Conductores eléctricos by Maria J. Tovar

UFT Magazine Segunda Edición Julio 2019

Conductores eléctricos en media y baja tensión

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Los conductores eléctricos ofrecen poca resistencia al movimiento de la carga eléctrica. En Venezuela los conductores más utilizados son los de cobre y los de aluminio, sin embargo en el país se produce aluminio por lo cual este resulta más económico. En el Código Eléctrico Nacional (CEN) COVENIN 200 se detallan las disposiciones relativas a las normas de fabricación de los cables eléctricos. Diseño y elaboración: Gustavo Jose García Stanley María José Tovar Izarza Profesora: Ana Gallardo Asignatura: Instalaciones y canalizaciones eléctricas

Conductores eléctricos

Conductores más utilizados en Venezuela

Conductores de cobre en comparación con los conductores de aluminio 7

Características de los conductores eléctricos

Partes de los conductores

Tipos de conductores eléctricos

Tipos de aislamientos de cables eléctricos

Calibre de los conductores eléctricos

Identificación de conductores

Empalme de los conductores eléctricos

Los conductores eléctricos o materiales conductores son aquellos que tienen poca resistencia a la circulación de la corriente eléctrica, dadas sus propiedades específicas. La estructura atómica de los conductores eléctricos facilita el movimiento de los electrones a través de estos, con lo cual este tipo de elementos favorece la transmisión de electricidad. En casos especiales el conductor puede tener formas de hilo, varillas, platinas, tubos o barras. De acuerdo a los componentes del material de su aleación el conductor tendrá una conductividad que lo caracteriza, los más importantes son: la plata, cobre, oro, aluminio, hierro, etc. Tomando como referencia estos materiales sus conductividades reales a 0° C es la siguiente: Conductor

Conductividad (ohmios.m)-1

Plata

Cobre

64,5

Oro

Aluminio

Hierro

11,5

Los más utilizados, de mayor importancia en ingeniería eléctrica y en especial para la industria del ramo, es el cobre y el aluminio. Para usos especiales está la plata, el platino o el acero. Con respecto al cobre y aluminio tienen un costo de producción bastante más bajo que los otros y el comportamiento desde el punto de vista eléctrico es excelente. por ello se usan preferentemente en instalaciones eléctricas y equipos en general. Conforme a sus características y propiedades poseen las áreas de utilización bien definidas. Desde el punto de vista económico, se debe destacar que el cobre no se produce en Venezuela en cantidad suficiente, debiéndose importar, variando su costo según el precio del mercado internacional y, por consiguiente, también de las fluctuaciones propias del dólar.

El aluminio, como es del conocimiento general, se produce en el país y en los últimos tiempos la producción del mismo ha ido incrementándose. Varias empresas mixtas, entre el Estado y capitales privados venezolanos y extranjeros, se dedican a la explotación de la bauxita, produciendo el aluminio en el área de Guayana, utilizando la electricidad, la cual se obtiene a bajo costo en esa zona y en abundancia, aprovechando la energía hidroeléctrica de los ríos del lugar. Por tal motivo en Venezuela el aluminio resulta más económico que el cobre.

Los conductores más utilizados son los de cobre y aluminio

Conductores de cobre en comparación con conductores de aluminio: Conductores de cobre El cobre es uno de los más antiguos materiales conocidos. Su ductilidad y conductividad eléctrica fueron explotadas en los primeros experimentos con la electricidad por muchos investigadores, entre ellos Ben Franklin y Michael Faraday. El cobre fue el conductor utilizado en invenciones como el telégrafo, el teléfono y el motor eléctrico.Hecha excepción por la plata, el cobre es el metal conductor más común y se ha convertido en un estándar internacional. El IACS (International AnnealedCopper Standard) fue creado en 1913 para comparar la conductividad de otros metales con la del cobre. Según esa norma, el cobre recocido comercialmente puro posee una conductividad del 100% IACS. El cobre comercialmente puro producido hoy en día puede tener niveles más altos de conductividad IACS ya que la tecnología de procesamiento ha mejorado a lo largo del tiempo.

A parte de su grande capacidad de conductividad, el cobre resulta resistente a la tracción y posee capacidades de expansión y conductividad térmicas. Los cables de cobre recocido utilizados por fines eléctricos poseen los requisitos ASTM B3 (especificación para alambre de cobre suave o recocido).

