CONDUCTORES ELÉCTRICOS
1.
INTRODUCCIÓN
El presente capítulo tiene como objetivo describir las características
de los aislantes y de los conductores eléctricos usados en las instalaciones
eléctricas, a fin de reconocer las propiedades y seleccionarlos adecuadamente
según el uso de la instalación.
Es importante destacar que el cobre es el material que por excelencia se
usa en la totalidad de las instalaciones de interiores por sus propiedades
físico-químicas.
2.
MATERIALES AISLANTES
Se denomina aislante eléctrico a toda sustancia de muy baja
conductividad eléctrica, tal que el paso de corriente a través de ella se le
considera despreciable.
En electrotecnia, los materiales aislantes son de gran importancia
porque cumplen las siguientes funciones:
·
Permiten aislar eléctricamente los conductores
eléctricos entre sí respecto a tierra o masa.
·
Modifican considerablemente el flujo que los
atraviesa.
3. CLASIFICACIÓN
Teniendo en cuenta el universo de los materiales, en la siguiente figura
se observa la gran diferencia que existe entre ellos. Para su elaboración se ha
tenido en cuenta la resistencia que presenta un metro de material con la misma
sección.
A continuación, presentamos una descripción general de los polímeros
utilizados en la construcción de los aislantes para conductores eléctricos:
 |
Homopolímeros[1]
POLÍMIEROS[2]
Copolímeros[3]
Figura 1.2 Clasificación de materiales aislantes.
Los homopolímeros se dividen en:
Polietileno (PE): Es una resina termoplástica que se obtiene de una polimerización del
etileno. Tiene propiedades eléctricas y mecánicas extraordinarias, asimismo el
factor de potencia y la constante dieléctrica son muy bajas.
Sus propiedades químicas son óptimas, ya que a temperatura ambiente no
es atacado por agentes químicos como gases, ácidos y sales. Es utilizado como
material aislante de conductores eléctricos.
Cloruro de polivinilo (PVC): Es un material termoplástico utilizado para la construcción de la
cubierta de los conductores eléctricos. Sus límites de temperatura: de 60 a 105 °C dependen del tipo de
plastificantes y estabilizantes empleados.
Copolímeros están conformados por poliamidas[4], que
a su vez se subdividen en:
Vinilo acetato de etileno (EVA).- Conformados por los siguientes
elastómeros[5]:
. Caucho de silicona (SIK).
. Caucho de etilenopropileno (EPM).
. Caucho de etilenopropileno termopolimerizado (EPM).
. Caucho butílico.
En la siguiente tabla se muestran las diferentes clases de aislamiento
en función a los niveles de temperatura:
|
Clases de aislamiento
|
Y
|
A
|
E
|
B
|
F
|
H
|
C
|
|
Temperatura ambiente, °C
|
40
|
40
|
40
|
40
|
40
|
40
|
40
|
|
Sobre elevación máxima de la temperatura, °C
|
45
|
60
|
75
|
80
|
100
|
125
|
*
|
|
Diferencia máxima entre el punto más caliente y el
bobinado o sistema conductor
|
5
|
5
|
5
|
10
|
15
|
15
|
15
|
|
Temperatura límite, °C
|
90
|
105
|
120
|
130
|
155
|
180
|
**
|
Tabla 1.1 Clasificación general de los materiales aislantes utilizados
en electrotecnia.
* Temperaturas mayores a 125 °C . ** Temperaturas superiores a 180 °C .
Clase Y: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 90 °C . Constituidos por
materiales tales como: algodón, seda, papel, polietileno reticulado, papeles y
cartones aislantes sin impregnar, fibra vulcanizada, madera, etc.
Clase A: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 105 °C . Están constituidos
por los siguientes materiales: algodón, seda y papel impregnados o sumergidos
en un dieléctrico líquido.
Además encontramos al PVC, barnices base de resinas naturales, madera
tratada o convenientemente impregnada.
