Tensão residual em cabos de potência: um risco pouco conhecido nos ensaios em campo

Verificar a integridade da isolação de cabos de potência é uma etapa essencial para garantir a confiabilidade e a segurança dos sistemas elétricos. Os ensaios de tensão aplicada são amplamente utilizados antes do comissionamento de novos cabos e durante atividades de manutenção e diagnóstico ao longo de sua vida útil. Esses ensaios permitem identificar defeitos na isolação, degradação dielétrica ou problemas de instalação que poderiam resultar em falhas operacionais, interrupções no fornecimento ou riscos à segurança. Por isso, os ensaios de alta tensão constituem uma ferramenta fundamental para avaliar a condição dielétrica de cabos isolados em sistemas de distribuição e transmissão.

Historicamente, muitos desses ensaios eram realizados por meio da aplicação de alta tensão contínua (Hipot DC), prática ainda utilizada em algumas rotinas de campo. N. N. Srinivas e colaboradores demonstraram que a aplicação de tensão contínua pode induzir cargas espaciais e esforços dielétricos em cabos com isolação extrudada, como o XLPE, potencialmente contribuindo para a degradação da isolação e a redução da vida útil do cabo.

Como resultado, o uso de métodos alternativos para ensaiar cabos com isolação extrudada vem se consolidando progressivamente, especialmente os ensaios em frequência muito baixa (VLF). Esses métodos são atualmente recomendados pelos principais guias técnicos internacionais, com destaque para a IEEE Std. 400.2, IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF), que estabelece procedimentos, níveis de tensão e critérios para ensaios de aceitação, manutenção e diagnóstico de sistemas de cabos de potência.

A aplicação de tensão alternada de baixa frequência proporciona uma melhor correlação com as condições reais de operação do sistema elétrico e reduz os efeitos adversos associados ao uso de tensão contínua em materiais dielétricos poliméricos. Nesse contexto, o ensaio VLF tornou-se uma prática amplamente adotada para avaliar a integridade da isolação de cabos de média tensão instalados em campo.

Independentemente do método de ensaio utilizado, a desenergização do sistema e a aplicação de tensão a cabos isolados envolvem o armazenamento de energia elétrica na capacitância distribuída dos cabos. Assim, cargas elétricas podem permanecer retidas na isolação após o desligamento da fonte de ensaio ou mesmo após a desenergização do circuito antes do ensaio, dando origem a tensões residuais.

Esse fenômeno tem implicações significativas para a segurança das equipes de campo e a integridade dos equipamentos conectados. Nesse contexto, este artigo aborda a modelagem matemática do campo elétrico residual em cabos isolados submetidos a ensaios de tensão aplicada, explica as origens físicas da tensão residual após a desconexão da fonte de ensaio, apresenta um modelo numérico aplicado a cabos reais e incorpora procedimentos recomendados pelo IEEE para ensaios em campo.

Tensão residual em cabos isolados

A tensão residual em cabos isolados corresponde à tensão elétrica que permanece no sistema após o desligamento da fonte de ensaio de alta tensão. Esse fenômeno resulta do armazenamento de cargas elétricas na isolação durante a aplicação da tensão de ensaio e pode ocorrer em cabos sem falhas. Em cabos de potência, especialmente naqueles com isolação polimérica, parte dessa energia armazenada pode permanecer no dielétrico após a remoção da fonte, resultando em uma diferença de potencial entre o condutor central e a blindagem metálica ou o sistema de aterramento.

Do ponto de vista eletrostático, o cabo pode ser interpretado como um capacitor distribuído ao longo de seu comprimento. Durante o ensaio de alta tensão, a energia elétrica é armazenada no campo elétrico presente na isolação, conforme a equação de armazenamento de energia de um capacitor, apresentada na Equação (1). Nessa relação, W representa a energia armazenada no campo elétrico do cabo, C é a capacitância equivalente do cabo e V₀ é a tensão aplicada durante o ensaio.

Após o desligamento da fonte de alta tensão, a dissipação dessa energia ocorre gradualmente, em razão das resistências de fuga do sistema e da absorção dielétrica na isolação. Esse processo leva a uma redução progressiva da tensão ao longo do tempo e à formação de uma tensão residual no cabo.

A Figura 1 ilustra esse conceito por meio de uma analogia entre o comportamento ideal do cabo como capacitor e um modelo equivalente mais realista, no qual fenômenos como correntes de fuga e absorção dielétrica influenciam a dissipação da energia armazenada.

