Cabos de Baixa Tensão Livres de Halogênio (LSZH) e Cabos Resistentes ao Fogo

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1. Identificação Normativa e Classificação Operacional

Os Cabos de Baixa Tensão Livres de Halogênios (LSZH - Low Smoke Zero Halogen) e os Cabos Resistentes ao Fogo de Alta Integridade (Fire-Resistant) constituem os condutores de missão crítica exigidos por normas internacionais e instruções técnicas do Corpo de Bombeiros para locais de grande afluência de público (estações de metrô, aeroportos, shopping centers, hospitais, data centers e túneis rodoviários). Em caso de sinistro térmico, o cabo convencional isolado em policloreto de vinila (PVC) queima liberando cloreto de hidrogênio gasoso ($\text{HCl}$), que reage com a umidade pulmonar gerando ácido clorídrico letal e fumaça preta opaca que cega as rotas de fuga. Em contraste, os cabos LSZH resistentes ao fogo utilizam compostos poliméricos hidratados associados a barreiras inorgânicas de fita de mica pura, garantindo a sobrevivência operacional dos sistemas de pressurização de escadas, exaustão de fumaça e bombas de incêndio a $950{}^{\circ }\text{C}$ por até 180 minutos.

Normas Técnicas Mandatórias

• ABNT NBR 13248: Cabos de potência e condutores isolados para tensões até $1\text{kV}$, com isolação extrudada e baixa emissão de fumaça e gases tóxicos e livres de halogênios.
• ABNT NBR 10300: Cabos de instrumentação com isolação extrudada termofixa ou termoplástica para tensões até $300\text{V}$ resistentes ao fogo.
• IEC 60331-21 / IEC 60331-1 / IEC 60331-2: Ensaios para cabos elétricos sob condições de fogo — Integridade do circuito (chama direta de $750{}^{\circ }\text{C}$ a $950{}^{\circ }\text{C}$ sob tensão nominal e impacto mecânico contínuo por 90 a 180 minutos).
• IEC 60332-3-22 (Categoria A) / NBR NM IEC 60332-3-22: Ensaio de queima vertical em feixe de cabos montados em escada de ensaio ($7\text{litros/m}$ de material combustível).
• IEC 60754-1 / IEC 60754-2: Ensaio sobre os gases desprendidos durante a combustão de materiais de cabos (determinação do teor de halogênios ácidos e medição da acidez por $\text{pH}>4.3$ e condutividade elétrica $<10\mu \text{S/mm}$).
• IEC 61034-1 / IEC 61034-2: Medição da densidade de fumaça emitida por cabos sob combustão controlada (cubo de ensaio de $3\text{m}\times 3\text{m}\times 3\text{m}$ com transmitância de luz $>60\%$).
• BS 6387 (Categorias C, W, Z): Padrão britânico de resistência ao fogo com choque mecânico e água sob pressão (Fire with Water Spray & Mechanical Shock).

Tabela Comparativa de Tecnologias de Cabos em Incêndio

Propriedade de Segurança	PVC Industrial Comum	Composto Retardante PVC Anti-Chama	Poliolefina Termoplástica LSZH	Cabo Resistente ao Fogo com Fita de Mica (Fire-Resistant)
Integridade de Circuito sob Fogo ($950{}^{\circ }\text{C}$)	Falha imediata ($<30\text{s}$) por curto-circuito	Falha rápida ($<60\text{s}$)	Falha em $1-3\text{min}$ após fusão polimérica	Mantém energização contínua por 180 min (IEC 60331)
Liberação de Gás Halógeno Ácido ($\text{HCl}$)	Massiva ($20\%-30\%$ do peso)	Alta ($15\%-25\%$)	Zero ($0.0\%$ - Isento)	Zero ($0.0\%$ - Isento)
pH dos Gases de Combustão	$\text{pH}<2.0$ (Ácido violento)	$\text{pH}<2.5$	$\text{pH}>4.3$ (Não corrosivo)	$\text{pH}>5.0$ (Totalmente inerte)
Transmitância Mínima de Luz (Fumaça)	$<15\%$ (Fumaça preta asfixiante)	$<25\%$	$>60\%$ (Fumaça clara translúcida)	$>70\%$ (Excelente visibilidade de fuga)
Temperatura Contínua Máxima	$70{}^{\circ }\text{C}$	$70{}^{\circ }\text{C}$ ou $105{}^{\circ }\text{C}$	$90{}^{\circ }\text{C}$ (XL-LSZH ou EPR)	$90{}^{\circ }\text{C}$ (Normal) / $950{}^{\circ }\text{C}$ (Incêndio)
Corrosividade a Placas Eletrônicas	Extrema (destrói CLPs e computadores)	Extrema	Desprezível	Nula
Aplicação Típica	Instalações residenciais secas	Indústria comum sem aglomeração	Áreas comuns de prédios públicos	Bombas de incêndio, exaustores, alarme de fogo

