Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Pruebas aplicables a los conductores de energía eléctrica desnudos y protegidos utilizados por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz S.A. Por: Mariela Alfaro Alvarado. Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Noviembre del 2012

2 Pruebas aplicables a los conductores de energía eléctrica desnudos y protegidos utilizados por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz S.A. Por: Mariela Alfaro Alvarado. Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Raúl Fernández Vásquez Profesor Guía Ing. José David Arroyo Murillo Lector Ing. Guido Godínez Zamora Lector ii

3 DEDICATORIA Dedico este logro a Dios, por permitirme llegar hasta este momento tan importante de mi vida, por darme salud, fortaleza, sabiduría y paciencia para continuar y lograr mis objetivos. A mis padres, que con su amor y comprensión hicieron de mi lo que soy, por ser el ejemplo que busco seguir y porque gracias a ellos se cumplen mis sueños. A mis hermanos, que al igual que a mis padres los extraño cada día. A mi esposo, mi mejor amigo, que con su compañía y apoyo incondicional hizo que los obstáculos fueran más fáciles de superar. Con quien he compartido los momentos más dulces y amargos, sin dejar de lado la felicidad. A mis amigos, quienes me acompañaron en esta formación profesional y que hoy siguen siendo parte de mi vida. iii

4 AGRADECIMIENTOS A mis profesores, quienes en determinado momento brindaron su ayuda y conocimientos para conseguir este logro. Al Ing. Raúl Fernández Vásquez, por la sugerencia de este proyecto, por guiarme en su elaboración y por todas las observaciones y recomendaciones para finalizarlo. A los lectores, el Ing. Guido Godínez Zamora y el Ing. José David Arroyo Murillo, por su colaboración y apoyo en la elaboración de este trabajo. Al personal de Phelps Dodge, en especial al señor Noé Arita por la atención e información brindada para la elaboración de este proyecto. iv

5 ÍNDICE GENERAL 1 INTRODUCCIÓN Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología CONDUCTORES ELÉCTRICOS UTILIZADOS EN REDES AÉREAS DE DISTRIBUCIÓN Conductores para redes aéreas de distribución Conductor de aluminio Conductores de aluminio con alma de acero ACSR Conductor de aleación de aluminio AAAC Conductor de aluminio reforzado con aleación de aluminio ACAR Conductor de aluminio protegido Alambre para atar Conductores múltiplex Conductor de cobre desnudo Conductores utilizados por la CNFL NORMAS APLICABLES A CONDUCTORES AÉREOS Conductores de aluminio Conductor AAC Conductor ACSR Conductor AAAC v

6 3.1.4 Conductor ACAR Conductores protegidos Conductores de cobre PRUEBAS APLICABLES A LOS CONDUCTORES Medición del diámetro de los conductores Medición del área de sección transversal Determinación de la continuidad del revestimiento del conductor de cobre Determinación de la adherencia del revestimiento del conductor de cobre Prueba de Tracción a productos de aluminio Prueba de Resistividad Corrección de temperatura Prueba de tensión eléctrica aplicada al aislamiento Ensayo de penetración longitudinal de agua por el conductor protegido Medición de resistencia de aislamiento a temperatura ambiente Medición de resistividad de las pantallas semiconductoras Equipamiento necesario para pruebas a conductores CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Sección transversal del conductor. A. Circular compacto. [8] B. Trenzado. [10] 5 Figura 2.2. Longitud de paso de un conductor trenzado. [9]... 6 Figura 2.3. Formación del cable protegido, requerido por la CNFL S.A. [1] Figura 2.4. Sistema de red aérea compacta con espaciadores. [10] Figura 2.5. Conductores múltiplex de aluminio. [23] Figura 4.1. Colocación de la muestra para el ensayo de penetración de agua. [2] Figura 4.2. Medida de la resistividad en capa semiconductora. [3] vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Características de conductores desnudos AAC. [12]... 8 Tabla 2.2 Características eléctricas y mecánicas del conductor desnudo ACSR. [13]... 9 Tabla 2.3 Características eléctricas y mecánicas del conductor desnudo ACSR/AW. [14]... 9 Tabla 2.4 Características de conductores desnudos AAAC. [15] Tabla 2.5 Clasificación para conductores ACAR. [16] Tabla 2.6 Características mecánicas del conductor de aluminio protegido. [24] Tabla 2.7 Características mecánicas del alambre para atar. [17] Tabla 2.8 Características del conductor múltiplex. [21] Tabla 2.9 Características del conductor trenzado de cobre duro. [18] Tabla 2.10 Características del conductor trenzado de cobre semiduro. [9] Tabla 2.11 Características del conductor trenzado de cobre suave. [8] Tabla 2.12 Características principales para conductores de aluminio Tabla 2.13 Características principales para conductores de aluminio con alma de acero Tabla 2.14 Características principales para conductores de aleación de aluminio y de atar.19 Tabla 2.15 Características principales para conductores de cobre suave viii

9 NOMENCLATURA AAC AAAC ACAR ACSR Al ASTM AWG CPK CNFL HDPE ICEA IEC INTECO LDPE MCM NCA NBR Sp gr SPC XLPE Conductor de aluminio Conductor de aleación de aluminio Conductor de aluminio reforzado con aleación de aluminio Conductor de aluminio con alma de acero Aluminio American Society for Testing and Materials American Wire Gauge Índice de desempeño del proceso Compañía Nacional de Fuerza y Luz Sociedad Anónima Polietileno termoplástico de alta densidad Insulated Cable Engineers Association International Electrotechnical Commission Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica Polietileno termoplástico de baja densidad Miles de circular mils Nivel de calidad aceptable Assossiação Brasileira de Normas Tecnicas Gravedad específica Control estadístico de procesos Polietileno reticulado termoestable ix