Os materiais isolantes poliméricos utilizados em cabos de potência, como o polietileno reticulado (XLPE), apresentam absorção dielétrica devido a mecanismos lentos de polarização e ao aprisionamento de cargas espaciais no material. Durante a aplicação de tensão, os dipolos moleculares e os portadores de carga podem se alinhar ou se movimentar em resposta ao campo elétrico, armazenando energia no dielétrico. Após a remoção da fonte de tensão, a reversão desse processo ocorre ao longo do tempo e é caracterizada por um regime de relaxação elétrica com múltiplas constantes de tempo (τᵢ).

Consequentemente, o decaimento da tensão no cabo apresenta um comportamento mais complexo que uma única curva exponencial. Em determinadas condições, parte da carga previamente armazenada pode se redistribuir internamente após a descarga inicial, dando origem ao fenômeno conhecido como recuperação de tensão (voltage rebound).

Alguns fatores aumentam o risco associado à tensão residual:

• Cabos longos. Quanto maior o comprimento, maior a capacitância total C e, consequentemente, maior a energia armazenada. Por exemplo, cabos de 35 kV com mais de 1 km podem acumular mais de 100 joules, energia suficiente para produzir um arco elétrico ou um choque elétrico.
• Tensões de ensaio elevadas. A energia armazenada aumenta com V₀²; portanto, ensaios realizados a 2U₀ ou 2,5U₀ elevam significativamente o risco associado.
• Cabos com isolação extrudada (XLPE, EPR). Os mecanismos de polarização lenta e aprisionamento de cargas fazem com que a tensão residual persista por minutos ou até horas.
• Condições inadequadas de terminações ou conexões. Terminações abertas ou com aterramento deficiente permitem que a tensão residual provoque arcos elétricos ou riscos de choque. Conexões próximas a relés, transformadores ou equipamentos eletrônicos também podem sofrer danos.

Modelagem matemática do campo elétrico

Para a análise quantitativa do fenômeno, o cabo isolado é modelado com uma geometria coaxial, composta por um condutor central e uma blindagem metálica separados pela isolação, que atua como dielétrico. Nesse modelo, a representa o raio do condutor, b corresponde ao raio interno da blindagem, L é o comprimento do cabo e ε é a permissividade elétrica do material isolante, definida como ε = ε₀εᵣ, em que ε₀ é a permissividade do vácuo e εᵣ é a permissividade relativa do dielétrico.

A partir dessa geometria coaxial, obtém-se a capacitância total do cabo, apresentada na Equação (2), que depende da permissividade do material isolante, do comprimento do cabo e da razão entre o raio da blindagem e o raio do condutor. Esse parâmetro é fundamental para analisar o armazenamento de energia no sistema, uma vez que a capacitância total C aparece diretamente na expressão da energia elétrica armazenada no cabo durante o ensaio de tensão, apresentada anteriormente na Equação (1).

Quando uma tensão V₀ é aplicada entre o condutor e a blindagem, estabelece-se um campo elétrico radial na isolação. A intensidade desse campo varia com a distância radial r em relação ao centro do condutor. Esse campo elétrico é descrito pela Equação (3), na qual E(r) representa a intensidade do campo elétrico em um ponto localizado a uma distância radial r do eixo do cabo, V₀ corresponde à tensão aplicada durante o ensaio, a é o raio do condutor e b é o raio interno da blindagem.

A distribuição do campo elétrico varia ao longo da espessura da isolação, com maior intensidade nas regiões próximas ao condutor. Assim, o campo elétrico máximo, indicado na Equação (4), ocorre na interface entre o condutor e o material isolante, quando r = a. Esse resultado é particularmente relevante para a análise dos esforços dielétricos no cabo, pois essa é a região em que a isolação fica submetida à maior intensidade de campo elétrico durante a aplicação de tensão.

Após a remoção da fonte de ensaio, a tensão no cabo decai ao longo do tempo em razão da dissipação de energia no sistema. Em uma abordagem simplificada, esse comportamento pode ser descrito pelo modelo RC equivalente do cabo, no qual o decaimento da tensão segue uma função exponencial no tempo, conforme representado na Equação (5). Nessa equação, V(t) corresponde à tensão no instante t, V₀ é a tensão inicial no momento em que a fonte é desconectada, R representa a resistência de fuga equivalente e C é a capacitância do cabo.