Simbologia Unifilar e Diagrama Estrutural em Camadas

graph LR
    subgraph Condutor de Força
        COND["① Cobre Flexível Classe 5 Têmpera Mole"]
    end

    subgraph Barreira Dielétrica Refratária
        COND --> MICA["② Fita de Mica Pura Enrolada Helicoidalmente (Resiste > 950°C)"]
        MICA --> XLPE["③ Isolação Primária Reticulada XL-LSZH / EPR (90°C)"]
    end

    subgraph Agrupamento e Proteção Mecânica
        XLPE --> VIDRO["④ Enchimento e Fita de Separação em Fibra de Vidro"]
        VIDRO --> SWA["⑤ Armadura Metálica de Fios de Aço Galvanizado (SWA)"]
        SWA --> CAPA["⑥ Cobertura Termoplástica LSZH Isenta de Halogênios"]
    end

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2. Aspecto Físico Externo e Corte Estrutural Transversal

O cabo de baixa tensão resistente ao fogo multipolar apresenta acabamento externo em poliolefina verde ou laranja de alta visibilidade gravado em baixo-relevo indelével com os certificados internacionais de fogo (IEC 60331 / NBR 13248). Sob a cobertura e a armadura metálica, cada condutor individual apresenta uma fita dourada brilhante de silicato de mica firmemente colada sobre os microfios de cobre.

Elementos Construtivos do Corte Transversal

• ① Condutor Flexível de Cobre Eletrolítico Classe 5: Encordoamento de microfios de cobre têmpera mole com pureza superior a $99.9\%$, conferindo raio de curvatura reduzido para rápida passagem em bandejas de cabos e eletrocalhas industriais.
• ② Barreira Dielétrica Inorgânica de Fita de Mica Pura: Camada de papel de mica muscovita ou flogopita ligada a tecido de vidro com adesivo de silicone, enrolada com sobreposição longitudinal mínima de $30\%-50\%$ diretamente sobre o cobre. Permanece intacta e isolante mesmo após a pirólise térmica total de todos os plásticos adjacentes.
• ③ Isolação Primária Polimérica Reticulada (XL-LSZH ou EPR $90{}^{\circ }\text{C}$): Camada responsável pelas propriedades dielétricas normais em regime contínuo, resistente a surtos de tensão transitórios e sobrecargas de até $130{}^{\circ }\text{C}$.
• ④ Enchimento e Fita Separadora de Fibra de Vidro: Matriz de enchimento termoplástica sem halogênios que preenche os interstícios entre as veias para garantir seção circular perfeita, envolta por fita de fibra de vidro incombustível.
• ⑤ Armadura de Fios de Aço Galvanizado (SWA - Steel Wire Armour): Coroa contínua de arames de aço de baixo carbono helicoidais que provê resistência mecânica contra esmagamento por desabamento de alvenaria em incêndios e esforços axiais de tração.
• ⑥ Cobertura Externa Termoplástica LSZH: Composto à base de copolímero de etileno acetato de vinila (EVA) aditivado com elevada concentração de hidróxido de alumínio (${\text{Al(OH)}}_3$ - ATH) ou hidróxido de magnésio (${\text{Mg(OH)}}_2$ - MDH), que absorve calor endotermicamente e libera apenas vapor d’água sob queima.