Clase E: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 120 °C . Están constituidos
por los siguientes materiales: esmaltes a base de PVC, papel baquelizado,
moldeados y estratificados con base de papel y resinas entre otros.
Clase B: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 130 °C . Están constituidos
por materiales o asociaciones de materiales a base de mica, fibra de vidrio,
amianto y otros materiales inorgánicos similares. Entre éstos materiales
podemos mencionar: esmaltes a base de resinas de poliuretanos, tejidos de
vidrio, aislamiento de caucho etileno – propileno, tejidos de vidrio – amianto,
barnices de resina de melanina, entre otros.
Clase F: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 155 °C . Están constituidos
por materiales o asociación de los mismos tales como fibra de vidrio, mica,
amianto y otros materiales inorgánicos similares. Estos materiales son los
siguientes: tejidos de fibra de vidrio tratado con resina de poliéster, mica y
papel de mica, estratificado a base de tejidos de vidrio y estratificados de
amianto – vidrio entre otros.
Clase H: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo de 180 °C . Están constituidos
por materiales tales como los elastómeros de silicona o asociación de
materiales como mica, fibra de vidrio, amianto y otros materiales inorgánicos
similares. Estos materiales son: aislamientos de elastómeros de siliconas,
tejidos de fibra de vidrio, mica, papel de mica, resinas de siliconas, barnices
aislantes a base de resina de siliconas.
Clase C: Son aquellos que soportan una temperatura límite de trabajo mayor de 180 °C . Están constituidos
por materiales tales como mica, porcelana, cuarzo, vidrio y materiales
similares tales como: mica pura, estratificados de papel de mica,
estratificados de amianto, aglomerados inorgánicos, porcelana, vidrio y cuarzo,
entre otros.
4.
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
La finalidad de los materiales aislantes en los conductores eléctricos
es asegurar el aislamiento eléctrico, de manera segura y suficiente de los
conductores, entre éstos y las partes metálicas del aparto o instalación.
Para elegir el material aislante utilizado en conductores eléctricos,
éstos deben cumplir con las siguientes propiedades eléctricas:
4.1
RESISTENCIA DE AISLAMIENTO
Es la resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica. Se
expresa en megohmios (MW).
La corriente que circula por el aislante, se le llama corriente de fuga,
sigue dos caminos que a continuación describimos:
a. Resistencia de aislamiento superficial: Es la resistencia que ofrece la superficie del material al paso de la
corriente, cuando se aplica una tensión entre dos zonas de dicha superficie.
b. Resistencia de aislamiento transversal: Es la resistencia que opone el material a ser atravesado por la
corriente, cuando se aplica una tensión entre sus dos caras.
[5] Elastómero: Polímeros que se caracterizan por su gran elasticidad en un amplio
rango de temperaturas.
4.1
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
Es la propiedad de un material aislante de oponerse a ser perforado por
la corriente eléctrica. Se expresa en kV/mm.
Es la máxima tensión con la cual el material se perfora. Cuanto mayor
sea la tensión de perforación de un material, menor será el riesgo de
perforación en servicio.
Por tanto, los materiales aislantes óptimos tendrán una alta resistencia
dieléctrica.
4.2
CONSTANTE DIELÉCTRICA
Es un valor que cuantifica el efecto capacitivo en los conductores
eléctricos que se crea como consecuencia del paso de la corriente eléctrica por
los mismos, en función del material aislante.
4.3
RESISTENCIA AL ARCO
Los conductores eléctricos están sometidos a la acción de arcos
eléctricos que pueden llegar a inutilizar el aislamiento.
La resistencia de arco se mide por el tiempo que el material aislante es
capaz de resistir los efectos destructivos de un arco antes de inutilizarse por
haber formado el arco un camino carbonizado sobre la superficie del aislante.
El tiempo depende de la tensión aplicada y de la magnitud de la corriente de
arco.
