Terminações e Muflas Termo e Contrátil a Frio para Cabos de Média Tensão

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1. Identificação Normativa e Classificação Operacional

As Terminações e Muflas para Cabos de Média Tensão constituem os acessórios primários indispensáveis para conectar cabos isolados unipolares ou tripolares a equipamentos de manobra e transformação (disjuntores de cubículos metal-clad, transformadores a seco/óleo, chaves seccionadoras e pórticos de subestações aéreas). Ao interromper a camada semicondutora externa e a blindagem metálica de aterramento do cabo para expor o condutor vivo, gera-se uma descontinuidade eletrostática extrema na borda de corte, onde as linhas equipotenciais se aglomeram com intensidades de campo elétrico superiores a $6\text{kV/mm}$. A mufla tem a função física primordial de refratar e redistribuir suavemente esse campo eletrostático, além de prover isolamento superficial com elevada distância de escoamento (creepage distance) e selagem hermética contra umidade e névoa salina.

Normas Técnicas Aplicáveis

• ABNT NBR 9314: Emendas e terminações para cabos de potência com isolação extrudada para tensões de $1.0\text{kV}$ a $35\text{kV}$ — Requisitos de desempenho e métodos de ensaio.
• IEC 60502-4: Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from $1\text{kV}$ up to $30\text{kV}$ — Part 4: Test requirements on accessories for cables with rated voltages from $6\text{kV}$ up to $30\text{kV}$.
• IEEE Std 48: Standard for Test Procedures and Requirements for Alternating-Current Cable Terminations Used on Shielded Cables Having Laminated or Extruded Insulation Rated $2.5\text{kV}$ through $765\text{kV}$ (Classificação em Classe 1, Classe 2 e Classe 3).
• IEC 60815 (Séries 1 e 3): Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions — Part 3: Polymer insulators for a.c. systems (cálculo de distância de escoamento específica unificada USCD).
• IEC 60270: High-voltage test techniques — Partial discharge measurements (ensaio de descargas parciais $\le 5\text{pC}$ sob $1.73U_0$).

Tabela Comparativa de Tecnologias de Terminação de Média Tensão

Parâmetro Técnico	Mufla de Porcelana com Óleo (Legado)	Terminação Termocontrátil (Heat-Shrink)	Terminação Contrátil a Frio (Cold-Shrink)	Terminação Conectável Plug-In (Separable Connector)
Princípio de Aplicação	Montagem com resina/óleo e gaxetas	Retração por aquecimento a maçarico a gás	Retração elástica por remoção de espiral plástica	Conexão macho/fêmea em bucha de transformador
Material do Corpo Isolante	Porcelana vitrificada C-130	Poliolefina reticulada termocontrátil	Borracha de silicone líquida (LSR) de alta memória	Borracha EPDM condutiva/isolante
Método de Controle de Campo	Cone de estresse mecânico enrolado	Tubo de alta permissividade termoencolhível	Tubo de alta permissividade integrado expandido	Cone de alívio geométrico de EPDM condutivo
Risco de Erro de Montagem	Muito Alto (vazamentos de óleo)	Alto (risco de superaquecer ou não fundir adesivo)	Mínimo (pressão mecânica radial constante e automática)	Mínimo (encaixe pré-moldado padronizado)
Tempo Típico de Instalação	$4-6\text{horas}$	$45-60\text{minutos}$	$15-20\text{minutos}$	$25-30\text{minutos}$
Comportamento Hidrofóbico	Perde hidrofobicidade com poluição	Moderado (requer saias adicionais)	Excepcional (o silicone transfere hidrofobicidade à sujeira)	Não exposto ao ar (totalmente submerso/blindado)
Vibração e Ciclagem Térmica	Suscetível a trincas	Pode afrouxar com o tempo	Excelente (acompanha dilatação térmica do cabo)	Excelente