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3. Princípios Físicos de Operação e Termoquímica de Combustão

Termodinâmica do Retardamento Endotérmico por Tri-hidróxido de Alumínio (ATH)

A formulação dos polímeros LSZH substitui o cloro e o bromo por retardantes minerais hidratados. Quando o cabo é exposto à chama de um incêndio, o tri-hidróxido de alumínio (${\text{Al(OH)}}_3$) atinge sua temperatura de decomposição endotérmica entre $180{}^{\circ }\text{C}$ e $220{}^{\circ }\text{C}$:

$2{\text{Al(OH)}}_3\stackrel{\Delta H=+1051\text{kJ/kg}}{\to }{\text{Al}}_2{\text{O}}_3+3{\text{H}}_2{\text{O}}_{(g)}$

Esse processo físico-químico confere três defesas integradas:

1. Resfriamento Endotérmico: O calor absorvido pela reação ($\Delta H\approx 1051\text{J/g}$) rouba energia da frente de chama, reduzindo a temperatura da superfície polimérica abaixo da temperatura de ignição.
2. Diluição Gasosa: A liberação maciça de vapor d’água ($34.6\%$ da massa do mineral) dilui as concentrações de oxigênio (${\text{O}}_2$) e de radicais livres inflamáveis na vizinhança da queima.
3. Escudo de Alumina Vítrea: O óxido de alumínio residual (${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$) forma uma crosta cerâmica sólida e microporosa (Char Layer) sobre o cabo, que atua como barreira térmica contra a radiação infravermelha e retarda o transporte de massa de gases combustíveis para a chama.

Física do Silicato de Mica sob Altas Temperaturas ($950{}^{\circ }\text{C}$)

A mica muscovita é um filossilicato de alumínio e potássio hidratado de fórmula química:

${\text{KAl}}_2({\text{AlSi}}_3{\text{O}}_{10})(\text{OH}{)}_2$

Sua estrutura cristalina é composta por folhas tetraédricas de sílica (${\text{SiO}}_4$) intercaladas por camadas octaédricas de cátions de alumínio, unidas firmemente por forças iônicas e de van der Waals. Suas propriedades fundamentais sob incêndio são:

• Ponto de fusão superior a $1250{}^{\circ }\text{C}$.
• Perda de água de constituição apenas acima de $800{}^{\circ }\text{C}$, mantendo sua coesão mecânica em $950{}^{\circ }\text{C}$.
• Rigidez dielétrica em alta temperatura: mesmo quando a isolação polimérica externa se carboniza totalmente em cinzas condutivas, a fita de mica preserva uma rigidez dielétrica de: $E_{diel}\ge 1.5\text{kV/mm a }950{}^{\circ }\text{C}$

Dessa forma, a tensão elétrica de $0.6/1\text{kV}$ entre fases permanece isolada sem fechar arco elétrico, garantindo o funcionamento ininterrupto da instalação.

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4. Esquema de Aplicação: Circuito de Bomba de Incêndio (NR-10 / NBR 13714)

O diagrama unifilar abaixo ilustra a alimentação mandatória da Bomba Principal de Pressurização de Incêndio (Hidrantes e Sprinklers) segundo as instruções técnicas dos Corpos de Bombeiros, derivada antes do disjuntor geral da edificação e executada exclusivamente com cabo resistente ao fogo com barreira de mica.

graph TD
    subgraph Entrada da Concessionária e QGBT
        REDE["Entrada de Energia BT (380V/220V Trifásico)"] --> DISJ_GERAL["Disjuntor Geral da Edificação (Comum)"]
        REDE -->|Derivação Exclusiva Antes do Disjuntor Geral| DISJ_FOGO["Disjuntor Caixa Moldada da Bomba de Incêndio"]
        DISJ_FOGO --> CHAVE_TRANSF["Chave de Transferência Automática (Rede / Gerador)"]
        GERADOR["Grupo Moto-Gerador de Emergência (GMG)"] --> CHAVE_TRANSF
    end

    subgraph Rota Subterrânea / Garagem / Áreas de Risco (120 metros)
        CHAVE_TRANSF -->|Cabo Fire-Resistant 4x70 mm² com Fita de Mica| BANDEJA["Bandeja de Cabos com Rotação Corta-Fogo"]
        NOTA["Resiste a 950°C por 180 min - IEC 60331"]
    end

    subgraph Casa de Bombas de Incêndio Isolada
        BANDEJA --> PAINEL_BOMBA["Painel de Partida Suave / Soft-Starter da Bomba"]
        PAINEL_BOMBA --> MOTOR_BOMBA["Motor Trifásico da Bomba Principal de Incêndio 75 kW (100 cv)"]
        MOTOR_BOMBA --> REDE_HIDRANTES["Rede de Hidrantes e Bicos de Sprinkler Ativos"]
    end