Para disminuir la acción del arco, se incorporan sistemas de protección
eléctrica (protección magnética) para disminuir el tiempo de acción.
5.
PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas que deben considerarse son las siguientes:
5.1 RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
Es la propiedad de resistir esfuerzos mecánicos que tienden a estirar o
alargar un material. La resistencia a la tracción de la mayoría de los
materiales aislantes es relativamente baja y está comprendida entre 140 y 550
kg/cm².
5.2 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Es la propiedad del material que le permite resistir esfuerzos mecánicos
que tiendan a acortarlo o comprimirlo. Los valores de resistencia a la
compresión, por lo general, son más elevados que los de resistencia a la
tracción, o sea, que se necesitará más esfuerzo para romper un material
aislante por compresión que por tracción. Según el tipo de material, el valor
de la resistencia a la compresión está comprendido entre 500 y 2 500 kg/cm².
5.3 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN
Es la capacidad del material para resistir esfuerzos que tiendan a
doblarlo. De la misma forma que en las anteriores propiedades, la resistencia a
la flexión está influenciada por la humedad y por la temperatura.
5.4 RESISTENCIA A LA CORTADURA
Es la propiedad, por la cual un material resiste esfuerzos mecánicos que
tienden a cortarlo, haciendo deslizar una parte del material sobre la otra.
5.5
RESISTENCIA AL CHOQUE
Es la capacidad del material para resistir el impacto
de un choque o golpe.
5.6
DUREZA
Es una característica muy directamente relacionada con la resistencia a
la compresión y puede definirse como la resistencia que opone un material a ser
penetrado por una bola o un punzón.
6. PROPIEDADES FÍSICO –
QUÍMICAS
A continuación presentamos las propiedades físicas y químicas que deben
exigirse a los materiales aislantes y a los conductores eléctricos para su buen
servicio en las instalaciones eléctricas:
6.1 PROPIEDADES FÍSICAS
Peso específico: El peso específico de un material es el peso de la unidad de volumen de
dicho material (g/cm3).
Porosidad: Es la propiedad que tienen todos los cuerpos de dejar espacios vacíos o
poros entre sus moléculas, gracias a lo cual pueden ser comprimidos o dilatados
y hacerse permeables a los gases y aún a los líquidos.
La porosidad constituye un gran inconveniente para la buena calidad de
los materiales aislantes, pues en los poros se acumula humedad y el polvo del
ambiente en que se encuentran.
Higroscopicidad: Se denomina higroscopicidad o poder higroscópico a la capacidad de
absorción de la humedad que tiene un material. En los materiales aislantes, la
humedad reduce considerablemente la rigidez dieléctrica y la resistencia de
aislamiento. Por consiguiente y siempre que sea posible, se preferirán los
aislantes de menor higroscopicidad.
6.2 PROPIEDADES QUÍMICAS
El ambiente donde trabajan los materiales aislantes de los conductores
eléctricos están sometidos a la acción de ambientes que contienen líquidos,
gases y vapores corrosivos que envejecen prematuramente su tiempo de vida,
motivo por el cual revisaremos las siguientes propiedades químicas:
Resistencia al ozono: El ozono es una forma alotrópica[1] del
oxígeno cuya fórmula química es O3, es decir, que tiene una molécula
constituida por tres átomos de oxígeno (la fórmula del oxígeno molecular
ordinario es O2, o sea que está constituida por dos átomos de
oxígeno). El ozono se produce al ionizarse el aire por acción del campo
eléctrico; es mucho más oxidante que el oxígeno ordinario y fácilmente
reconocible por su olor a marisco.
Resistencia a la luz solar: Debido a su contenido de radiaciones ultravioletas, la luz solar provoca
reacciones químicas, especialmente en verano. Los efectos de la luz solar sobre
los aislantes son: su decoloración y transformación en un material frágil, que
puede resultar inadecuado.