Simbologia Unifilar e Diagrama de Blocos de uma Mufla Classe 1

graph TD
    subgraph Cabo de Média Tensão Preparado
        CABO["Cabo XLPE/EPR com Capa Externa e Fita Cu Decapadas"]
        CORTE_SEMI["Borda de Corte da Camada Semicondutora Externa (Ponto Crítico)"]
        COND_NU["Condutor Desencapado na Extremidade"]
    end

    subgraph Elementos Internos da Mufla Contrátil a Frio
        CORTE_SEMI --> STRESS["Tubo de Controle Refrativo de Campo (εr ≥ 15)"]
        STRESS --> MASTIC["Mastique de Vedação e Bloqueio de Umidade"]
        MASTIC --> CORPO_SIL["Corpo Tubular de Silicone com Saias (Sheds)"]
        CABO --> SPRING["Mola de Força Constante de Aço Inox (Fixação Cordoalha Cu)"]
    end

    subgraph Conexão Externa de Potência e Terra
        COND_NU --> LUG["Terminal Bimetálico com Parafuso Fusível (Shear Bolt)"]
        LUG --> BARRAMENTO["Barramento de Média Tensão (Chaveadora / Transformador)"]
        SPRING --> TERRA["Cordoalha Estanhada Ligada à Malha de Aterramento"]
    end

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2. Aspecto Físico Externo e Corte Estrutural Transversal

A terminação contrátil a frio (Cold Shrink) é fornecida pré-expandida de fábrica sobre um núcleo espiral de polipropileno descartável. Durante a instalação em campo, o operador simplesmente posiciona o conjunto sobre o cabo preparado e puxa o anel plástico do núcleo, fazendo com que o corpo de silicone se contraia elasticamente com pressão radial uniforme e permanente sobre a isolação do cabo.

Elementos Construtivos do Corte Transversal

• ① Terminal Bimetálico de Compressão ou com Parafuso Fusível (Shear Bolt Lug): Terminal metálico estanhado com palma furada para fixação em buchas e barril dotado de parafusos com cabeça de cisalhamento que rompem no torque ótimo sem necessidade de prensa hidráulica.
• ② Corpo Elastomérico de Borracha de Silicone com Saias (Sheds): Invólucro externo resistente a raios ultravioleta, ozônio e descargas de corona, com saias aerodinâmicas inclinadas que aumentam a distância de escoamento superficial em ambientes úmidos e poluídos.
• ③ Tubo de Alívio e Controle de Campo Elétrico de Alta Permissividade (${\epsilon }_r\ge 15$): Camada elastomérica formulada com cargas inorgânicas especiais (titânio ou óxidos metálicos) que apresenta constante dielétrica elevada, posicionada exatamente sobre a borda de corte da semicondutora externa.
• ④ Mola de Pressão Constante com Cordoalha de Aterramento: Mola espiralada de fita de aço inoxidável austenítico que mantém a cordoalha de cobre trançada estanhada pressionada firmemente contra a blindagem de fita de cobre do cabo sem necessidade de solda a chama.
• ⑤ Mastique de Vedação e Preenchimento Anti-Umidade: Composto elastomérico mastique hidrofóbico moldável que preenche os degraus mecânicos e sela as extremidades superior e inferior contra a penetração capilar de água.
• ⑥ Núcleo Espiral Plástico de Remoção Rápida: Haste tubular helicoidal interna de polipropileno que mantém o silicone tensionado em estoque, sendo puxada manualmente para fora durante a montagem.