Conductores de aluminio: A pesar de que el cobre tenga una historia más larga y antigua por ser el material elegido para la conductividad eléctrica, el aluminio posee ciertas ventajas que lo hacen más atractivo para algunas aplicaciones específicas. El aluminio tiene solo el 60% de la conductividad del cobre, pero solo el 30% de su peso. Eso significa que un cable pelado de aluminio pesa la mitad que uno de cobre con la misma resistencia eléctrica. Generalmente, el aluminio resulta ser más barato si comparado con los conductores de cobre.

Los conductores de aluminio están compuestos por diferentes aleaciones conocidas como las series AA1350 y AA-8000. La serie AA-1350 tiene un contenido mínimo de aluminio del 99.5%. En los años ’60 y ’70, debido al elevado precio del cobre (comparado con el del aluminio), ese grado de aluminio empezó a ser el más popular para el cableado del hogar. Debido a una mano de obra de baja calidad en la realización de las conexiones y las diferencias físicas entre aluminio y cobre, se formaban conexiones de alta resistencia que se convertían en incendios. En respuesta, las aleaciones de aluminio fueron desarrolladas de manera que tuvieran propiedades de fluencia y elongación más similares al cobre. Las aleaciones de la serie AA-8000 son los únicos conductores de aluminio sólido o trenzado que pueden ser utilizados según el artículo 310 del Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos de 2014. La serie de aleaciones AA-8000 cumple con los requisitos del ASTM B800 (Standard Specificationfor 8000 Series AluminumAlloyWireforElectricalPurposes–Annealed and IntermediateTempers).

Comparando el cobre y el aluminio se puede concluir que el primero es 2 veces más pesado que el otro, teniendo el aluminio una resistividad 1.65 veces mayor que la del cobre. El volumen del aluminio es mayor y en ciertos casos habría que tomarlo en cuenta como desfavorable. Debido a que muchas partes de equipos de protección, maniobra, transformadores, etc., son de cobre, es necesario que el empalme cobre-aluminio se haga con conectores especiales; además, esto hace que se requiera una mano de obra especializada que trabaje los contactos con especial cuidado, a fin de que ni el sudor de las manos toque el empalme, pues podría ser el comienzo de una oxidación galvánica. En la superficie del aluminio suele formarse una capa de óxido por el contacto con el aire, la cual es resistente y transparente, posee altas propiedades dieléctricas, es químicamente estable y resistente a la corrosión, exceptuando los ácidos hidroclorídicos, hidrofluorídicos, oxálicos y álcalis fuertes. El cobre es 2 veces más pesado que el aluminio 10

n conductor puede estar formado por uno o varios hilos, siendo unifilar o multifilar, cableado o trenzado. Cuando el conductor es cableado puede ser normal, flexible o extra-flexible, de acuerdo al

grado de flexibilidad que se le da al número de hilos delgados que lo componen. En la medida que aumenta en número mejora esta propiedad. Los cables flexibles son empleados en equipos portátiles, tales como: televisores, planchas, ventiladores, radios, etc. En la sección 400 del Código Eléctrico Nacional (CEN) COVENIN 200, están las disposiciones, tablas y demás informaciones relativas a Normas de fabricación de "Cordones y Cables Flexibles". El cableado puede hacerse en forma concéntrica, circular, compactado, comprimido sectorial o anular, según se haya procesado el paquete de hilos para fines específicos. La Norma COVENIN 553-81 establece las características de los procesos de fabricación. Los conductores de un solo hilo se denominan sólidos y se utilizan hasta el N° 10 en instalaciones residenciales, comerciales o de oficinas. Para calibres mayores se emplean cableados, para facilitar el manejo en el proceso de instalación.

Partes de los Conductores Los conductores eléctricos, ya sean hilos o cables, están formados por 3 partes:  Alma conductora: fabricado de cobre y por donde circula la corriente eléctrica.  Aislante: material por el que no puede pasar la corriente eléctrica y que envuelve al alma conductora para que la corriente no salga fuera de la misma. Normalmente suele ser de un material polímero, es decir de plástico. Los más usados son el Policloruro de Vinilo (PVC), el Caucho Etileno-Propileno (EPR) y el Polietileno Reticulado (XLPE).  Cubierta protectora. Sirve para proteger mecánicamente al cable o hilo. Protege al alma y al aislante de daños físicos y/o químicos como el calor, la lluvia, el frío, raspaduras, golpes, etc. Se suelen construir de nailon, aunque no todos los conductores tienen está cubierta, a veces el propio aislante hace las veces de aislante y cubierta protectora.

Cuando el conductor estará sometidos

desgastes

externos muy grandes la cubierta protectora puede ser de acero, latón u otro material resistente. En este caso a la cubierta protectora se la denomina "armadura".

