de 1kV (Um=1,2kV) até 30kV (Um=36kV) – Parte 2: Cabos para tensões nominais de 6kV (Um=7,2kV) até 30kV (Um=36kV)