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3. Princípios Físicos de Operação e Eletrostática de Refração

O Problema do Efeito de Ponta na Borda de Corte da Semicondutora

No corpo contínuo do cabo coaxial, o campo elétrico é puramente radial ($E_r$) e confinado entre os potenciais equipotenciais do condutor ($V_0$) e da semicondutora externa aterrada ($0\text{V}$). Quando a camada semicondutora externa e a blindagem metálica são decotadas para conexão ao barramento:

• O potencial de terra termina abruptamente em uma aresta afiada de espessura submilimétrica.
• As superfícies equipotenciais, que eram cilindros concêntricos, dobram-se bruscamente para convergir em direção ao ponto de corte.
• O campo elétrico local acumula componentes radiais e tangenciais elevadíssimas:

$E_{borda}={\lim }_{r\to r_{borda}}-\nabla V\gg 6.0\text{kV/mm}$

Como a rigidez dielétrica do ar atmosférico é de apenas $E_{ar}\approx 3.0\text{kV/mm}$ (lei de Paschen), o ar circundante à borda de corte é imediatamente ionizado, deflagrando o efeito corona, ozônio agressivo e microarcos superficiais de descargas parciais que escavam arborescências de queima (Electrical Treeing) na isolação XLPE, levando à falha destrutiva em poucas horas ou semanas.

Mecanismo de Controle Refrativo de Campo (${\epsilon }_r\ge 15$)

Existem dois métodos clássicos de alívio: o controle geométrico (Cone de Estresse capacitivo) e o moderno controle refrativo por camada de alta permissividade. Pela condição de contorno fundamental de Maxwell em uma interface dielétrica entre o XLPE (meio 1, ${\epsilon }_1\approx 2.3$) e o tubo de controle de campo (meio 2, ${\epsilon }_2\ge 15$):

$\text{Componente Tangencial Contıˊnua: }{E}_{1t}=E_{2t}$

$\text{Componente Normal do Deslocamento D Contıˊnua: }{D}_{1n}=D_{2n}⟹{\epsilon }_1\cdot E_{1n}={\epsilon }_2\cdot E_{2n}$

Isolando a componente normal do campo elétrico no tubo de controle ($E_{2n}$):

$E_{2n}=\frac{{\epsilon }_1}{{\epsilon }_2}\cdot E_{1n}\approx \frac{2.3}{15}\cdot E_{1n}\approx 0.153\cdot {\mathbf{E}}_{1n}$

Pela Lei da Refração das Linhas de Campo Elétrico:

$\frac{\tan ({\theta }_1)}{\tan ({\theta }_2)}=\frac{{\epsilon }_1}{{\epsilon }_2}\approx \frac{2.3}{15}\approx 0.153⟹\tan ({\theta }_2)\approx 6.5\cdot \tan ({\theta }_1)$

As linhas de campo que emergem do XLPE em direção à borda de corte são refratadas e “deitadas” paralelamente à superfície do condutor, expandindo o espaçamento mútuo entre as linhas equipotenciais. A intensidade do campo elétrico tangencial superficial na interface com o ar é reduzida para:

$E_{tangencial}\le 1.2\text{kV/mm}(\ll 3.0\text{kV/mm}\to \mathbf{Zero}\mathbf{Ioniza}\stackrel{\backslash c}{\mathbf{c}}\tilde{\mathbf{a}}\mathbf{o}\mathbf{e}\mathbf{Zero}\mathbf{Corona})$

O ensaio de rotina exige descargas parciais estritamente inferiores a:

$DP\le 5\text{pC a }1.73U_0$

Teoria da Distância de Escoamento e Hidrofobicidade do Silicone

A corrente de fuga superficial que transita ao longo da mufla sob chuva ou poluição salina obedece à Lei de Ohm distribuída:

$i_{fuga}=\frac{V_0}{{\int }_0^{L_{creep}}{R}_{superficial}(l)dl}$

Para evitar a formação de bandas secas (Dry Band Arcing) que provocam trilhamento elétrico condutivo permanente:

1. Saias Isolantes (Sheds): Multiplicam a distância geométrica linear de fuga por um fator de $2.5$ a $3.5$ vezes o comprimento físico da mufla.
2. Propriedade Hidrofóbica do Silicone (LHM - Low Molecular Weight Silicones): A borracha de silicone contém oligômeros fluidos livres de polidimetilsiloxano (PDMS) que migram continuamente para a superfície externa. Quando poeira ou sal marítimo se depositam na saia da mufla, o silicone envolve cada grão microscópico de poluente com uma película hidrofóbica monomolecular em menos de 24 horas. A água da chuva não forma um filme condutivo contínuo, mas sim gotículas isoladas e esféricas (ângulo de contato $>90^{\circ }$), impedindo a circulação de corrente de fuga.

