Quando você olha para uma linha de energia, provavelmente ela é feita de alumínio, embora em laboratório o cobre seja um condutor melhor. O fator determinante para o uso do alumínio não é a eletricidade, mas o peso, a extensão dos vãos e o preço. Este artigo descreve os usos de cada material, explica por que o alumínio já prevaleceu sobre o cobre no caso das linhas de transmissão aéreas, mas ainda compete com ele na transmissão subterrânea e em equipamentos de manobra, e descreve o que isso implica nos pontos de terminação da linha.
Resposta curta: A maior quantidade de transmissão de energia elétrica aérea é conduzida por fios de alumínio, pois eles representam mais de 90% dos fios importados para transmissão de energia. Os fios de alumínio usados para transmissão de energia elétrica são comumente conhecidos como ACSR, que se refere a fio de alumínio com núcleo de aço. Fios de cobre são usados em casos onde o espaço e a confiabilidade das conexões devem ser preferidos ao peso do fio, como em instalações de cabos, barramentos, motores e transformadores. O alumínio transmite apenas 61% da eletricidade que o cobre e seu custo é cerca de 25-30% do custo do cobre, ainda assim pesa 70% menos que o cobre, o que significa que um fio de alumínio com a mesma resistividade que o cobre pesa aproximadamente metade, pois tem a mesma resistência elétrica que o fio de cobre e é um pouco maior em diâmetro.
Os números que resolvem a discussão
Os dois metais se destacam na condução de eletricidade, mas a diferença é muito menor do que a maioria das pessoas pensa quando não estamos comparando fios do mesmo tamanho, mas fios de capacidade igual. O cobre é vencedor porque é mais volumétrico; o cobre pode transportar mais eletricidade para um fio da mesma área. O alumínio é vencedor graças ao seu peso específico; é significativamente mais leve e muito mais barato para a mesma condutância.
| Propriedade a 20 °C | Cobre estirado a frio | Alumínio estirado a frio | Aço galvanizado |
|---|---|---|---|
| Resistividade (×10-8 Ω·m) | 1.72 | 2.83 | aprox. 14 |
| Condutividade (1% IACS) | 97 (cobre recozido 100) | 61 | aprox. 12 |
| Densidade (kg/m³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Resistência à tração máxima (MPa) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Coeficiente de temperatura (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Custo relativo do material (indicativo 2026) | USD 8.800-11.000 por tonelada | USD 2.400-3.200 por tonelada | Dependente da aplicação |
Em termos de engenharia, as implicações ficam claras. Quando se trata de resistência elétrica, o alumínio tem aproximadamente 1,6 vezes mais área superficial que o cobre, que é aproximadamente 1,28 vezes mais largo que o cobre. No entanto, apesar do tamanho deste condutor, ele pesa apenas cerca de metade. Além disso, como os preços das matérias-primas para produção de alumínio são significativamente mais baixos que os do cobre, um condutor de alumínio do mesmo tamanho custa aproximadamente 35-50% do seu equivalente em cobre e também é 52% mais leve por si só.
Enquanto isso, o alumínio tem uma grande desvantagem em termos mecânicos. Sua resistência à tração é quase metade da do cobre. Além disso, apresenta desvantagens sob carga prolongada, sofrendo alongamento.
Por que o alumínio venceu na linha aérea
Ao dividir as duas responsabilidades, o problema desaparece completamente. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) consiste em fios de alumínio na parte externa e um núcleo de aço e aço galvanizado no interior. O núcleo de aço mantém a tensão enquanto o alumínio é responsável por conduzir a corrente. O aço praticamente não desempenha papel do ponto de vista elétrico, pois está localizado no núcleo do condutor, com sua densidade de corrente sendo a mais baixa neste tipo de condutor. O condutor é designado como 54/7, o que significa que há 54 fios de alumínio ao redor das 7 cordas do núcleo de aço.
Quando o condutor é feito leve, a construção de todo o sistema de transmissão fica mais barata. Fios mais leves permitem vãos maiores entre os postes, o que significa menos postes, fundações menores e menos terreno desmatado. De acordo com várias estimativas da indústria, a economia para a infraestrutura quando sistemas totalmente de cobre são usados pode chegar a 20-40%. Em linhas mais longas, essa vantagem supera todos os cálculos de eficiência de condutividade.