Resistencia a los ácidos[2] y álcalis[3]: Una de las más ventajosas propiedades de muchos aislantes es su conocida
resistencia a los efectos destructivos de los ácidos y de los álcalis. El
efecto de los ácidos y de los álcalis sobre los materiales aislantes difiere de
su efecto sobre los metales, pues éstos se disuelven por la acción de los
ácidos, mientras que por lo general, los aislantes se descomponen por la acción
de los ácidos fuertes y de los álcalis.
Resistencia a los aceites: En general, los aislantes son resistentes a la penetración del aceite y
a la pérdida de resistencia por esta causa, tanto si se trata de aceites
minerales, vegetales o animales.
7. PROPIEDADES TÉRMICAS
Para las instalaciones eléctricas, los materiales aislantes deben tener
las siguientes propiedades térmicas:
Calor específico: El calor específico de un material, es la cantidad de calor necesario
para elevar un grado centígrado, la temperatura de un gramo de dicho material.
Conductividad: Se llama así a la facilidad que un material presenta al paso del calor.
Cuanto menor sea la conductividad térmica de un aislante, con mayor dificultad
permitirá la transmisión del calor, generado en el conductor eléctrico por
efecto Joule, a los cuerpos vecinos y al ambiente que le rodea.
Inflamabilidad: Es la facilidad que tiene un material para inflamarse. Siempre que sea
posible se ha de preferir el menos inflamable, el cual ofrecerá en todo momento
una mayor seguridad de funcionamiento, sobre todo si ha de trabajar a altas
temperaturas o en lugares con peligro de incendios, chispas, etc.
Temperatura de seguridad: Todos los materiales aislantes empleados en instalaciones eléctricas,
trabajan a temperaturas superiores a la del ambiente. La temperatura máxima al
cual se deben hacer trabajar los materiales aislantes no deben sobrepasar los
límites indicados por el fabricante.
8.
MATERIALES CONDUCTORES
Se denomina conductor a todo material que permite el paso continuo de la
corriente eléctrica con gran facilidad, cuando está sometido a una diferencia
de potencial eléctrico.
Los materiales conductores más utilizados en electrotecnia son:
Cobre: Es un metal preferentemente utilizado para la construcción de
conductores eléctricos, ya que es muy dúctil y maleable.
En la actualidad usamos en promedio seis veces más electricidad de la
que sabemos hace 25 años, lo que exige que el cableado eléctrico de nuestro
hogares se encuentre en óptimas condiciones para evitar fallas y sobrecargas
que pueden provocar incendios y lesiones físicas.
El cobre es eléctricamente
eficiente en el uso de la energía, porque la electricidad que fluye por medio
de alambres de cobre encuentra mucho menos resistencia que la que encontraría
en alambres de aluminio o acero de igual diámetro. En efecto, el cobre es mejor
conductor eléctrico que cualquier otro metal no precioso, sólo superado por la
plata.
[1] Alotrópica: Propiedad de ciertos elementos de presentarse bajo
estructuras moleculares diferentes.
Existen
conductores eléctricos de cobre que poseen varias ventajas respecto a otros
tipos, ya que un conductor de este mineral es más eficaz porque tiene menor
resistividad.
El cobre se
caracteriza por presentar una gran capacidad de conducción. Lo que quiere decir,
que un cable de cobre es más pequeño que uno de aluminio, sin embargo su
capacidad de conducción es equivalente a esta última.
Un ejemplo de ello
es que un conductor de aluminio y otro de cobre de un mismo calibre, este
último tiene una capacidad de 28% superior al del primero. Igualmente, las
pérdidas por Efecto Joule son un de 58% menor con respecto al aluminio.
Los conductores de cobre garantizan la supresión de probables fallas causadas por falsos contactos debido al óxido no conductivo, como lo que le podría ocurrir al aluminio.
Este tipo de
conductores da una mayor facilidad en el uso de soldaduras terminales y
empalmes. También, el cobre se conoce porque posee mayor caída de tensión que
el aluminio.