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4. Esquema de Aplicação Industrial e Instalação em Painel de MT

O circuito unifilar a seguir detalha a conexão terminal de cabos isolados de $13.8\text{kV}$ a um disjuntor a vácuo em cubículo metálico de média tensão (Switchgear), demonstrando o correto seccionamento e aterramento da blindagem de cobre com cordoalha trançada.

graph TD
    subgraph Cubículo de Média Tensão 15 kV (Compartimento de Cabos)
        BARRA_MT["Barramento de Cobre Prateado do Painel (13.8 kV)"]
        TC_BLOCO["TC de Medição e Proteção em Resina Epóxi"]
        BARRA_MT --> TC_BLOCO
        
        LUG_A["Terminal Bimetálico Parafuso Fusível 185 mm²"]
        LUG_B["Terminal Bimetálico Parafuso Fusível 185 mm²"]
        LUG_C["Terminal Bimetálico Parafuso Fusível 185 mm²"]
        TC_BLOCO --> LUG_A
        TC_BLOCO --> LUG_B
        TC_BLOCO --> LUG_C
    end

    subgraph Muflas Contráteis a Frio (Uso Abrigado)
        LUG_A --> MUFLA_A["Mufla Cold Shrink Fase A (Corpo Silicone)"]
        LUG_B --> MUFLA_B["Mufla Cold Shrink Fase B (Corpo Silicone)"]
        LUG_C --> MUFLA_C["Mufla Cold Shrink Fase C (Corpo Silicone)"]
        
        CORTE_A["Tubo Stress Control sobre Borda Semicondutora"]
        CORTE_B["Tubo Stress Control sobre Borda Semicondutora"]
        CORTE_C["Tubo Stress Control sobre Borda Semicondutora"]
        MUFLA_A --- CORTE_A
        MUFLA_B --- CORTE_B
        MUFLA_C --- CORTE_C
    end

    subgraph Aterramento da Blindagem do Painel
        MOLA_A["Mola de Pressão Constante Aterrando Fita Cu"] --> CORDOALHA["Cordoalha Estanhada 25 mm²"]
        MOLA_B["Mola de Pressão Constante Aterrando Fita Cu"] --> CORDOALHA
        MOLA_C["Mola de Pressão Constante Aterrando Fita Cu"] --> CORDOALHA
        CORDOALHA --> BARRA_TERRA["Barramento Geral de Terra (PE) do Cubículo"]
    end

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5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico Resolvido

Enunciado do Projeto Real

Dimensionar e especificar as terminações para os cabos de média tensão que conectam a linha aérea externa ao cubículo de entrada de uma subestação portuária de manobra instalada a $150\text{m}$ da arrebentação das ondas do mar (ambiente marinho com alta névoa salina e emissão de poeira de carvão/fertilizantes).

Dados da Instalação e Requisitos Normativos:

1. Dados Elétricos do Sistema:
   • Tensão nominal de linha: $U=13.8\text{kV}$ ($U_m=17.5\text{kV}$)
   • Tensão de fase nominal fase-terra: $V_0=13.8/\sqrt{3}\approx 7.967\text{kV}$
   • Tensão máxima de operação fase-fase ($U_{max}$): $15.0\text{kV}⟹V_{0,max}=15.0/\sqrt{3}\approx 8.66\text{kV}$
   • Nível Básico de Impulso exigido (NBI/BIL): $95\text{kV}$ crista ($1.2/50\mu \text{s}$)
2. Dados do Cabo Instalado:
   • Cabo unipolar de cobre $1\times 185{\text{mm}}^2$ XLPE $8.7/15\text{kV}$
   • Diâmetro sobre a isolação XLPE: $d_{iso}=24.6\text{mm}$
   • Diâmetro sobre a camada semicondutora externa: $d_{semi}=26.0\text{mm}$
   • Diâmetro externo total sobre a cobertura: $D_{ext}=34.2\text{mm}$
3. Severidade Ambiental (IEC 60815-1 e IEC 60815-3):
   • Nível de poluição do local: Classe IV - Muito Pesada (Very Heavy Pollution) devido à salinidade costeira associada a particulados industriais condutivos.
   • Densidade de Deposição Salina Equivalente no Sítio (ESDD): $\ge 0.60{\text{mg/cm}}^2$.
   • Distância de Escoamento Específica Unificada Mínima Requerida ($USCD$): $USC{D}_{req}\ge 31.0\text{mm/kV}\text{ (referenciada aˋ tensa˜o fase-fase maˊxima }{U}_{max}\text{)}$

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Passo 1: Cálculo da Distância de Escoamento Mínima Exigida ($L_{creep,min}$)

Conforme a norma internacional IEC 60815-3, a distância de escoamento total da terminação externa ao ar livre exposta à poluição marinha pesada deve satisfazer:

$L_{creep,min}=USC{D}_{req}\cdot U_{max}$

Substituindo $USC{D}_{req}=31.0\text{mm/kV}$ e $U_{max}=15.0\text{kV}$:

$L_{creep,min}=31.0\text{mm/kV}\times 15.0\text{kV}=465.0\text{mm}$

Critério de Engenharia: A terminação deve apresentar um comprimento de fuga superficial contínuo ao longo do relevo das saias de borracha de silicone de pelo menos $465\text{mm}$. Se fosse utilizada uma mufla lisa de uso abrigado sem saias (que possui apenas cerca de $200-250\text{mm}$ de fuga), ela sofreria centelhamento superficial e curto-circuito em poucos dias devido à deposição de sal e umidade!

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Passo 2: Seleção do Modelo Comercial e Geometria das Saias de Silicone

Consultando o catálogo técnico de terminações contráteis a frio (Cold Shrink Outdoor) de silicone para cabos de $15\text{kV}-24\text{kV}$:

• Faixa de Aplicação sobre Isolação: Diâmetro aceito de $21.5\text{mm}$ a $31.0\text{mm}$ (o cabo tem $d_{iso}=24.6\text{mm}\to \mathbf{Faixa}\mathbf{Perfeita}$).
• Configuração de Saias: Modelo com 4 saias aerodinâmicas de silicone hidrofóbico.
• Distância de Escoamento Real do Catálogo: $L_{creep,real}=510.0\text{mm}$
• Verificação: $L_{creep,real}=510.0\text{mm}\ge 465.0\text{mm}(\mathbf{Aprovado}\mathbf{com}9.7\%\mathbf{de}\mathbf{Margem})$

Comprimento físico reto total da terminação montada: $L_{mec}=320\text{mm}$ (adequado para instalação em buchas de pórtico com vão mínimo entre fases de $250\text{mm}$).

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Passo 3: Dimensionamento do Terminal com Parafuso Fusível (Shear Bolt Lug)

Para o condutor de cobre compactado de $185{\text{mm}}^2$ ($I_n\approx 415\text{A}$ contínuos e $I_{cc}=25\text{kA}$ por $0.5\text{s}$):

• Seleciona-se um terminal bimetálico de alumínio estanhado com 2 parafusos de cabeça frangível para a faixa de $95-240{\text{mm}}^2$.
• Torque calibrado de cisalhamento da cabeça do parafuso: $T_{shear}=45\text{N}\cdot \text{m}$.
• Os parafusos penetram e deformam os fios do encordoamento compactado rompendo os filmes de óxido superficiais e exercendo uma força de contato estática permanente superior a $15\text{kN}$, garantindo resistência de contato: $R_{contato}\le 8\mu \Omega (\text{Temperatura do terminal menor que a do cabo em regime})$

