Cables Eléctricos
Los cables eléctricos son conductores diseñados para transportar corriente eléctrica desde los generadores hasta los receptores con una resistencia mínima, influenciada por diversos factores como el material, la sección transversal, la longitud, la corriente que atraviesa el cable y la temperatura ambiente.
Los cables eléctricos están compuestos por materiales conductores y aislantes cuidadosamente seleccionados para garantizar un flujo de corriente estable y seguro.
Desde los cables de distribución que parten de los centros de transformación hacia las instalaciones receptoras, hasta los cables de conexión que alimentan los circuitos eléctricos en nuestros hogares, la diversidad de cables eléctricos es amplia y su diseño se adapta a las necesidades específicas de cada aplicación.
La evolución de los cables eléctricos ha sido constante a lo largo de la historia de la electrificación, desde los primeros conductores rudimentarios hasta los modernos cables de alta tecnología diseñados para resistir condiciones ambientales extremas y transportar grandes cantidades de energía de manera eficiente.
Conductores Eléctricos
El conductor, esencial en cualquier sistema eléctrico, constituye el medio a través del cual se transporta la energía eléctrica. En las instalaciones eléctricas, se emplean principalmente dos tipos de materiales como conductores: el cobre (Cu) y el aluminio (Al), según lo establecido en el apartado 2.2.1 de la ITC-BT-19.
Estos metales presentan una resistencia al paso de corriente relativamente baja en comparación con otros materiales conductores. La elección de estos 2 conductores se basa principalmente en consideraciones económicas.
El cobre destaca como uno de los mejores conductores de entre todos los metales, solo superado por la plata. Los conductores de cobre no solo ofrecen una conductividad eléctrica óptima, sino que también poseen características mecánicas superiores, especialmente cuando se someten a procesos de recocido, alcanzando una carga de rotura máxima de aproximadamente 22 kg/mm2.
Por otro lado, el aluminio, aunque presenta propiedades mecánicas inferiores, se utiliza ampliamente debido a su menor coste en comparación con el cobre.
La Resistividad de un Conductor
La resistividad ρ de un conductor representa oposición al paso de corriente eléctrica en una longitud de 1 metro y una sección de 1 mm2. Se expresa en Ω·mm2 / m y se mide a una temperatura de 20ºC.
– Cobre ⇒ ρ = 0,01786 Ω·mm2 / m
– Aluminio ⇒ ρ = 0,02857 Ω·mm2 / m
Es evidente que el cobre posee una menor resistividad eléctrica (conduce mejor) en comparación con el aluminio, tal como se aprecia si comparamos sus resistividades.
Sin embargo, debido a su mayor coste, el aluminio es el material preferido por las empresas de distribución de energía eléctrica, especialmente para las líneas de distribución.
Por otro lado, el cobre se utiliza principalmente en instalaciones eléctricas interiores, donde su mayor eficiencia justifica su coste adicional.
La resistividad de un conductor depende de varios factores, como la estructura atómica o la pureza del material. Además, en estos metales la resistividad se ve muy influenciada por la temperatura. Un aumento de la temperatura produce un incremento de la resistividad, ya que la energía térmica aumenta la movilidad de los electrones.
La Conductividad de un Conductor
La conductividad de un conductor, representada por la letra griega gamma γ, es una propiedad física que mide la capacidad del material para permitir el paso de la corriente eléctrica. Se define como la inversa de la resistividad eléctrica ρ, siendo para 20ºC de:
– Cobre ⇒ γ ≅ 56 m / (Ω·mm2)
– Aluminio⇒ γ ≅ 35 m / (Ω·mm2)
En términos más simples, la conductividad indica la facilidad con la que los electrones pueden moverse a través del conductor eléctrico.
Un material con alta conductividad tendrá una baja resistividad, lo que significa que los electrones pueden moverse con poca oposición. Por el contrario, un material con baja conductividad tendrá una alta resistividad, lo que significa que los electrones encuentran mayor dificultad para moverse.