10 RESUMEN Este proyecto se realizó como parte de la mejora continua en cuanto a la verificación de la calidad de los conductores de energía eléctrica que utiliza la CNFL y las principales pruebas que deben realizarse para la aceptación o rechazo de su compra. El estudio tuvo como base la lectura de normas para conductores de energía eléctrica, entre las que se pueden mencionar normas ASTM, INTE e IEC. A través de estas normas se logra determinar las características más importantes en el diseño y aplicación de los conductores. El diámetro, la resistividad eléctrica, la resistencia de tracción y el trenzado de los conductores desnudos son las características más sobresalientes, para los conductores protegidos se debe incluir también la resistividad del aislante. Se analizó cada norma requerida para el cumplimiento de las peticiones de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz a sus proveedores y se concluye que las características de fundamental cumplimiento son la resistividad del material, la resistencia a la tracción y el diámetro especificado en dichas normas. Como parte de la metodología se realizó una visita a la fábrica de Phelps Dodge donde, además, se obtuvo la información de los equipos utilizados para la realización de pruebas y el dimensionamiento del laboratorio. Se concluye que las pruebas indispensables para la aceptación o rechazo del producto deben realizarse en un laboratorio pequeño de unos 25 m 2 y a cargo de dos profesionales certificados para la realización de las pruebas. x

11 1 Introducción Actualmente las industrias fabrican sus productos con diferentes niveles de calidad con el fin de poder competir en el mercado mundial a un mejor precio, circunstancia que afecta a los fabricantes de conductores de energía eléctrica y a los usuarios de estos productos, quienes se ven afectados al elegir sus proveedores por no conocer con certeza la calidad de los conductores ni las pruebas a las que han sido sometidos. Esta es una realidad a la cual se enfrenta la Compañía Nacional de Fuerza y Luz S.A. en nuestro país, ya que una vez adquiridos los conductores que utilizan en su sistema de distribución de energía eléctrica no tiene la facilidad de acceso a laboratorios acreditados para comprobar la calidad y/o el cumplimiento de los diferentes requerimientos solicitados a los fabricantes de estos conductores eléctricos. Es por esta problemática que se presenta la necesidad de establecer un control más estricto en la calidad de los conductores adquiridos. Como parte del mejoramiento continuo de la CNFL, se busca estudiar la posibilidad de crear un laboratorio que cuente con los equipos adecuados para realizar las principales pruebas que permitan la verificación de la calidad de los conductores de energía eléctrica. Este proyecto tiene como base la caracterización y estudio de los conductores aéreos utilizados por la CNFL en los sistemas de distribución de energía eléctrica y principalmente con un enfoque hacia las pruebas necesarias que aseguren el cumplimiento de las características que se solicitan y que deben realizarse a cada tipo de conductor de acuerdo con las normas aplicables a cada uno de ellos. Además, se hace una investigación de los equipos necesarios y las instalaciones requeridas para la realización de las pruebas. 1

12 1.1 Objetivos Objetivo general Determinar las principales pruebas que se deben realizar a los conductores desnudos y protegidos utilizados por la CNFL en las redes aéreas de distribución de energía eléctrica Objetivos específicos Enlistar y caracterizar los tipos de conductores aéreos utilizados por la CNFL en los sistemas de distribución. Realizar una revisión de las normas INTE, IEC, ASTM, NBR e ICEA aplicables a cada tipo de conductor. Establecer las principales pruebas para cada tipo de conductor de acuerdo con las normas analizadas. Establecer los equipos necesarios para la realización de pruebas a los conductores, así como el espacio requerido para su instalación y el personal necesario para la realización de pruebas. 2

13 1.2 Metodología Este proyecto es de carácter investigativo, por lo tanto, se basa en la lectura de diferentes documentos con referencia a la conducción aérea de energía eléctrica, entre ellos y principalmente las normas nacionales e internacionales aplicables a conductores desnudos o protegidos utilizados por la CNFL, de aluminio o cobre. A partir del estudio de las normativas se van a enlistar y analizar las pruebas que se sugiere en cada una para los diferentes tipos de conductores. Tomando como base las pruebas estudiadas en la primera parte, se determinará preliminarmente el equipamiento necesario para el laboratorio de ensayos a conductores, así como las instalaciones y personal encargado de desarrollar las pruebas empleando dichos equipos. 3

14 2 Conductores eléctricos utilizados en redes aéreas de distribución Los conductores eléctricos son cuerpos con la capacidad de transportar electricidad, fabricados con materiales que poseen una alta conductividad eléctrica. Según el uso que se le quiera dar se estudian las características mecánicas, eléctricas y el costo del material. El material con mayor conductividad es la plata pero al tener un elevado precio, hace que el cobre y el aluminio sean los más utilizados en el mercado eléctrico. El cobre es el material conductor más utilizado, posee el segundo lugar en conductividad y es muy económico en comparación con la plata. Es dúctil, maleable y muy resistente a la tracción. Mientras que el aluminio es el tercero en conductividad pero su peso es menor, lo que favorece a las líneas aéreas con largas distancias. Es un material blando por lo que permite ser trabajado de diferentes formas, no es muy resistente a la tracción. Se definen a continuación las principales características de los conductores. La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un cuerpo al paso de corriente eléctrica a través de él, su magnitud depende de la longitud, la sección y material del conductor; según sea esta magnitud, los materiales se clasifican en conductores, aislantes o semiconductores. La magnitud de la resistencia eléctrica se define como: (2-1) Donde: R: resistencia eléctrica. ρ: resistividad del material. L: longitud del conductor. A: área de la sección transversal del conductor. Esta resistencia provoca una caída de tensión y pérdida de energía por Efecto Joule, donde la energía se transforma en calor. 4

