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.

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[1] Homopolímero: Polímero constituido por un mismo tipo de molécula.

[2] Polímero: Compuesto químico formado por una cadena de macromoléculas repetidas.

[3] Copolímero: Polímero constituido por diferentes tipos de moléculas.

[4] Poliamidas: Polímeros formados por amidas, tales como lana, seda, nylon, kevlar, etc.

[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.

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[1] Alotrópica: Propiedad de ciertos elementos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes.

[2] Ácido: sustancia que puede ceder protones, pero no aceptarlos.

[3] Álcalis: Sustancia que puede ceder electrones, pero no aceptarlos.

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.