Las resistividades y conductividades anteriores son aplicables únicamente a una temperatura de 20ºC. Es importante tener en cuenta la variación con la temperatura de ambos conceptos. En la tabla siguiente se presentan los valores de conductividad (γ) para el cobre y el aluminio a diferentes temperaturas: 20ºC, 70ºC y 90ºC.
Las temperaturas de 70ºC y 90ºC se corresponden con las temperaturas máximas de trabajo de los aislantes más utilizados, PVC y XLPE/EPR respectivamente. Estos valores son los que se utilizarán en los cálculos de la sección del conductor.
La Sección de un Conductor
La sección de un conductor, también conocida como sección transversal, es el área que ocupa la parte conductora del mismo, típicamente expresada en milímetros cuadrados (mm2). Por tanto, la sección no incluye materiales aislantes, cubiertas, etc.
La sección S de un conductor es circular y se calcula utilizando la siguiente fórmula:
siendo:
r = radio en mm del conductor, es decir, la mitad de su diámetro D/2.
La sección del conductor es importante por varias razones:
● Capacidad de transporte de corriente: un conductor con mayor sección puede transportar más corriente sin sobrecalentarse.
● Pérdidas de potencia: un conductor con mayor sección tiene menores pérdidas de potencia por efecto Joule.
● Caída de tensión: un conductor con mayor sección tiene una menor caída de tensión, lo que significa que la tensión en el extremo del conductor es más cercana a la tensión en la fuente de alimentación.
Las secciones normalizadas son las siguientes:
Aislantes Eléctricos
Los aislantes son materiales que recubren y proporcionan aislamiento eléctrico al conductor. En la mayoría de los casos, la vida útil de un cable está limitada por el deterioro de su aislante. Por ello, para prolongar la vida útil del cable o elegir el más adecuado, es fundamental considerar las condiciones de instalación, como las condiciones ambientales, la exposición a agentes corrosivos, el riesgo de impactos, entre otros factores.
Es importante tener en cuenta que los aislantes no son dieléctricos perfectos, lo que significa que permiten el paso de una corriente muy débil pero detectable, conocida como corriente de fuga.
Los aislantes se pueden clasificar generalmente en dos tipos: termoplásticos y termoestables.
Cables con Aislantes Eléctricos Termoplásticos
Los termoplásticos son un tipo de polímeros que se caracterizan por su capacidad para ablandarse y moldearse cuando se calientan, y solidificarse al enfriarse.
Como consecuencia se pueden moldear fácilmente al calentarse, conservando la nueva forma al enfriarse. Se vuelven rígidos y quebradizos con el frío, lo que impide su tendido a bajas temperaturas.
Los termoplásticos son flexibles, lo que permite que los cables se doblen y se adapten a diferentes espacios. Además, son buenos aislantes eléctricos y algunos son resistentes a la intemperie.
Ejemplos de estos materiales son:
– El policloruro de vinilo o PVC (V): es un material económico y versátil que se utiliza ampliamente en cables para instalaciones domésticas, comerciales e industriales.
– La mezcla termoplástica a base de poliolefina (Z1): es un tipo de aislante que debe ser empleado en ciertas instalaciones de manera obligatoria, especialmente aquellas que requieran una baja emisión de humos y gases corrosivos.
– El polietileno termoplástico o PE (E): se caracteriza por sus excelentes propiedades dieléctricas, mecánicas y químicas, que lo convierten en una buena opción para diversas aplicaciones.
Las normativas establecen que la temperatura máxima de operación continua para estos aislantes es de 70ºC, mientras que la temperatura máxima permitida en caso de cortocircuito es de 160ºC.
Cables con Aislantes Eléctricos Termoestables
Los aislantes eléctricos termoestables, también conocidos como polímeros termoendurecibles, son materiales que no se ablandan ni se deforman con el calor.
La mayoría de estos aislantes conservan cierta flexibilidad dentro del rango de temperaturas de operación. Sin embargo, una vez instalados y expuestos a condiciones atmosféricas, tienden a endurecerse y ya no recuperan su maleabilidad, incluso a altas temperaturas. Esto les confiere excelentes propiedades mecánicas.