15 La sección transversal de un conductor puede en general tomar cualquier forma, circular, triangular y cuadrada entre otras, sin embargo la más utilizada es la sección circular. El área de la sección transversal de un conductor es inversamente proporcional a la resistencia eléctrica, así mismo el diámetro del conductor. Es decir, si se aumenta el área transversal del material conductor, el flujo de electrones tiene mayor facilidad para su propagación disminuyendo así la resistencia eléctrica. Dureza se le llama a la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro material más duro, esta característica puede ser modificada a través de un tratamiento térmico denominado temple, mediante el cual se eleva la temperatura del material hasta cierto valor y se enfría rápidamente. Un conductor eléctrico trenzado puede estar formado por dos o más hilos conductores entrelazados y es más flexible que un hilo conductor único, mientras que en el conductor compacto los hilos tienen diferentes secciones aprovechando mejor el espacio. Figura 2.1. Sección transversal del conductor. A. Circular compacto. [8] B. Trenzado. [10] El paso, o longitud de trenzado, es la distancia de un alambre medida hasta dar una vuelta completa alrededor del núcleo mediante el trenzado. Esta distancia se ejemplifica en la Figura

16 Figura 2.2. Longitud de paso de un conductor trenzado. [9] Cuando un material se expone a un aumento de temperatura recibe energía en sus moléculas y estas vibran aumentando el espacio entre ellas, esto lleva a expansión térmica del material que puede ser de forma lineal, superficial o volumétrica. Comúnmente los conductores eléctricos se expanden linealmente, y por la relación directa entre resistividad y longitud del conductor esta resistencia aumentará. La vibración en las moléculas aumenta también la resistividad del material, debido a la repulsión entre electrones que los dispersa al aumentar la temperatura. La composición química de los conductores varía con el uso que se quiere dar. El aluminio es inalterable en el aire, ya que por su afinidad al oxígeno crea una capa de óxido de aluminio adherente e impermeable que protege el resto del material, el aluminio se utiliza en aleaciones de magnesio, silicio y cromo para mejorar su resistencia mecánica. El magnesio al igual que el aluminio cuenta con una capa de óxido que lo protege, el cromo es un elemento duro y resistente a la corrosión, mientras que el silicio aporta dureza a este tipo de aleación. Resistencia mecánica es la propiedad que tienen los materiales para soportar las diferentes fuerzas aplicadas sobre su cuerpo, entre ellas están las fuerzas de tensión, impacto, compresión o fuerzas a altas temperaturas. Resistencia a la fatiga es la resistencia a fuerzas aplicadas sobre el material de forma repetida y que pueden ser la causa de la rotura del material. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes. [16] Estas características son la base para analizar el tipo de conductor que debemos utilizar en cada proyecto, buscando siempre un balance entra las características físicas y 6

17 mecánicas requeridas en la instalación y las características eléctricas necesarias para el transporte de la electricidad, así como su economía que también debe ser valorada. Existen muchos tipos de conductores, sin embargo se pueden clasificar de forma general como desnudos, protegidos y con aislamiento. Para redes aéreas de distribución se utiliza en mayor parte los desnudos, que no poseen ningún tipo de protección, y en menor cantidad los protegidos o recubiertos por un material con función protectora. El aluminio, el acero, la aleación de aluminio y el cobre son los materiales utilizados para su fabricación. Es por esta razón que este trabajo se enfoca en estos tipos de conductores, dando prioridad a los desnudos y un menor enfoque en los protegidos, dada la aplicación de estos en el país. 2.1 Conductores para redes aéreas de distribución Conductor de aluminio Este conductor es conocido como AAC por sus siglas en inglés, All Aluminum Conductor. Está formado por un alambre redondo rodeado con una o más capas de cables concéntricos que lo envuelven de forma helicoidal. Se fabrican en dos clases, Clase AA para conductores desnudos normalmente utilizados en líneas de distribución aéreas y la Clase A para conductores con mayor flexibilidad, desnudos y recubiertos con materiales resistentes a la interperie. Los conductores AAC se producen con aluminio 1350, el cual tiene una pureza de al menos 99,5% y sus principales impurezas son el hierro y el silicio. Posee alta conductividad y resistencia a la corrosión, pero su resistencia mecánica es baja. Normalmente se utilizan en líneas de transmisión y distribución para tramos cortos donde se desee un conductor liviano. Se clasifican por códigos de acuerdo a sus propiedades, se ejemplifican en la Tabla