Tipos de conductores eléctricos Conductor de alambre aislado: Es un cable que nos vamos a encontrar fácilmente por casa. Es decir, el alambre se encuentra en estado sólido y destaca por tener una capa aislante que separa al plástico de con el alambre principal. Esto permite evitar que el conductor pueda tener contacto con otros conductores y en consecuencia que se pueda producir algún tipo de problema o fallo en la conducción de la electricidad. Por este motivo, es una variedad de cables que se suelen usar en viviendas o negocios, gracias a que son un poco más seguro que otras opciones.

Conductor de alambre desnudo: Estamos ante un alambre en estado sólido que destaca por no tener ningún tipo de recubrimiento. Esta variedad de cable se suele usar normalmente en las conexiones a tierra, de aquí que sean una variedad de cable eléctrico muy usada. Además, tienen un precio económico, de aquí que sea uno de los cables de larga longitud más usados a día de hoy.

Conductor de cable flexible: Es otra de los cables más vendidos gracias a su diseño. Estamos ante una variedad de cable que cuenta con finos alambres. Estos cuentan con una protección plástica que hace que los alambres puedan estar seguro en el interior y en consecuencia garantizar que la conducción de la electricidad será la adecuada. La principal ventaja de este sistema es que permite que el cable sea realmente flexible, de aquí que se pueda poner en muchos lugares y en consecuencia ofrecen una buena libertad de movimientos a la hora de instalarlos. En consecuencia, se puede decir que son más maleables que las opciones anteriores.

Conductor de cordón: Se puede decir que son varios cables flexibles juntos en un solo cable. Es decir, se juntan dos o tres cables flexibles y tras la capa protectora de cada uno de ellos, se le incluye otra capa que une a todos los cables en uno solo. Esto permite que sea más fácil crear las diferentes corrientes, de aquí que sea otra variedad muy usada, sobre todo a la hora de conectar electrodomésticos o cualquier otro aparato eléctrico.

ecordamos que casi todos los cables tienen una capa de recubrimiento o aislamiento para prevenir que entren en contacto unos con otros y provoquen un cortocircuito.

Se puede identificar el tipo de aislamiento que tiene un cable en las inscripciones que aparecen sobre él, son abreviaciones del inglés. Los cables que se utilizan para instalaciones en viviendas y oficinas son: THN, THW, THHW y THWN. El significado de estas abreviaturas es el siguiente: 1 - T (Thermoplastic): Aislamiento termoplástico (este lo tienen todos los cables. 2 - H (Heatresistant): Resistente al calor hasta 75° centígrados (167° F). 3 - HH (Heatresistant): Resistente al calor hasta 90° centígrados (194° F). 4 - W (Waterresistant): Resistente al agua y a la humedad. 5 - LS (Lowsmoke): Este cable tiene baja emisión de humos y bajo contenido de gases contaminantes.

6 - SPT (Serviceparalellthermoplastic): Esta nomenclatura se usa para identificar un cordón que se compone de dos cables flexibles y paralelos con aislamiento de plástico y que están unidos entre sí. También se denomina cordón dúplex.

En los aislamientos de los cables eléctricos encontramos dos tipos de aislantes, los aislamientos termoplásticos y los aislamientos termoestables. Aislamiento termoplástico 

PVC: Policloruro de vinilo



PE: Polietileno



PCP: Policloropreno, neopreno o plástico

Aislamiento termoestable 

XLPE: Polietileno reticulado



EPR: Etileno-propileno



MICC: Cobre revestido, mineral aislado

Tensiones de los cables eléctricos Dependiendo de la tensión para la que están preparados para funcionar los cables se categorizan en grupos de tensiones que van por rangos de voltios. 

Cables de muy baja tensión (Hasta 50V)



Cables de baja tensión (Hasta 1000V)



Cables de media tensión (Hasta 30kV)



Cables de alta tensión (Hasta 66kV)



Cables de muy alta tensión (Por encima de los 770kV) Cables de baja tensión

Cables de media y alta tensión

Cables de alta tensión en cobre y aluminio

Capas de materiales que componen un cable de media tensión La composición y estructura de los cables de Media Tensión viene definida por los siguientes elementos o capas:

1. Conductor Transporta la corriente eléctrica. Es el elemento central del cable. Los conductores son de sección circular y están constituidos por alambres cableados en capas concéntricas (clase 2). Se fabrican de cobre electrolítico recocido o aluminio electrolítico, de alta pureza. 2. Pantalla semiconductora interna Recubre totalmente el conductor. Su función es mejorar la distribución del campo eléctrico en la superficie del conductor. Se realiza con compuestos poliméricos con alta concentración de negro de humo para obtener la propiedad semiconductora. Este material está reticulado y totalmente adherido al aislamiento.