Por ejemplo, son termoestables los siguientes aislantes:
– El polietileno reticulado o XLPE (R): es un aislante con excelente resistencia mecánica y una alta resistividad dieléctrica, lo que lo convierte en un excelente aislante para cables eléctricos.
– La poliolefina termoestable o mezcla reticulada a base de poliolefina (Z): es una mezcla de diferentes tipos de poliolefinas que se someten a un proceso de reticulación para mejorar sus propiedades.
Dentro de los termoestables se encuentran los materiales derivados del caucho (gomas o elastómeros), llamados termoestables elásticos, que ofrecen como ventaja su gran flexibilidad. Se agrietan con facilidad cuando son expuestos a agentes atmosféricos, motivo por el cual deben ser tratados con azufre. Por ejemplo, son termoestables derivados del caucho:
– El etilenopropileno o EPR (D): es un material muy flexible que ofrece un buen balance de propiedades eléctricas, mecánicas y químicas.
– La goma de silicona (S): es un material aislante flexible y resistente al calor que se utiliza a menudo en aplicaciones de alta temperatura.
Los termoestables soportan mayor temperatura de servicio que los termoplásticos, siendo adecuados para instalaciones de distribución, enlace, alumbrado público e industriales en las que es importante que el cable presente altas prestaciones frente a sobrecargas y cortocircuitos.
Por exigencias de las normas, para estos aislantes se limita la temperatura máxima de servicio permanente a los 90 ºC y la temperatura máxima de cortocircuito a los 250 ºC.
Aislantes Eléctricos Más Utilizados en los Cables
Entre la amplia gama de materiales disponibles, 3 aislantes eléctricos destacan por su uso generalizado y sus características ventajosas:
Policloruro de Vinilo (PVC)
El policloruro de vinilo es un halógeno y, por ende, altamente reactivo. Cuando se quema, libera cloro, que reacciona con otros elementos presentes en la combustión, produciendo gases corrosivos, tóxicos y opacos.
Se utiliza en cables para instalaciones domésticas, comerciales e industriales de baja tensión.
El PVC es el aislante más común en cables eléctricos debido a su bajo precio, facilidad de instalación y versatilidad. Ofrece un buen aislamiento eléctrico y resistencia a la humedad. Además, es flexible y resistente a la abrasión.
Polietileno reticulado (XLPE)
El polietileno reticulado es un material más bien rígido, lo que limita su utilización a instalaciones fijas en las que no sea importante la flexibilidad. La ausencia de halógenos en su composición hace que los gases, producto de su eventual combustión no sean corrosivos. No presentan un buen comportamiento en presencia de humedad.
Se utiliza mucho en cables de distribución de media y baja tensión.
El XLPE ofrece muy alta resistencia térmica. Posee excelente aislamiento eléctrico, resistencia mecánica y química. En general, es un material durable y de larga vida útil.
Etileno propileno (EPR)
El etileno propileno es una goma que no presenta el problema de descargas parciales en presencia de humedad, como le ocurre al XLPE. Además, es mucho más flexible que este. Al igual que el XLPE, no tiene halógenos en su composición.
Se utiliza en algunos cables de media y baja tensión, especialmente en aplicaciones en exteriores y entornos industriales.
El EPR es un elastómero que ofrece un buen balance de propiedades eléctricas, mecánicas y químicas. Es muy flexible, resistente a la intemperie, al ozono y a una amplia gama de productos químicos. Además, soporta temperaturas de operación moderadas.
Para garantizar el buen funcionamiento y la vida útil de la instalación eléctrica, es fundamental la elección de cables de calidad, la instalación por personal calificado y el seguimiento de las normas de seguridad.
A continuación, examinaremos los aspectos principales asociados a los cables eléctricos, fundamental para realizar una selección apropiada y conseguir una instalación segura.
Características de los Cables Eléctricos
Comportamiento de los Cables Frente al Fuego
Designación Normalizada de los Cables de Baja Tensión
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