18 Tabla 2.1 Características de conductores desnudos AAC. [12] Código Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km Peachbell Iris Phlox 3/ Tulip Cosmos Anemone Crocus Conductores de aluminio con alma de acero ACSR El conductor conocido como ACSR por las siglas en inglés Aluminum Conductor Steel Reinforced, es un conductor concéntrico compuesto de una o más capas de hilos de aleación de aluminio 1350 y un núcleo que puede ser constituido por uno o diversos hilos de acero enlazados conforme la dimensión del cable. Debido a las numerosas combinaciones posibles de aluminio y acero, se puede varias las proporciones de los mismos a fin de obtener una mejor relación entre las capacidades de transporte de corriente y resistencia mecánica para cada aplicación. El núcleo de acero aporta dureza y resistencia mecánica al conductor, este debe ser galvanizado, que es un recubrimiento de zinc para darle una mayor resistencia a la abrasión y a la corrosión. Este tipo de conductor es utilizado en redes de transmisión aéreas y redes de distribución primaria o secundaria, además, se le aplica un anticorrosivo grasoso que permite su uso en zonas costeras o industriales. Algunos ejemplos se muestran en la Tabla

19 Tabla 2.2 Características eléctricas y mecánicas del conductor desnudo ACSR. [13] Código Calibre AWG o MCM Sección Total mm 2 Número de alambres Al-Acero Diámetro Cable mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km Wren Pigeon 3/ Owl Piper Heron Duck Grosbeak El ASCR además tiene una variante llamada ACSR/AW, del Aluminum Conductor Steel Reinforced/ AlumoWed, la cual tiene un revestimiento de aluminio en el núcleo de acero, permitiendo una conductividad ligeramente mayor a la ASCR y mayor resistencia a la corrosión. Se incluyen algunos ejemplos en la Tabla 2.3. Tabla 2.3 Características eléctricas y mecánicas del conductor desnudo ACSR/AW. [14] Código Calibre AWG o MCM Sección Total mm 2 Número de alambres Al-Aw Diámetro Cable mm Peso Total kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km Swan/AW Pigeon/AW 3/ Merlin/AW Flicker/AW Eagle/AW Grosbeak/AW Tem/AW

20 2.1.3 Conductor de aleación de aluminio AAAC Conductor conocido como AAAC por sus siglas en inglés, All Aluminum Alloy Conductor. Fabricado con aleación de aluminio 6201, la cual, contiene magnesio y silicio que al combinarse entre sí endurecen la aleación y mejoran la resistencia mecánica del conductor. Utilizado en líneas aéreas donde se requiere una resistencia mecánica entre 40% y 50% mayor a la del conductor AAC o en tramos más largos, su carga de ruptura es superior a la del AAC y posee mayor resistencia a la corrosión que el ACSR. Algunos cables de este tipo se muestran en la Tabla 2.4, donde se clasifican por código y se muestran algunas de sus propiedades físicas, mecánicas y eléctricas. Tabla 2.4 Características de conductores desnudos AAAC. [15] Código Calibre MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km Akron Ames Anaheim Alliance Canton Darien Flint Conductor de aluminio reforzado con aleación de aluminio ACAR Por sus siglas en inglés es conocido como ACAR, Aluminum Conductor Alloy Reinforced. Construido por círculos trenzados concéntricos de alambres de aluminio

21 con un núcleo de aleación de aluminio 6201, de los cuales, ya se han mencionado anteriormente sus características. El conductor ACAR tiene mayor resistencia mecánica que los AAC y su conductividad es menor que los conductores AAC y mayor a los AAAC. En la Tabla 2.5 se muestran las propiedades para la clasificación de esta clase de conductores. Tabla 2.5 Clasificación para conductores ACAR. [16] Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Al-Aleación Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km / Conductor de aluminio protegido Es un conductor de aluminio puro (AAC) con sección circular compacta cubierto por una capa semiconductora y sobre esta una cubierta protectora, ambas de polietileno reticulado termoestable XLPE o polietileno termoplástico de alta y baja densidad (HDPE/LDPE), dependiendo del fabricante y la norma que aplica; también se fabrican con un bloqueo contra penetración de agua compuesto por un material compatible con la cubierta protectora. 11

22 Figura 2.3. Formación del cable protegido, requerido por la CNFL S.A. [1] Este tipo de conductor se utiliza para la instalación de redes aéreas compactas y horizontales, las cuales, se están desarrollando para líneas de media tensión en zonas arboladas, industriales o de espacio reducido. Figura 2.4. Sistema de red aérea compacta con espaciadores. [10] Los conductores protegidos son cada vez más utilizados por sus ventajas de protección al sistema eléctrico en caso de contacto entre fases, fase y neutro, o ante el contacto con ramas en zonas arboladas. 12

23 Tabla 2.6 Características mecánicas del conductor de aluminio protegido. [24] Sección mm 2 Voltaje aplicado kv Diámetro conductor mm Diámetro total mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km Alambre para atar Se utiliza para fijar el conductor al aislador. Se puede colocar sobre el conductor o sobre las guarda líneas preformadas de aleación de aluminio que protegen el conductor al entrar en contacto con el aislador de porcelana tipo poste, brindando una mayor protección mecánica en la instalación del conductor. En la Tabla 2.7 se muestran las principales características mecánicas de este tipo alambre. Tabla 2.7 Características mecánicas del alambre para atar. [17] Calibre AWG Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg

24 2.1.7 Conductores múltiplex Se les llama así a los multiconductores formados por uno o más conductores de fase, para el servicio trifásico, o líneas en acometidas con aislamiento, y un conductor desnudo, al cual, se le conoce como mensajero y cumple la función de neutro mientras da el soporte al conductor múltiplex. Se clasifican como dúplex, tríplex y cuádruplex, cuando se forman por uno, dos o tres conductores de fase o línea, respectivamente, y un mensajero, tal y como se muestra en la Figura 2.5. Figura 2.5. Conductores múltiplex de aluminio. [23] Los conductores de fase son de tipo AAC o AAAC, el espesor de su aislamiento se define por el calibre del conductor y el rango de voltaje que se le aplicará. El conductor desnudo, ya sea del tipo AAC, AAAC o ACSR, se elige de acuerdo con las condiciones atmosféricas de la zona, la distancia que cubrirá y la carga del diseño mecánico. Los conductores multiplex son utilizados en sistemas aéreos de distribución de baja tensión, alumbrado público, acometidas de servicio y líneas de baja tensión. Más específicamente, los dúplex son utilizados en instalaciones temporales de construcción o alumbrado público, los tríplex se utilizan para alimentar acometidas desde el transformador 14