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5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico Resolvido

Enunciado do Projeto Real

Dimensionar o alimentador de força trifásico ($380\text{V}$, $60\text{Hz}$) para alimentar a bomba de pressurização do sistema de combate a incêndio de um complexo aeroportuário internacional. O cabo percorre bandejas perfuradas no subsolo ao longo de garagens e áreas de tráfego de veículos pesados, com comprimento total de rota $L=120\text{m}$. A instalação deve cumprir a NBR 5410, NBR 13248, NBR 17240 e instruções técnicas do Corpo de Bombeiros (garantindo integridade operacional contínua durante sinistro de fogo).

Dados da Carga e da Rede:

1. Dados do Motor da Bomba de Incêndio:
   • Potência mecânica no eixo: $P_m=75\text{kW}$ ($100\text{cv}$)
   • Rendimento nominal: $\eta =94.5\%$ ($0.945$)
   • Fator de potência nominal: $\cos \phi =0.88$
   • Relação de corrente de partida: $I_p/I_n=7.2$
   • Método de partida: Chave Estrela-Triângulo com transição sob carga ou Soft-Starter parametrizada para limitação em $I_{partida}=3.5\times I_n$.
2. Requisitos Normativos de Queda de Tensão:
   • Queda de tensão máxima em regime permanente contínuo: $\Delta V_{perm}\le 4.0\%$ ($15.2\text{V}$)
   • Queda de tensão máxima transitória durante a partida do motor: $\Delta V_{part}\le 10.0\%$ ($38.0\text{V}$)
3. Condições da Instalação:
   • Método de instalação: Método E (Cabo multipolar em bandeja perfurada horizontal)
   • Temperatura ambiente de projeto no subsolo: ${\theta }_{amb}=40{}^{\circ }\text{C}$ (temperatura de referência da norma é $30{}^{\circ }\text{C}$)
   • Fator de agrupamento: Cabo instalado ao lado de outros 2 circuitos de emergência em camada única ($n=3$ circuitos)
4. Cabo Selecionado:
   • Cabo multipolar 4 condutores ($3\text{F}+\text{PE}$) de cobre flexível Classe 5, barreira de fita de mica, isolação XL-LSZH $90{}^{\circ }\text{C}$, armadura SWA e cobertura LSZH $0.6/1\text{kV}$.

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Passo 1: Cálculo da Corrente Nominal do Motor ($I_n$)

A potência elétrica ativa total consumida pelo motor é:

$P_{eletr}=\frac{P_m}{\eta }=\frac{75.000\text{W}}{0.945}\approx 79.365\text{W}(79.37\text{kW})$

A corrente nominal em linha ($I_n$) sob $U=380\text{V}$ e $\cos \phi =0.88$ é:

$I_n=\frac{P_{eletr}}{\sqrt{3}\cdot U\cdot \cos \phi }=\frac{79.365}{\sqrt{3}\times 380\times 0.88}=\frac{79.365}{1.732\times 334.4}=\frac{79.365}{579.18}\approx 137.03\text{A}$

Pela norma de incêndio, o circuito de bomba de incêndio não possui proteção por sobrecarga térmica (o motor deve trabalhar até a destruição física em combate a incêndio sem desarmar por sobrecarga). A capacidade de condução contínua do cabo deve ser dimensionada com sobrecapacidade mínima de $125\%$:

$I_{projeto}=1.25\times I_n=1.25\times 137.03\text{A}\approx 171.29\text{A}$

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Passo 2: Fatores de Correção Térmica e de Agrupamento