3. Aislamiento Es el componente crítico del cable, ya que ha de soportar el elevado campo eléctrico presente en el interior. La tensión máxima que puede soportar un cable depende del material y del espesor del aislamiento, que aumenta con la tensión asignada del cable. Los materiales utilizados en los aislamientos de cables de Media Tensión son los siguientes: 

Polietileno reticulado (XLPE)



Etileno-Propileno de alto módulo (HEPR)



Etileno-Propileno (EPR)

4. Pantalla semiconductora externa Recubre totalmente el aislamiento. Se realiza con compuestos poliméricos con alta concentración de negro de humo para obtener la propiedad semiconductora. Este material está reticulado y en perfecto contacto con el aislamiento. Habitualmente se utilizan semiconductoras pelables, parcialmente adheridas al aislamiento, para facilitar al máximo la preparación de las conexiones. 5. Pantalla metálica Los cables de media tensión llevan una pantalla metálica en contacto con la semiconductora externa. Esta pantalla está constituida por fibras de cobre colocadas en hélice recubriendo uniformemente todo el perímetro del cable. Sobre estas fibras se coloca habitualmente una contra espira de fleje de cobre, en hélice abierta. 6. Protección contra el agua (sólo cables tipo -OL y -2OL) En cables con Obturación Longitudinal (tipo -OL) se coloca bajo la cubierta una cinta de material higroscópico, que impide la propagación longitudinal del agua. En cables con Doble Obturación se coloca además una serie de hilos de material higroscópico en el conductor (tipo -2OL).

7. Cubierta interior o asiento (sólo para cables armados) Todos los cables armados llevan una cubierta de separación (o asiento de armadura) entre la pantalla metálica y la armadura. Está cubierta interna es del mismo material que la cubierta exterior. 8. Armadura (sólo para cables armados) Para mejorar la protección del cable frente a agresiones externas, se utilizan las armaduras. Se recomienda su uso en todas aquellas instalaciones donde el riesgo de roces, golpes y cualquier agresión mecánica sea elevado. Las armaduras están constituidas por alambres o flejes metálicos dispuestos sobre la cubierta interior. El metal utilizado en cables unipolares es el aluminio. 9. Cubierta exterior Ésta es la capa más externa del cable y protege al cable de las agresiones mecánicas y químicas del entorno. Está formada por un recubrimiento uniforme y continuo, habitualmente de color rojo, totalmente estanco y altamente resistente a los golpes y abrasiones, así como a la acción de la intemperie. Los materiales utilizados normalmente son el PVC y las poliolefinas libres de halógenos.

Calibre de los conductores eléctricos

l origen de la denominación de los calibres de los conductores eléctricos reconocidos en la Norma COVENIN 200 (CEN), provienen de la AWG (American Wire Gauge), que significa

Sistema de Calibres Americanos. En los países Europeos y en la gran mayoría de América Latina los conductores se identifican por su sección en milímetros cuadrados. En Venezuela se identifican los tamaños de los conductores por su sección correspondiente a números que van de menor a mayor como se indican a continuación: 24, 22, 20, 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2, 1/0, 2/0, 3/0, 4/0, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 750, 800, 900, 1000, 1250, 1500, 1750 y 2000 MCM. (Mil Circular Mil).El Circular Mil (CM) se define como el área de la sección normal de un conductor que posee una milésima de pulgada de diámetro (25,43 x 10-3 mm). Los calibres de los conductores dan una idea de la sección o diámetro de los mismos y se le designan usando el sistema norteamericano de calibres (AWG) por medio de un número al cual se hace referencia, sus otras características como son diámetro, área, resistencia, etc. La equivalencia en mm2 de área se debe hacer en forma independiente de la designación usada por la American WireGage (AWG). Siempre haremos referencia a los conductores de cobre. Es conveniente notar que en el sistema de designación de los calibres de conductores usado por (AWG), a medida que el número se hace más grande la sección es menor, disminuyendo también su capacidad de corriente.