Há outro bônus a ser considerado. Como o design de condutores AC de resistência igual é cerca de 28% mais largo em diâmetro, a carga elétrica é distribuída na superfície de forma mais uniforme e o efeito de descarga corona é reduzido. O que parece ser um excesso de tamanho no local de construção torna-se um bom bônus no nível de tensão de 400 kV.
| Condutor | Construção | Fonte de resistência | Onde é utilizado |
|---|---|---|---|
| AAC | Cordas totalmente de alumínio | Somente alumínio | Vãos curtos, barramento de subestação, distribuição urbana |
| AAAC | Cordas de liga de alumínio-magnésio-silício | Liga | Atmosferas costeiras e industriais; sem corrosão bimetálica |
| ACSR | Alumínio sobre núcleo de aço galvanizado | Núcleo de aço | O padrão para transmissão aérea mundialmente |
| ACAR | Alumínio sobre cordas de liga de alumínio | Núcleo de liga | Rotas sensíveis à corrosão que necessitam de mais resistência que AAC |
| ACSS | Alumínio recozido sobre núcleo de alta resistência | Núcleo, essencialmente todo ele | Aumento de capacidade em faixa de servidão existente; alta temperatura de operação |
Onde o cobre ainda vence, e por quê
O cabo subterrâneo é o último bastião do cobre na indústria de cabos, e a razão para isso é a questão do espaço. Uma vala, duto ou bandeja de cabos tem um espaço predeterminado, e qualquer milímetro quadrado extra do condutor precisa ser justificado pelos esforços de escavação, dutos e puxamento. Onde houver necessidade de uma seção transversal grande, a condutividade do cobre vence a competição. O uso subaquático cria mais uma justificativa para o uso do cobre: construção robusta para longos trechos sem suporte e nos pontos de entrada onde o cabo é puxado.
Em dispositivos elétricos, o quadro é ainda mais claro. Barramentos, enrolamentos de motores e transformadores, bobinas de contatores, fios de controle são todos feitos de cobre, já que a carcaça tem um tamanho fixo, e a qualidade da conexão se manifesta mais do que o preço do metal. Um barramento elétrico de 3.200 A feito de cobre deve ter uma seção cerca de 1,6 vezes menor do que a feita de alumínio, que normalmente não cabe. A tração CC (terceiro trilho do metrô e sistemas aéreos, fornos de arco, plantas eletrolíticas) permanece com cobre pelo mesmo propósito.
Depois há o argumento da conversão: qualquer sistema atual construído em cobre não pode ser convertido em alumínio sem alterar todas as premissas relativas à ampacidade, classificações de falha e configurações de proteção ao mesmo tempo.
Os modos de falha que deram má fama ao alumínio
O alumínio ganhou uma má reputação que ele em grande parte merece — mas não é culpa do material. Durante um período de custos de cobre sem precedentes, assumiu-se que as mesmas tecnologias, dispositivos e valores de torque usados no cobre também funcionariam ao usar alumínio em residências na América do Norte. Três propriedades influenciaram a situação.
Primeiro, o alumínio reage com o oxigênio e forma uma camada de óxido, que é um material isolante com ponto de fusão em torno de 2.072 °C; portanto, é bom para resistência à corrosão e não é adequado para terminais de parafuso. Em segundo lugar, o alumínio se expande significativamente mais que o cobre durante ciclos térmicos; portanto, a conexão feita ficará frouxa após um grande número de ciclos térmicos. Em terceiro lugar, como o alumínio é anódico em relação ao cobre, a presença de umidade causa corrosão galvânica do contato sempre que há contato direto entre os dois metais.
Todos esses problemas levam a uma falha clássica: uma tomada que aquece o suficiente para desenvolver arcos. As soluções para tornar a fiação moderna de alumínio segura são compostos inibidores de óxido aplicados diretamente nas conexões, dispositivos com classificação CO/ALR usados especialmente para condutores de alumínio, conexões de transição bimetálicas entre cobre e alumínio, bem como valores de torque calculados e considerados em relação às propriedades de expansão do alumínio.
Para qualquer pessoa que trabalhe em circuitos ramificados de alumínio existentes, o diagnóstico é calor em vez de aparência. Uma terminação que começou a falhar geralmente mostrará isolamento descolorido, um dispositivo queimado ou disparos intempestivos muito antes de falhar completamente, e a mesma impressão digital — aquecimento sob carga leve, seguido de disparos sem sentido — é como você detecta um disjuntor que falhou na outra extremidade do circuito.
Correspondência do condutor à classe de tensão
A forma como a energia é transmitida muda conforme a tensão de transmissão varia, e a mudança é causada pela geometria e não pela economia. Acima de aproximadamente 220 kV, as linhas carregam mais de um condutor por fase, e a mesma lógica que governa a diferença entre alta tensão e baixa tensão o projeto decide quantos. Uma linha de 400 kV normalmente opera com dois ou quatro subcondutores por fase em um feixe, em vez de um condutor muito grande.