1. Fator de correção de temperatura ($k_{temp}$) para isolação XL-LSZH ($90{}^{\circ }\text{C}$) em ambiente a $40{}^{\circ }\text{C}$: $k_{temp}=\sqrt{\frac{90-40}{90-30}}=\sqrt{\frac{50}{60}}=\sqrt{0.8333}\approx 0.913$
2. Fator de correção por agrupamento de circuitos em bandeja perfurada ($k_{agrup}$): Para 3 circuitos multipolares instalados em camada única encostados: $k_{agrup}=0.820$

Fator de correção global ($F_C$):

$F_C=k_{temp}\cdot k_{agrup}=0.913\times 0.820\approx 0.749$

A capacidade de condução tabelada mínima ($I_0$) exigida a $30{}^{\circ }\text{C}$ é:

$I_0\ge \frac{I_{projeto}}{F_C}=\frac{171.29\text{A}}{0.749}\approx 228.69\text{A}$

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Passo 3: Seleção Preliminar pela Tabela de Ampacidade (NBR 13248 / NBR 5410)

Consultando a tabela de corrente para cabos com isolação de $90{}^{\circ }\text{C}$, 3 condutores carregados, Método E:

• Cabo $35{\text{mm}}^2$: $I_0=176\text{A}$ ($<228.7\text{A}\to \text{Reprovado}$)
• Cabo $50{\text{mm}}^2$: $I_0=216\text{A}$ ($<228.7\text{A}\to \text{Reprovado}$)
• Cabo $70{\text{mm}}^2$: $I_0=279\text{A}$ ($>228.7\text{A}\to \mathbf{Atende})⟹I_{z,real}=279\times 0.749=209.0\text{A}>171.3\text{A}$

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Passo 4: Verificação da Queda de Tensão em Regime Permanente ($70{\text{mm}}^2$)

Parâmetros do cabo de cobre flexível de $70{\text{mm}}^2$ a $90{}^{\circ }\text{C}$:

• Resistência elétrica em corrente alternada: $r=0.342\Omega /\text{km}=3.42\times 10^{-4}\Omega /\text{m}$
• Reatância indutiva média: $x=0.082\Omega /\text{km}=8.20\times 10^{-5}\Omega /\text{m}$
• Ângulo de carga nominal: $\cos \phi =0.88⟹\sin \phi =\sqrt{1-(0.88{)}^2}=\sqrt{0.2256}\approx 0.475$

A queda de tensão trifásica em regime para $L=120\text{m}$ e $I_n=137.03\text{A}$ é:

$\Delta V=\sqrt{3}\cdot I_n\cdot L\cdot (r\cdot \cos \phi +x\cdot \sin \phi )$

$\Delta V=\sqrt{3}\times 137.03\times 120\times \left[(3.42\times 10^{-4}\times 0.88)+(8.20\times 10^{-5}\times 0.475)\right]$

$\Delta V=28482.4\times [3.0096\times 10^{-4}+3.895\times 10^{-5}]=28482.4\times (3.399\times 10^{-4})\approx 9.68\text{V}$

Percentual de queda de tensão:

$\Delta V_{\%}=\frac{9.68\text{V}}{380\text{V}}\times 100\%=2.55\%(\le 4.0\%\to \mathbf{Aprovado}\mathbf{em}\mathbf{Regime})$

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Passo 5: Verificação da Queda de Tensão Transitória na Partida do Motor

Durante a partida com limitação de corrente por Soft-Starter em $3.5\times I_n$:

$I_{partida}=3.5\times 137.03\text{A}=479.61\text{A}$

Durante a partida, o fator de potência cai tipicamente para $\cos {\phi }_{part}\approx 0.35⟹\sin {\phi }_{part}=\sqrt{1-0.35^2}\approx 0.937$. Recalculando a impedância efetiva de partida:

$z_{part}=r\cdot \cos {\phi }_{part}+x\cdot \sin {\phi }_{part}=(3.42\times 10^{-4}\times 0.35)+(8.20\times 10^{-5}\times 0.937)$

$z_{part}=1.197\times 10^{-4}+7.683\times 10^{-5}=1.965\times 10^{-4}\Omega /\text{m}$