Nos materiais dielétricos poliméricos utilizados em cabos de potência, como o XLPE, também são observados fenômenos associados à absorção dielétrica e à polarização lenta, cuja descrição completa exige um modelo que vá além de um único circuito RC. Nesses casos, o comportamento da tensão residual pode ser representado como uma soma de múltiplos termos exponenciais com diferentes constantes de tempo (τᵢ), conforme apresentado na Equação (6). Esse modelo mais abrangente explica fenômenos observados na prática, como o reaparecimento parcial da tensão após uma descarga inicial, conhecido como recuperação de tensão.

Exemplo 1 — Cabo de 15 kV (classe 8,7/15 kV)

No primeiro exemplo, considera-se um cabo de média tensão da classe 8,7/15 kV submetido a um ensaio de aceitação com tensão VLF, método amplamente utilizado em ensaios de campo para avaliar a integridade da isolação de cabos com dielétricos poliméricos, como XLPE ou EPR. Em sistemas dessa classe, a tensão nominal fase-terra é U₀ = 8,7 kV. Durante os ensaios de aceitação, os guias IEEE normalmente recomendam a aplicação de 2U₀, resultando em uma tensão de ensaio V₀ = 17,4 kV. Os parâmetros típicos utilizados para estimar a energia armazenada no cabo são apresentados a seguir.

• Comprimento do cabo: 1 km
• Capacitância típica: 0,20 μF/km
• Tensão de ensaio VLF (aceitação): 2,0 U₀

A energia armazenada no cabo durante o ensaio pode ser estimada por meio da equação de energia do capacitor, a Equação (1). Considerando a capacitância total correspondente a 1 km de cabo e a tensão de ensaio aplicada, a substituição desses valores na Equação (1) resulta na expressão apresentada na Equação (7).

Esse resultado indica que, mesmo para um único quilômetro de cabo de média tensão, a energia elétrica armazenada durante o ensaio pode atingir várias dezenas de joules. Valores dessa magnitude são suficientes para produzir uma descarga elétrica perceptível, um arco elétrico ou um choque potencialmente perigoso caso o cabo seja manuseado antes da dissipação completa da energia armazenada após o término do ensaio.

Exemplo 2 — Cabo de 35 kV (classe 20/35 kV)

No segundo exemplo, considera-se um cabo de média tensão da classe 20/35 kV, também submetido a um ensaio de aceitação com tensão VLF. Nessa classe de sistema, a tensão nominal fase-terra é U₀ = 20 kV. Com a aplicação de 2U₀, a tensão de ensaio passa a ser V₀ = 40 kV. Os parâmetros típicos utilizados para estimar a energia armazenada no cabo durante o ensaio são apresentados a seguir.

• Comprimento do cabo: 1 km
• Capacitância típica: 0,18 μF/km
• Tensão de ensaio VLF (aceitação): 2,0 U₀

Aplicando novamente a Equação (1), referente à energia do capacitor, e considerando a capacitância total de 1 km de cabo, obtém-se o valor apresentado na Equação (8).

Esse resultado mostra que, em cabos de classes de tensão mais elevadas, a energia armazenada durante o ensaio aumenta significativamente, atingindo centenas de joules. Níveis dessa magnitude representam um risco substancial de descarga elétrica, formação de arco ou choque grave caso o cabo seja manuseado antes da realização dos procedimentos adequados de descarga e aterramento após o ensaio.

Procedimentos operacionais recomendados

1. Antes do ensaio:

a. Verificar a ausência de tensão com um detector de ausência de tensão.

b. Descarregar o cabo utilizando uma vara de descarga adequada ao nível de tensão de operação, mantendo-a conectada pelo tempo mínimo calculado.

c. Após a descarga resistiva, aplicar o aterramento direto e mantê-lo conectado.

d. Desconectar quaisquer equipamentos que possam influenciar a tensão residual.

2. Durante o ensaio:

e. Aplicar a tensão de acordo com as orientações da IEEE Std. 400.2.

f. Monitorar a corrente e a resistência, caso o equipamento de ensaio disponha desses recursos de medição.

3. Após a aplicação de tensão:

g. Descarregar o cabo utilizando uma vara de descarga adequada ao nível de tensão de ensaio, mantendo-a conectada pelo tempo mínimo calculado.

h. Após a descarga resistiva, aplicar o aterramento direto e mantê-lo conectado.

i. Medir a tensão residual antes de permitir o acesso ao circuito.

j. Recomenda-se manter a descarga e o aterramento aplicados por um período equivalente a múltiplas constantes de tempo (≥ 5τ = 5RC).