25 o el bastidor de baja tensión y los cuádruplex cumplen la misma función de tríplex pero en sistemas trifásicos. Se adjuntan algunos ejemplos en la Tabla 2.8. Tabla 2.8 Características del conductor múltiplex. [21] Conductor Código Calibre MCM Número hilos de conductor Espesor de aislamiento mm Número hilos de mensajero Diámetro mm Peso kg/km Dúplex Terrier Dúplex Bull 1/ Tríplex Calma Tríplex Ranella 1/ Cuádruplex Hackney Cuádruplex Costena 1/ Conductor de cobre desnudo Su fabricación es con cobre al 99,9% puro. El cobre es el metal ideal para las instalaciones eléctricas, por su alta conductividad, resistencia a la corrosión y resistencia mecánica, pero su peso y precio no siempre lo permiten. Son utilizados en conexiones de neutro, aterrizamiento y en las líneas de media tensión. Los conductores de cobre desnudo se pueden sub-clasificar en tres tipos de acuerdo con su grado de dureza, estos son: Conductor Sólido o Trenzado - Duro Su conductividad es aproximadamente del 97% con respecto al cobre puro, alta resistencia mecánica con capacidad de ruptura a la carga entre 37 y 45 kg/mm 2. 15

26 Es utilizado para bajantes a tierra de líneas de transmisión de potencia y líneas de distribución, así como para el aterrizamiento de equipos electromecánicos. A continuación se muestra una tabla con las características de algunos conductores trenzados. Tabla 2.9 Características del conductor trenzado de cobre duro. [18] Calibre MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km / Conductor Sólido o Trenzado - Semiduro Conductor con aplicaciones similares al anterior pero con resistencia mecánica menor al conductor de cobre duro. A continuación se muestran algunas características para el conductor trenzado. Tabla 2.10 Características del conductor trenzado de cobre semiduro. [9] Calibre MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC a 20 C Ohm/km / /

27 Conductor Sólido o Trenzado - Suave Su conductividad es del 100% con respecto al cobre puro, mientras que la resistencia mecánica es media con una carga de rotura de 25 kg/mm 2. Este conductor dúctil y flexible es ideal para el aterrizamiento de equipos o máquinas. En la Tabla 2.11 se muestran algunas características para el conductor. Tabla 2.11 Características del conductor trenzado de cobre suave. [8] Calibre MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia máxima CC 20 C Ohm/km / /

28 2.2 Conductores utilizados por la CNFL En las Tablas 2.12, 2.13, 2.14 y 2.15 se muestran las principales características físicas, eléctricas y mecánicas de conductores aéreos, que por motivos de normalización en los calibres, son los utilizados por la CNFL. Tabla 2.12 Características principales para conductores de aluminio. Tipo Código Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC-20 C Ohm/km AAC Iris AAC Phlox 3/ AAC Tulip AAC Cosmos Protegido 15 kv Protegido 35 kv Tríplex Patella Tríplex Oyster Tríplex Clam

29 Tabla 2.13 Características principales para conductores de aluminio con alma de acero. Tipo de Conductor Código Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC-20 C Ohm/km ACSR Pigeon 3/ ACSR Grosbeak Tabla 2.14 Características principales para conductores de aleación de aluminio y de atar. Tipo de Conductor Alambre para atar Código Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia a tracción mínima kg Resistencia máxima CC-20 C Ohm/km AAAC Canton Tabla 2.15 Características principales para conductores de cobre suave. Tipo de Conductor Calibre AWG o MCM Sección mm 2 Número de alambres Diámetro mm Peso kg/km Resistencia máxima CC 20 C Ohm/km Sólido Trenzado 1/ Trenzado 3/

30 3 Normas aplicables a conductores aéreos. Existe gran cantidad de normas bajo las cuales se puede definir la fabricación de diferentes tipos de conductores de energía eléctrica. Sin embargo las normas que se investigan en este capítulo son las que se aplican a los tipos de conductores caracterizados en el capítulo anterior, los que utiliza la CNFL y que le pide cumplir a sus proveedores. 3.1 Conductores de aluminio Los conductores de aluminio se deben fabricar bajo el cumplimiento de las siguientes normas, donde se establecen las diferentes características físicas, eléctricas y mecánicas de los conductores de aluminio. Se especifica la construcción de cada alambre y su material, también la densidad, la masa, la resistencia eléctrica y el acabado final, además las pruebas a las que se deben someter y el embalaje con el que deben entregarse los conductores. Algunas normas que se aplican a la fabricación y regulación de los conductores de aluminio son la ASTM B233 y ASTM B609, las cuales se describen a continuación. ASTM B233: Especificación estándar para el proceso de formación del aluminio 1350 para uso eléctrico. El fabricante puede producir los conductores a partir de la fundición de lingotes o de barras, la escogencia depende de sí mismo en cuanto no se tenga un acuerdo previo con el comprador. El material de producción deberá ajustarse a la composición química establecida en esta norma, para la cual debe contar con un 99,5 % de aluminio y el 0,5% restante puede ser zinc, cobre, hierro, entre otros; manteniéndose siempre en pequeñas cantidades. La 20