Para la mayoría de las aplicaciones de conductores en instalaciones eléctricas residenciales, los calibres de conductores de cobre que normalmente se usan son los designados por N°12, y N°10, los calibres N°6 y 8 que se pueden encontrar, ya sea como conductores sólidos o cableado, se aplican en instalaciones industriales, comerciales y residenciales. La siguiente figura de una idea general del tamaño de los conductores:

Los conductores de los circuitos alimentadores deben tener una capacidad de corriente no menor que la correspondiente a la carga por servir. En la tabla podemos ver algunas aplicaciones de los conductores según la norma AWG (American Wire Gauge):

egún el CEN, los conductores eléctricos aislados deberán ser identificados con marcas permanentes en su superficie a intervalos no mayores de 60 cm. En casos de cables multipolares

se identificarán con cintas, o por etiquetas, en casos especiales. Los conductores usados para el neutro, serán blancos o grises, para la puesta a tierra de equipos se utilizará color verde o verde con franjas amarillas.

Los conductores activos monopolares o multipolares se distinguirán del hilo neutro o de puesta a tierra y podrán ser negros, rojos, azules o amarillos, preferentemente. En todo proyecto, en el área de las especificaciones del mismo, deberá señalarse el Código de colores a utilizar, el cual será de estricto cumplimiento. Dependiendo el país donde se utilice el conductor puede variar, por ejemplo, el CEN es una adaptación del NEC para estados unidos, donde el Código Eléctrico Nacional solo exige blanco (o gris) para el conductor de energía neutro y cobre desnudo, verde o verde con franja amarilla para la tierra de protección. En principio, cualquier otro color excepto los anteriores se puede usar para los conductores de potencia. Los colores adoptados como práctica local se muestran en la Tabla a continuación. Negro, rojo y azul se usan para 208 VCA trifásico; marrón, naranja y amarillo se utilizan para 480 VCA. Los conductores más grandes que el N°6 AWG solo están disponibles en negro y tienen cintas de colores en los extremos para designar el tipo. La mayor parte de Europa se rige por los códigos de color del cableado IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) para circuitos derivados de CA. A continuación, se muestra los colores utilizados en distintos países:

Empalmes de conductores eléctricos

e define como el punto donde se unen los extremos de dos o más alambres o cables mediante un método apropiado, cuando se efectúa su instalación. Deberá hacerse una diferenciación cuando el empalme es en líneas aéreas,

que cuando es un conductor aislado ubicado en una canalización. En el primero soportará el mismo una tensión mecánica en el segundo no. Cuando la unión de dos conductores se hace en forma deficiente, aumenta su resistencia y hay exceso de calentamiento en el cable y en el aislante; por consiguiente, el deterioro de las condiciones del mismo, causa pérdidas por efecto Joule que con el tiempo si no se repara, dañará la unión por completo, interrumpiendo la continuidad del servicio. Para calibres deconductores sólidos cableados hasta el Nº 10 se podrá hacer a nivel residencial el empalme con el simple retorcido de las puntas de los mismos utilizando el alicate o bien uniendo las puntas con un conector a compresión apropiado. Luego se cubrirá la unión con cinta aislante de plástico scotch 33 de 3M o similar, cubriendo la unión 5 cm antes y 5 cm. después solapando la cinta al 50%. Para el retorcido de los cables se emplean formas diversas tanto para el empalme recto, en derivación simple o doble. El empalme en estrella es conocido por el tejido que se realiza con los hilos componentes del cable. Las formas más adecuadas de empalmar dos conductores y aceptadas por el CEN son:



Utilizando soldadura de las partes.



Utilizando conectores mecánicos o de compresión, para unión de los conductores.

Entre algunos ejemplos tenemos:

Es interesante destacar, y así hace referencia el CEN con el COVENIN 200 que: todo empalme deberá realizarse en tanquillas, tanques, casetas, cajas, cajetines, o sitios de fácil acceso. Nunca se realizará un empalme entre dos tanquillas, o caja a fin de evitar inconvenientes en caso de tener que realizar revisión o mantenimiento o en un empalme debido a modificación de la instalación. Las técnicas de empalme varían según la aplicación del conductor y refiriéndose a cables aislados, se tomará en cuenta si es en alta o baja tensión y el ambiente donde se ubicará el cable. Para los casos de baja tensión en calibres aislados TW se utilizará conector a compresión o tornillo según el calibre del cable. En caso de cobre aluminio se emplearán conectores bimetálicos y se adicionará antes de colocar los extremos del cable pasta antioxidante "penetrox", luego se cepilla y limpia con estopas las puntas del cable; cubriéndose la unión con cinta de goma con espesor igual al del aislante. Sobre la cinta de goma se colocan 2 capas de cinta plástica enrollada en forma helicoidal con solapado del 50%. Para conductores de aislamiento THW o TTU, se procede de forma similar a la del TW. En las figuras N° 37 y 38 se presentan empalmes tipo de baja tensión. En empalmes de cables para alta tensión se realizan con cinta, para lo cual se recomienda utilizar personal altamente especializado.