Conclusão

A tensão residual em cabos isolados submetidos a ensaios de alta tensão é um fenômeno físico inerente, associado ao comportamento capacitivo do sistema e aos mecanismos de polarização presentes nos materiais dielétricos. Durante a aplicação de tensão, a energia elétrica é armazenada na capacitância distribuída do cabo e no dielétrico da isolação. Após a remoção da fonte de ensaio, essa energia se dissipa gradualmente e pode permanecer temporariamente no sistema na forma de tensão residual.

A modelagem matemática apresentada neste trabalho demonstra que o comportamento da tensão residual pode ser descrito inicialmente por um modelo RC equivalente, no qual a tensão decai exponencialmente ao longo do tempo. Em cabos com isolação polimérica, como XLPE ou EPR, fenômenos adicionais, incluindo absorção dielétrica e polarização lenta, introduzem múltiplas constantes de tempo no processo de relaxação elétrica. Esse comportamento pode levar à recuperação parcial da tensão após uma descarga inicial, reforçando a necessidade de considerar modelos mais abrangentes na análise do fenômeno.

Os exemplos numéricos apresentados para cabos de 15 kV e 35 kV mostram que a energia armazenada durante os ensaios VLF pode atingir dezenas ou até centenas de joules, mesmo em trechos relativamente curtos. Valores dessa magnitude são suficientes para produzir descargas elétricas perceptíveis, arcos elétricos ou choques potencialmente perigosos caso o sistema seja manuseado antes da dissipação completa da energia armazenada.

Do ponto de vista operacional, esses resultados reforçam que a tensão residual é uma consequência natural do comportamento eletrostático do cabo e pode estar presente em sistemas com isolação íntegra. Ela representa um risco real para pessoas e equipamentos quando os procedimentos adequados de descarga e aterramento deixam de ser seguidos.

Nesse contexto, o gerenciamento seguro da tensão residual deve ser tratado como parte integrante dos procedimentos de ensaio de alta tensão. As práticas recomendadas incluem a descarga controlada do cabo com resistores apropriados, o aterramento temporário após os ensaios, a verificação da ausência de tensão com instrumentos adequados e a aplicação de procedimentos de segurança operacional, como bloqueio e etiquetagem (LOTO). Essas medidas, alinhadas aos guias técnicos IEEE e a normas de segurança como a NFPA 70E, são essenciais para garantir a segurança das equipes de campo, a integridade dos equipamentos e a confiabilidade dos resultados dos ensaios.

REFERÊNCIAS

[1] N. N. Srinivas, B. S. Bernstein and R. A. Decker. “Effects of DC testing on AC breakdown strength of XLPE insulated cables subjected to laboratory accelerated aging,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 5, no. 4, pp. 1643-1651, Oct. 1990, doi: 10.1109/61.103658.

[2] IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz), in IEEE Std. 400.2-2024 (Revision of IEEE Std. 400.2-2013), pp. 1-54, 27 Sept. 2024, doi: 10.1109/IEEESTD.2024.10694771.

[3] IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems Rated 5 kV and Above, in IEEE Std 400-2023 (Revision of IEEE Std 400-2012), pp. 1-54, 17 Nov. 2023, doi: 10.1109/IEEESTD.2023.10336851.

[4] IEEE Guide for Partial Discharge Field Diagnostic Testing of Shielded Power Cable Systems, in IEEE Std. 400.3-2022 (Revision of IEEE Std. 400.3-2006), pp. 1-63, 15 May 2023, doi: 10.1109/IEEESTD.2023.10123370.

[5] IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Rated 5 kV and Above with Damped Alternating Current (DAC) Voltage, in IEEE Std. 400.4-2015, pp. 1-62, 29 Jan. 2016, doi: 10.1109/IEEESTD.2016.7395998.

[6] NFPA 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace, 2024 ed., Quincy, MA, USA, 2024.

[7] NFPA 70, National Electrical Code, 2026 ed., NFPA, Quincy, MA, USA, 2025.

Autores: Nilson Baroni Jr. e Daniel Bento, BAUR USA Corp.; Danilo de Souza, Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT); e Marcelo Plantier, BAUR do Brasil.

Artigo publicado na seção Industry Topics da edição de outono de 2026 da revista NETAWORLD.