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Passo 4: Verificação da Tensão Suportável de Impulso Atmosférico (BIL)

A terminação selecionada atende aos ensaios tipo da norma IEEE Std 48 (Terminação Classe 1):

• Tensão suportável em frequência industrial a seco ($1\text{min}$): $55\text{kV}$ eficaz ($>34\text{kV}$ exigido).
• Tensão suportável sob chuva artificial ($10\text{s}$): $45\text{kV}$ eficaz ($>30\text{kV}$ exigido).
• Tensão de impulso atmosférico (BIL $1.2/50\mu \text{s}$ crista): $110\text{kV}$ crista ($>95\text{kV}$ exigido $\to \mathbf{Aprovado}$).
• Nível de descargas parciais garantido: $<3\text{pC}$ sob $1.73U_0=1.73\times 8.66=15.0\text{kV}$ ($<5\text{pC}$ norma $\to \mathbf{Aprovado}$).

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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
Explosão por Trilhamento na Borda da Semicondutora	Posicionamento incorreto do tubo de controle de campo (gap de ar deixado sobre a borda de corte).	Concentração extrema de campo elétrico ($>6\text{kV/mm}$); descargas parciais e queima do XLPE.	Ensaio de Descargas Parciais on-line com sensor HFCT ou câmera de efeito corona ultravioleta.	Uso mandatório de gabarito de corte fornecido pelo fabricante; inspeção do recobrimento de no mínimo $15\text{mm}$ do tubo sobre a semicondutora.
Penetração de Água com Perda de Isolação	Aplicação incorreta do mastique selante na base da mufla ou sob o terminal superior.	A umidade penetra por capilaridade corroendo o condutor e a blindagem; queima dielétrica.	Ensaio de medição de resistência de isolamento ($<500\text{M}\Omega$) e termografia com ponto frio/quente.	Aplicação do mastique selante sob ligeira tensão e pressão elástica do corpo de silicone sobreposto.
Ponto Quente no Terminal de Conexão ($T>95{}^{\circ }\text{C}$)	Aperto insuficiente de parafusos convencionais ou oxidação galvânica cobre-alumínio.	Aquecimento resistivo que amolece a isolação XLPE vizinha e pode fundir a bucha do trafo.	Termografia periódica com câmera infravermelha ($\Delta T>10{}^{\circ }\text{C}$ em relação ao condutor).	Utilização de terminais com parafusos de cabeça de cisalhamento (Shear Bolt) calibrados em fábrica.
Trilhamento Elétrico por Poluição Salina Excessiva	Uso indevido de mufla lisa sem saias em zona costeira de alta salinidade.	Formação de faixas secas condutivas que evoluem para contornamento elétrico total (Flashover).	Inspeção visual (marcas de queima pretas ramificadas no corpo da mufla) e ruído audível de estalos.	Especificação mandatória de muflas de borracha de silicone hidrofóbica com distância de escoamento $\ge 31\text{mm/kV}$.
Rompimento Mecânico do Tubo no Desenrolamento	Puxamento incorreto e em ângulo da fita espiral plástica durante a retração a frio.	O tubo contrátil rasga antes do assentamento completo, perdendo a pressão radial de contato.	Visual durante a montagem em campo.	Puxar o cordão espiral sempre paralelo e alinhado ao eixo central do cabo com velocidade moderada e sem torção.

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Resumo de Engenharia Conforme Diretrizes:

• Dedução eletrostática da refração do vetor campo elétrico pela condição de contorno de Maxwell (${\epsilon }_r\ge 15$).
• Dimensionamento de distância de escoamento segundo IEC 60815 para poluição marítima Classe IV ($510\text{mm}$ vs $465\text{mm}$ exigido).
• Seleção de terminal de parafuso fusível bimetálico garantindo pressão mecânica calibrada sem torquímetro.