Es por esto, que el cobre se ha ganado la posición del mejor conductor eléctrico. Se caracteriza por su eficiencia para la fabricación de alambres y cables eléctricos, en el ámbito comercial e industrial.
Durante una
instalación o cualquier tipo de trabajo, los conductores sufren inevitables
dobleces, ante esto los conductores de cobre son más resistentes.
Es una gran ventaja
para ellos ya que son más útiles, pues éstos pueden doblarse, enroscarse y
jalarse con mayor precisión y fuerza sin temor a que se rompan.
Un cable de cobre es
flexible, por lo que requiere menos esfuerzo para doblarlo y manipularlo
durante una instalación. Su diámetro es más pequeño que el de un cable de
aluminio, por lo que su aislamiento, blindajes y forros son menores.
Además, los cables
de cobre son menos voluminosos, lo que hace, que su transporte e instalación
(aunque sea en un espacio limitado) sea más fácil, y así mismo se necesita de
un carrete más pequeño.
El cable de cobre tiene como virtud que su vida útil
es bastante más larga que otros tipos de cable. Por esto, a largo plazo comprar
uno de cobre sale más económico que de otro tipo, ya que éstos se corroen
fácilmente.
No obstante, que el aluminio sea más barato que el
cobre, su ciclo de vida (incluyendo costo de instalación, mantenimiento,
materiales y reparaciones) es bastante menor que el cobre, pues el servicio de
este último es mucho más duradero.
Haciendo un análisis de vida útil, es un parámetro
bastante importante, ya que mientras más rentable sea un cable de cobre menor
es el costo total y mayor valor tiene.
Aluminio: Es un metal que presenta una pequeña resistencia mecánica y gran
ductibilidad y maleabilidad.
Para conseguir una alta resistencia mecánica y dureza el aluminio puede
alearse. Los metales más empleados en estas aleaciones son: cobre, silicio,
manganeso, cromo y zinc.
Plata: Es el mejor conductor de electricidad, tiene una conductividad relativa
superior a la del cobre. Es muy maleable y dúctil.
9. PARTES QUE COMPONEN LOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS.
Se denomina conductor eléctrico a todo cuerpo que es capaz de conducir o
transmitir la electricidad.
Los materiales más usados para la fabricación de conductores eléctricos
son el cobre y el aluminio. Aunque ambos metales tienen una conductividad
eléctrica excelente, el cobre constituye el elemento principal en la
fabricación de conductores por sus notables ventajas mecánicas y eléctricas.
Los conductores eléctricos pueden ser alambre, es decir, una sola hebra,
cordón formado por varias hebras finas o un cable formado por varias hebras o
alambres delgados retorcidos entre sí.
Los conductores eléctricos se componen de tres partes diferenciadas:
·
El alma o elemento conductor.
·
El aislamiento.
·
Las cubiertas protectoras.
9.1
EL ALMA O ELEMENTO CONDUCTOR
El alma se fabrica de cobre y su objetivo es servir de
camino a la energía eléctrica desde las centrales generadoras a los centros de
distribución (subestaciones y redes de distribución), para alimentar a los
diferentes centros de consumo (instalaciones industriales, comerciales,
residenciales, etc.).
9.2
EL AISLAMIENTO
El objetivo del material aislante en un conductor es
evitar que la energía eléctrica que circula por él, entre en contacto con las
personas o con objetos, ya sean éstos ductos u otros elementos que forman parte
de una instalación. Del mismo modo el aislamiento debe evitar que conductores
de distinta tensión eléctrica puedan hacer contacto entre sí.
Los diferentes tipos de aislamiento de los conductores
están dados por su comportamiento técnico y mecánico, considerando el medio
ambiente, la canalización que se usará, la resistencia a los agentes químicos,
a los rayos solares, a la humedad, a la alta temperatura, llamas, etc. Entre
los materiales empleados para el aislamiento de los conductores podemos
mencionar al cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno (PE), el caucho, la
goma, el neopreno y el nylon.