A mudança na transmissão de energia está relacionada à indutância e aos efeitos corona. A indutância de uma linha de energia é determinada apenas pelo raio físico do fio, e o aumento do raio de um único fio não tem muita influência na indutância. Para torná-la eficaz, os fios são agrupados em vários fios menores, portanto, o raio efetivo aumenta com o número de fios, mantendo o campo elétrico na superfície baixo o suficiente para evitar o corona. Assim, o conteúdo de alumínio nos fios cresce com a tensão, e o projeto dos fios é feito antecipadamente, portanto, não depende do fabricante.
| Nome do código ACSR | Torção Al / aço | Diâmetro total | Resistência DC a 20 °C | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Cão | 6/4.72 + 7/1.57 | 14,15 mm | 0,2745 Ω/km | Linhas de 33-66 kV |
| Pantera | 30/3.00 + 7/3.00 | 21,00 mm | 0,1390 Ω/km | Linhas de 132 kV |
| Zebra | 54/3.18 + 7/3.18 | 28,62 mm | 0,0688 Ω/km | 220 kV e 400 kV, agrupados |
| Alce | 54/3.53 + 7/3.53 | 31,77 mm | 0,0561 Ω/km | 400 kV, feixe duplo ou quádruplo |
Esses nomes são derivados de catálogos nacionais de condutores, enquanto os números que seguem — incluindo diâmetro, torção, resistência e raio médio geométrico — são considerações chave no projeto de uma linha. O primeiro aspecto referente à substância do condutor é resolvido muito antes da revisão da tabela de condutores.
Ampacidade, temperatura e classificações de terminais
A menor condutividade do alumínio se estende também às tabelas de ampacidade. Com o mesmo tamanho de condutor, o alumínio é capaz de conduzir cerca de 78-80% da ampacidade do cobre na mesma classificação de temperatura para isolamento. Por exemplo, um condutor 1/0 classificado para 75 °C apresenta uma ampacidade de 150 A em cobre e uma ampacidade de 120 A em alumínio. Para alcançar o mesmo nível de ampacidade, é necessário usar um condutor maior — a regra geral é usar um condutor com dois tamanhos AWG maiores do que o de cobre. No final, isso traz a questão do espaço — o condutor de alumínio que conduz a corrente requerida necessita de tamanhos diferentes de eletrodutos, terminais diferentes e mais espaço no painel.
Dois detalhes no código criam a maioria dos casos de erros no campo. O primeiro é o fato de que a ampacidade depende das classificações de temperatura da fiação e das terminações. Um condutor isolado a 90 °C conectado a um terminal classificado para 75 °C só pode ser usado na figura inferior, a menos que o conjunto seja listado de outra forma, e essa listagem é exatamente o que um disjuntor moldado UL 489 declara em sua classificação de temperatura do terminal, e não em sua literatura de marketing. O segundo detalhe é que as conexões de alumínio devem ser feitas usando conectores listados como adequados para fiação de alumínio, utilizando o torque mencionado e o inibidor de óxido conforme as especificações do fabricante do conector.
O que isso significa para equipamentos de manobra e terminações
Nesta etapa, a decisão tomada pelo condutor não é mais uma decisão sobre o fio, mas sim sobre o equipamento de manobra. O uso de alimentadores de alumínio exige que cada peça de equipamento conectada aos fios seja classificada tanto para alumínio quanto para cobre; o equipamento de terminação deve ser bimetálico, envolvendo uma conexão de alumínio e cobre sempre que o alumínio for usado com cobre.
A linha de fabricação da HUYU produz componentes como MCBs, MCCBs, disjuntores a ar, contatores, relés, transformadores de corrente, dispositivos de proteção contra surtos, chaves de transferência automáticas e caixas combinadoras para PV. Não produzimos fios, portanto não consideramos ser nossa responsabilidade fazer a escolha entre alumínio e cobre. O que fazemos é fornecer equipamentos cujos terminais são classificados para ambos, com os dados de torque e faixa de condutores publicados — um trilho DIN O que diferencia este sofisticado é apenas um dispositivo de 63 A na medida em que seus terminais aceitam o condutor que você conecta a ele.
Como aprendemos com nossa experiência com falhas no campo, é importante lembrar que sempre que um alimentador muda de material durante um percurso, a junção dessa mudança deve estar em um terminal designado ou em um conector bimetálico — nunca no meio do percurso com um parafuso dividido e um pedaço de fita.
Como decidir em um projeto real
| Aplicação | Material | Motivo |
|---|---|---|
| Transmissão e distribuição aérea | Alumínio (ACSR / AAAC) | Peso, comprimento do vão, custo da torre, diâmetro e corona |
| Cabo subterrâneo e submarino | Cobre, às vezes alumínio para baixa tensão grande | Seção transversal é cara; robustez nos pontos de aterragem |
| Barramentos de equipamentos de manobra e fiação de controle | Cobre | Volume fixo do invólucro; confiabilidade da conexão |
| Enrolamentos de motor e transformador | Cobre; alumínio em unidades de distribuição orientadas a custo | Espaço para enrolamento, perdas, dissipação de calor |
| Alimentadores de edifícios, circuitos maiores | Alumínio para tamanho e custo; cobre para rotas apertadas | Compromisso entre custo do metal e espaço do eletroduto |
| Instalações existentes | Compatibilizar com o que já existe | Evitar estudos de reclassificação e terminações de metais mistos |
Decisões em nível de sistema frequentemente levam a resposta um passo adiante. Em um grande site industrial, o material do condutor interage com a arquitetura de distribuição — quantos transformadores, quão longas são as linhas de média tensão, quanto equipamento de manobra de média tensão — por isso sistemas de distribuição em escala empresarial são projetados como um todo em vez de condutor por condutor, e por que otimizar a arquitetura geralmente economiza mais do que a troca do metal.