31 conformidad de esta norma se tendrá del análisis de las muestras tomadas en el momento de la fundición de barras y lingotes, o desde muestras del producto acabado o semiacabado. El número de muestras varía dependiendo del momento en el proceso que sea tomada la muestra, al menos una muestra debe tomarse cuando se está en la fundición o el vertido de los lingotes, si el producto está acabado o semi acabado se toma una muestra por cada 2300 kg. La resistencia a la tracción de las uniones hechas en el conductor acabado no deberá ser inferior a 59 MPa para el aluminio 1350 y no menos de 76 MPa para otros tipos de aluminio. El método de ensayo de tracción debe realizarse de acuerdo con la norma ASTM B557 y el método de prueba de resistividad se efectuará en conformidad con la especificación ASTM B193 con una muestra cada kg de producción. El diámetro promedio se determinará con muestras del 10% del total de los carretes del lote de producción. El diámetro no debe variar más de 0,9 mm y si una bobina no se ajusta a este valor entonces cada una será medida y las no conformes serán rechazadas. ASTM B609: Especificación estándar para alambre redondo de aluminio 1350, recocido y de temple intermedio, para usos eléctricos. El forjado del material a utilizar debe cumplir con los requisitos de la especificación ASTM B233, el fabricante puede producir los temples medios o semiduros bajo sometimiento a tensión, con o sin recocido, según sea el tipo de temple. Las pruebas de tensión de las uniones deberán hacerse cuando lo solicite el comprador y deberán cumplir con los valores establecidos en esta norma. El muestreo se hará en mutuo acuerdo entre el fabricante y el comprador. Para esta norma no hay especificaciones con respecto a las pruebas de flexión debido a la ductilidad del material procesado y la resistencia a la tracción se calcula de acuerdo con la especificación ASTM B557. En esta prueba de resistencia, si se llegara a dar 21

32 una fractura en los agarres de la máquina sin existir visibilidad de un daño externo en la muestra, entonces el valor obtenido no es representativo y se debe hacer una nueva muestra. La resistividad se determina, de acuerdo a la norma ASTM B193. ASTM B830: Especificación estándar para métodos de prueba uniformes y frecuencia de pruebas. Esta especificación trata sobre una base estándar para pruebas uniformes y la frecuencia para determinar el cumplimiento físico y eléctrico del forjado del aluminio y del cobre, así como conductores de aluminio y de cobre. El diámetro y la tracción deben ser probadas con una inspección general y con un nivel de calidad aceptable (NCA) de 4,0%. La resistividad se probará utilizando una inspección especial con un NCA de 4,0%. La falla de una de las muestras para cumplir los requisitos de las normas ASTM aplicables, constituirá un fracaso de la unidad de producción del cual la muestra fue tomada. Los lotes rechazados se pueden seleccionar para eliminar las unidades de producción no conformes, probando una muestra de cada unidad de producción en el lote para la característica rechazada Conductor AAC El conductor de aluminio se fabrica bajo el cumplimiento de las normas ASTM B230 y ASTM B

33 ASTM B230: Especificación estándar para alambre de aluminio 1350-H19 para usos eléctricos. 1 En esta norma se indica que la manufactura del conductor debe cumplir con la norma ASTM B233 para el forjado del aluminio al aumentar la longitud de la masa. Algunas características que se especifican en la norma se detallan a continuación. La densidad del aluminio 1350 se toma de esta norma como 2705 kg/m 3 a 20 C. La capacidad de flexión del alambre debe soportar ser enrollado en espiral o alrededor de su propio diámetro, no debe producirse ninguna fractura para su aprobación. La resistividad no debe exceder valores que se obtienen a partir del valor fundamental IEC, el cual se basa en la Norma Internacional del Cobre Recocido (IACS, por sus siglas en inglés, International Annealed Copper Standard), aprobada por la IEC en 1913, que a 20 C y por el 100% de conductividad, es: (3.1-1) En la norma se establece que no debe haber uniones en un alambre terminado, a excepción de que exista un acuerdo con el comprador, entonces pueden efectuarse durante el estiramiento final o en un alambre ya terminado por electrosoldadura o soldadura a presión en frío cumpliendo con las siguientes características: Para diámetros de 0,225 a 1,25 mm no puede haber más de tres uniones en un carrete. Para diámetros mayores a 1,25 mm las uniones se hallarán a no menos de 15 m una de la otra o de los extremos del alambre, además, no más del 10% de los carretes pueden tener estas uniones. Las pruebas de tensión de muestras que contienen uniones en el alambre ya acabado se harán cuando el comprador así lo solicite, deben dar un resultado no menor a 145 MPa para uniones electrosoldadas y no menor a 75 MPa para uniones soldadas a presión en frío. 1 Requisito interpuesto por la CNFL para la aceptación del producto. 23