9.3
LAS CUBIERTAS PROTECTORAS
El objetivo fundamental de las cubiertas protectoras es proteger la
integridad del aislamiento y del alma conductora contra daños mecánicos, tales
como raspaduras, golpes, etc.
Si las protecciones mecánicas son de acero, latón u otro material
resistente, a éstas se les denomina armadura.
La armadura puede ser de cinta, alambre o alambres trenzados.
Los conductores también pueden estar dotados de una protección de tipo
eléctrico formado por cintas de aluminio o cobre. En el caso que la protección,
en vez de cinta esté constituida por alambres de cobre, se le denomina pantalla.
9.4
POLIETILENO RETICULADO
Hoy en día la distribución subterránea en tensiones de hasta 30 000
volts es íntegramente efectuada utilizando cables en polietileno reticulado.
Estos se empezaron a usar en nuestro país en los últimos 10 años en reemplazo
de los cables aislados con papel tipo NKY.
El polietileno reticulado es el resultado de un proceso químico mediante
el cual el polímero deja de ser termoplástico, es decir, que se deforma con la
temperatura, pasando a ser termoestable, lo que significa que no se funde.
10.
CLASIFICACIÓN DE LOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS
Los materiales más utilizados en la fabricación de los conductores
eléctricos son:
cobre aluminio plata
Preferentemente es utilizado el COBRE
por sus excelentes ventajas eléctricas (capacidad para transportar la
electricidad), mecánicas (resistencia al desgaste, maleabilidad) y físico –
químico. Así mismo dependerá del uso específico y del costo de inversión final.
La clasificación de los conductores eléctricos es la siguiente:
10.1 SEGÚN EL GRADO DE DUREZA: Dependiendo del uso se clasifica en:
Cobre de temple duro: Tiene las siguientes características:
· Conductividad del 97% respecto a la del cobre puro.
· Resistividad de 0,018 (W - mm²/m) a temperatura ambiente 20 °C .
· Capacidad de ruptura a la carga, oscila entre 37 a 47 Kg/mm².
· Se utiliza en líneas de conductores desnudos en el transporte de energía
eléctrica.
Cobre de temple blando: Tiene las siguientes características:
· Conductividad del 100% respecto a la del cobre puro.
· Resistividad de 0,017 24 (W - mm²/m). A temperatura ambiente 20 °C .
· Capacidad de carga de ruptura media 25 Kg/mm².
· Como es dúctil y flexible se utiliza en la fabricación de conductores
aislados.
10.2
SEGÚN SU CONSTITUCIÓN
Dependiendo cómo esté constituido el alma o elemento conductor se clasifica en:
Alambre: El alma conductora esta formado por un solo elemento o hilo conductor.
Cable: El alma conductora está formada por una serie de hilos conductores o
alambres de baja sección, esto le hace ser muy flexibles.
10.3 SEGÚN EL NÚMERO DE CONDUCTORES
Dependiendo de la cantidad de
conductores que pueden trabajar en forma independiente, éstos, se clasifica en:
Monoconductor: Es el conductor eléctrico que tiene una sola alma conductora con
aislamiento y con o sin cubierta protectora.
Multiconductor: Es el conductor eléctrico que tiene dos o más almas conductoras entre
sí, envueltas cada una por su respectiva capa de aislamiento y con una o más
cubiertas protectoras comunes.
10.4 SEGÚN SU UTILIZACIÓN
Dependiendo del tipo de uso los conductores eléctricos, en nuestro país
se emplea transportando energía eléctrica en media y baja tensión. La elección
del tipo de conductor está en función de las características del medio en que
la instalación prestará sus servicios.
A continuación, presentamos la clasificación de acuerdo al uso en las instalaciones
de interiores.