Calcula-se a queda de tensão na partida:

$\Delta V_{partida}=\sqrt{3}\cdot I_{partida}\cdot L\cdot z_{part}=\sqrt{3}\times 479.61\times 120\times (1.965\times 10^{-4})$

$\Delta V_{partida}=99684.8\times (1.965\times 10^{-4})\approx 19.59\text{V}$

Percentual de queda de tensão transitória na partida:

$\Delta V_{\%,partida}=\frac{19.59\text{V}}{380\text{V}}\times 100\%=5.16\%(\le 10.0\%\to \mathbf{Aprovado}\mathbf{com}\mathbf{Folga})$

(Conclusão de Engenharia: A tensão nos bornes da bomba durante a partida permanece em $94.84\%$ da nominal, garantindo torque de partida suficiente para acelerar a bomba sem risco de travamento ou oscilação de tensão).

Especificação Final: Cabo Multipolar Fire-Resistant $4\times 70{\text{mm}}^2$ Cu Flex Cl. 5 / Mica / XL-LSZH / SWA / LSZH $0.6/1\text{kV}$.

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6. Modos de Falha (FMEA), Diagnóstico e Manutenção

Modo de Falha	Causa Raiz Física	Efeito no Sistema	Detecção e Diagnóstico	Ação Preventiva / Mitigação
Curto-Circuito sob Incêndio Real ($<30\text{min}$)	Fita de mica rompida durante a instalação mecânica por tração excessiva no puxamento.	Falha elétrica prematura da bomba de incêndio; desabastecimento de hidrantes.	Ensaio destrutivo de amostragem em laboratório acreditado conforme IEC 60331-21.	Controle rigoroso da força de tração mecânica com dinamômetro e verificação de raio de curvatura $>12\times D_{ext}$.
Emissão Corrosiva de Cloro por Cabo Falso LSZH	Aquisição de cabos comerciais de baixo custo adulterados com resinas plásticas cloradas.	Asfixia rápida de pessoas na evacuação e corrosão irreversível de servidores e CLPs.	Ensaio químico de queima em tubo de quartzo com eletrodo de pH conforme IEC 60754-2.	Exigência de certificados de ensaio tipo de laboratórios independentes e teste in loco por ensaio Beilstein de chama verde.
Opacificação por Fumaça Densa em Rota de Fuga	Utilização inadvertida de cabos de PVC comum em poços de ventilação ou forros falsos.	Perda de visibilidade das placas de sinalização de saída de emergência ($<1\text{m}$).	Ensaio em câmara fotométrica de fumaça IEC 61034-2.	Substituição mandatória por cabos LSZH conformes à NBR 13248 em todas as rotas de fuga.
Fadiga Mecânica da Fita de Mica por Vibração	Conexão direta rígida nos bornes do motor da bomba sem barramento flexível ou laço de alívio.	Microfissuração da fita inorgânica de silicato de mica sob vibração contínua de $60\text{Hz}$.	Inspeção visual dos terminais e teste de resistência de isolamento periódico ($>100\text{M}\Omega$).	Utilização de terminais bimetálicos flexíveis e amarração com abraçadeiras de aço inox revestidas com polímero.
Absorção de Umidade com Queda de Rigidez	Extremidades do cabo deixadas desprotegidas em subsolo alagado antes da conectorização.	A fita de mica absorve umidade pelas bordas reduzindo a resistência de isolamento para $<1\text{M}\Omega$.	Medição com megômetro a $1000{\text{V}}_{cc}$ revelando fuga de corrente antes da energização.	Vedação imediata de pontas com capuzes termocontráteis com adesivo selante (End-Caps).

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Resumo de Engenharia Conforme Diretrizes:

• Termoquímica do retardamento endotérmico por ATH e física dielétrica de silicato de mica a $950{}^{\circ }\text{C}$ (IEC 60331-21).
• Parâmetros toxicológicos estritos de conformidade: ausência de halogênios ($\text{pH}>4.3$) e fumaça clara ($>60\%$ transmitância).
• Projeto elétrico completo de bomba de incêndio ($75\text{kW}$, $120\text{m}$) com verificação de ampacidade e queda de tensão em regime e partida.