34 El muestreo debe realizarse con respecto a los métodos estadísticos de muestreo, según se dispone por la especificación ASTM B830. Finalmente, los métodos de prueba para este tipo de conductor se desarrollan en el Capítulo 4 de este documento, así como los equipos necesarios para su aplicación. ASTM B231: Especificación estándar para conductores de aluminio 1350 de trenzado concéntrico. 2 Esta especificación ordena los conductores en varias clases. La Clase AA, para conductores desnudos utilizados normalmente en líneas primarias de conducción de energía eléctrica, la Clase A para conductores recubiertos con materiales resistentes a la interperie y conductores desnudos con mayor flexibilidad que la de la Clase AA, la Clase B se utiliza con conductores aislados por caucho, papel u otros, mientras que las clases C y D son para conductores con flexibilidad mayor a las anteriores. Las clases AA y A deben fabricarse con aluminio 1350-H19, para las otras clases el comprador designará la dureza de sus conductores según lo requiera para su aplicación, siempre y cuando el conductor este compuesto por alambres de igual temple. Las uniones en los alambres sólo se podrán realizar soldadura en frío o electrosoldadura a presión en los 6 alambres exteriores de un conductor de clase AA o clase A de 7 hilos. Para las clases B, C y D las uniones pueden realizarse siempre y cuando se respete una distancia entre uniones de 0,3 m, valor que establece esta norma. En las clases AA y A la distancia permitida entre uniones es mayor y depende del número de hilos del conductor, por ejemplo, para el conductor de 7 hilos debe respetarse una distancia entre uniones no menor a 15 m. Con respecto a la longitud de paso, esta norma especifica que para los conductores de Clase AA de siete hilos o más, la longitud de paso recomendada es 13,5 veces el diámetro exterior de la capa, pero no debe ser menor a 10 o mayor a 16 veces este diámetro. 2 Requisito interpuesto por la CNFL para la aceptación del producto. 24

35 Para las demás clases la longitud de paso del trenzado será no menos de 8 ni mayor a 16 veces el diámetro exterior de esa capa, excepto para los conductores compuestos por 37 hilos. Además, esta especificación se aplica solo a dos capas exteriores, las demás capas quedarán bajo negociación con el comprador. Esta norma también deja establecida la dirección de la postura de la capa exterior, la cual debe ser hacia la derecha para las clases AA y A, y hacia la izquierda para las otras clases, en caso de conductores de sección transversal mayor a 8 mm 2 se debe invertir la dirección del trenzado en capas consecutivas. Estas especificaciones pueden variar de acuerdo a la solicitud del comprador. La resistencia a la fatiga nominal de un conductor es un porcentaje de la suma de fuerzas de los hilos que lo componen, se calcula utilizando el diámetro nominal del alambre y la resistencia a la tracción mínima según la norma ASTM B230 para alambres de aluminio 1350-H19. La densidad del aluminio 1350 se tomará como 2705 kg/m 3 a 20 C y el incremento de masa y resistencia eléctrica se puede dar de un 2% a un 4%, según lo que establece esta norma. Mientras que la variación de área de sección transversal del conductor no deberá ser inferior al 98% del área nominal ya especificada. El área de sección transversal puede ser determinada a partir de las mediciones de diámetro de los hilos que componen un conductor, el diámetro se mide perpendicularmente a sus ejes o por medio del método de ensayo de la norma B263. Para las pruebas mecánicas y eléctricas, de los conductores no recocidos después del trenzado, deben realizarse y ser aprobadas para cada hilo que compone el conductor antes del trenzado y acabado final, sin embargo, si lo acepta el comprador, estas pruebas pueden omitirse y probar el conductor terminado como una unidad, la resistencia de rotura no deberá ser menor a la resistencia nominal del aluminio 1350-H19. Las pruebas de elongación se pueden realizar sólo con fines informativos y todos los hilos que componen un conductor deberán cumplir las propiedades de flexión indicados en la norna ASTM B

36 Por otra parte, se indica que las propiedades de tracción y la resistividad eléctrica serán determinadas en muestras tomadas del 10% de los carretes y de no menos de cinco carretes en caso de un lote de producción menor. La resistividad se determinará según la especificación ASTM B230 y cuando los cables extraídos del conductor se prueban, deberán tener una tracción no menor al 95% de la resistencia mínima a la tracción ni más de 105% de la resistencia a la tracción máxima prescrita en la especificación ASTM B609M. Si los resultados del análisis de una muestra, de cualquier carrete, no se ajustan a los requisitos de esta norma, se tomarán dos muestras adicionales que deberán ser probadas y la media de los tres ensayos determinará la aceptación o rechazo del lote Conductor ACSR El conductor de aluminio con alma de acero se fabrica bajo el cumplimiento de las siguientes normas ASTM B230, ASTM B232, ASTM B498 y ASTM B500, las cuales se describen a continuación, exceptuando la especificación B230 que se desarrolló en la sección de este documento. ASTM B-232: Especificación estándar para conductores de aluminio con alma de acero y trenzado concéntrico. 3 En el caso de esta especificación, los conductores se clasifican como Clase AA para conductores desnudos normalmente utilizados en líneas primarias de distribución de electricidad y conductores de alta resistencia mecánica para distancias más largas. La Clase A es para conductores con aislamiento para resistir a la interperie. 3 Requisito interpuesto por la CNFL para la aceptación del producto. 26