FAQ
Alumínio ou cobre: qual é melhor para transmissão de energia?
O alumínio é preferido para linhas aéreas por um fator enorme, com mais de 90% da rede global empregando seu uso. O cobre é mais adequado para linhas subterrâneas, equipamentos ou situações onde a seção transversal é predeterminada. Ambos têm suas vantagens; a questão é qual restrição se aplica à situação em questão.
Por que o alumínio é usado em vez do cobre em linhas aéreas?
Isso ocorre porque um condutor de alumínio com a mesma resistência pesa aproximadamente metade e custa cerca de 35-50% do preço do equivalente em cobre. O fato de o peso ser metade permite vãos mais longos e são necessárias mais torres e fundações menores para suportar adequadamente a estrutura.
É possível conectar fios de cobre e alumínio diretamente?
Evite usar em qualquer área úmida ou externa. O alumínio é eletropositivo em relação ao cobre, o que pode causar ação galvânica na presença de umidade na conexão. Portanto, certifique-se de usar conectores bimetálicos especiais projetados especificamente para os dois metais.
O fio de alumínio conduz menos corrente que o de cobre do mesmo tamanho?
De fato, normalmente a capacidade do cobre é cerca de 78 a 80 por cento para a mesma temperatura de isolamento. Se desejar a mesma corrente e tensão, será necessário usar cerca de dois tamanhos AWG maiores, o que exigirá condutores maiores e, portanto, tamanhos maiores de eletrodutos e terminais também.
O que é ACSR e por que existe o núcleo de aço?
O Condutor de Alumínio Reforçado com Aço (ACSR) é formado pela colocação de um núcleo de fio de aço no centro de várias camadas de fios de alumínio. O papel do aço é suportar a tensão que o alumínio estirado a frio não consegue gerenciar em vãos longos, enquanto o alumínio é responsável por conduzir a corrente elétrica. Como o aço está localizado na parte central do condutor, onde o espaço para a corrente elétrica é mínimo, quase nenhuma perda elétrica ocorre.
A fiação de alumínio em uma casa é perigosa?
Não necessariamente, mas requer instalação adequada dos dispositivos. Os erros que ocorreram nas décadas de 1960 e 1970 podem ser atribuídos ao uso de conectores de fio de alumínio com dispositivos que não eram classificados para tais condutores, mas foram utilizados sem a instalação apropriada ou torque correto. Atualmente, com o uso do composto inibidor de óxido, dispositivos classificados para CO/ALR, bem como dispositivos bimetálicos, o processo funciona corretamente e de forma eficiente sob a condição de que esses requisitos sejam cumpridos.
Referências
- NFPA — NFPA 70 Código Elétrico Nacional, Artigo 310 e Tabela 310.16
- ASTM — B230/B230M Especificação Padrão para Fio de Alumínio 1350 para Fins Elétricos
- ASTM — B232/B232M Condutores de Alumínio Estrandados Concêntricos, Reforçados com Aço Revestido (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Condutores elétricos estrandados aéreos de fio redondo concêntrico
- IEEE — IEEE 738 Padrão para Cálculo da Relação Corrente-Temperatura de Condutores Aéreos Nu
- UL Solutions — UL 486A-486B Conectores de fio e disjuntores moldados UL 489
- Copper Development Association — Dados comparativos entre condutores de cobre e alumínio
Conclusão
Quando se trata de transmissão de energia elétrica, o alumínio é o principal material utilizado nessa área há mais de muitas décadas. A razão para essa escolha é devido às vantagens do alumínio, que não possui propriedades superiores de condutividade, mas tem apenas metade do peso e custo menor, prolongando assim o comprimento dos vãos e reduzindo o número de torres necessárias. O núcleo de aço usado no ACSR tem sido responsável por eliminar a única desvantagem séria do alumínio. O cobre ainda é usado onde o peso é uma vantagem, nomeadamente em fiações subterrâneas e submarinas, bem como em enrolamentos e circuitos de controle. Independentemente do metal utilizado, o conector no final deve ser do tipo correto, assim como o inibidor e o nível de torque. A maioria das falhas ocorre não durante a operação do fio em si, mas nos pontos onde ele cruza metal.