37 Antes trenzado, el cable de aluminio utilizado debe cumplir con los requisitos de la especificación ASTM B230 y el cable de acero deberá cumplir con las especificaciones ASTM B498. En esta especificación se indica que las uniones en los alambres del conductor, al igual que en casos anteriores, debe hacerse por electrosoldadura o soldadura a presión en frío, y se pueden hacer durante el proceso de trenzado, siempre que se respete la distancia de al menos 15 metros entre uniones del mismo alambre o en cualquier otro hilo del conductor. Y no podrá haber ninguna clase de unión en un producto acabado recubierto de zinc o de una aleación de metal mixto. La construcción del conductor ACSR puede realizarse con alambre de acero de acuerdo a la resistencia mecánica y el tipo de recubrimiento. Se va a profundizar únicamente en los alambres de acero galvanizado, con clases básicas de recubrimiento de acuerdo con la Especificación B498 para alambres de acero recubierto de zinc. La longitud de trenzado se determina de acuerdo a su material de fabricación, las capas de hilos de aluminio deben cumplir con la Especificación B231, mientras que las capas de alambre de acero deberán ajustarse a los requisitos de la norma B500. Antes de realizar el trenzado, los alambres de aluminio y acero deberán tener temperaturas aproximadamente iguales, el diámetro del conductor ya terminado no deberá ser menor a un 99% ni superior al 101% de los valores normados. La resistencia mecánica nominal de un conductor completo será la resistencia total del aluminio y el acero, calculado de la siguiente manera: la contribución de la fuerza de los alambres de aluminio se calcula según la especificación ASTM B230, y la contribución de resistencia de los alambres de acero del núcleo se tomará en función del número de capas de cables de acero de acuerdo con la norma ASTM B498. Para el propósito de calcular la masa por unidad de longitud y la sección transversal, la densidad del aluminio 1350 se toma como 2705 kg/m 3 y la densidad del acero galvanizado se tomará como 7780 kg/m 3, ambos casos a 20 C. 27

38 El área de sección transversal, al igual que en la especificación ASTM B231, puede ser determinada a partir de las mediciones de diámetro de los hilos que componen un conductor, o por medio del método de ensayo de la norma ASTM B263 que se detalla en el Capítulo 4. Las especificaciones sobre pruebas mecánicas y eléctricas para este tipo de conductor son las mismas que en la norma ASTM B231. ASTM B498: Especificación estándar para el núcleo de acero galvanizado de conductores eléctricos aéreos. Esta especificación se aplica a cables redondos, galvanizados, con alma de acero y con dos clases de revestimiento de zinc para su uso en líneas de media tensión de distribución de energía eléctrica. El metal base para la fabricación de estos alambres es el acero, el alambre debe ser estirado en frío y revestidos con zinc para alcanzar las propiedades deseadas. El zinc utilizado para el recubrimiento será de alto grado o mejor, conforme a la Especificación ASTM B6. Los ensayos de tracción se realizarán de acuerdo con la Especificación ASTM A370, las muestras deben estar libres de curvas o torceduras y no deberá fracturarse cuando el alambre se envuelve a una velocidad superior o igual a 15 vueltas por minuto en una hélice, se realizarán al menos ocho vueltas alrededor de un mandril cilíndrico con un diámetro igual a dos veces el diámetro especificado del cable bajo prueba, aproximadamente 5%. El recubrimiento de zinc debe ser liso, continuo, de espesor razonablemente uniforme, y libre de imperfecciones. La prueba de revestimiento se realizará de acuerdo con el método de la Especificación ASTM A90/A90M. 28

39 Las uniones deberán realizarse con soldadura en frío y una vez que el cable esté terminado y la resistencia a la tracción de una muestra de alambre acabado que contiene la sección soldada no deberá ser inferior a 96% del valor mínimo especificado. Se tomará una muestra de cada 2500 kg en el lote de inspección, al menos la mitad de las muestras deberá cumplir con las especificaciones de esta norma. Si una o más muestras falla, los ensayos se deben repetir con dos unidades de muestra más, del mismo lote de 2500 kg que no cumplió las pruebas, y si alguna de estas muestras adicionales no cumple con las pruebas entonces el carrete será rechazado. ASTM B500: Especificación estándar para el núcleo trenzado de acero galvanizado o con recubrimiento de aluminio. Esta especificación contempla los conductores de 7, 19, 37 y 61 hilos galvanizados, o de aluminio recubierto para el núcleo trenzado de conductores eléctricos. Todas las longitudes de núcleo trenzado tendrán una tolerancia de 2% y la resistencia a la tracción nominal máxima deberá calcularse como un porcentaje de acuerdo al número de alambres, el cumplimiento de esta especificación se puede mostrar mediante pruebas individuales a cada conductor. En el caso de que una de las unidades de muestra falle la prueba, será suficiente motivo para el rechazo del lote que esta muestra representa. Puede sustraerse una nueva muestra del mismo lote de producción y rechazar solamente los carretes defectuosos Conductor AAAC Los conductores de aleación de aluminio se fabrican bajo la especificación de las normas ASTM B398 y ASTM B399, las cuales se detallan como sigue. 29

40 ASTM B-398: Especificación estándar para alambres de aleación de aluminio T81 para usos eléctricos. 4 Esta especificación comprende el conductor de aluminio 6201-T81, tratado térmicamente, trabajado en frío y por último envejecido de forma artificial. El tratamiento térmico, el forjado del alambre y envejecido deben ser probados y aceptados por los métodos de ensayo de la especificación ASTM B557. A petición del comprador, las pruebas de tensión deberán ser realizadas sobre muestras ya tratadas. Si se realizaran uniones en los alambres, después de que el material ha sido tratado térmicamente pero antes del forjado del metal, entonces las pruebas deberán mostrar al menos el 90% de la resistencia mínima especificada en esta norma. A petición del comprador, las pruebas de tensión deberán ser realizadas sobre muestras ya terminadas o de alambres que fueron unidos durante el forjado del metal. La resistencia de tracción no debe ser menor a 290 MPa para soldadura a presión en frío y no menor de 100 MPa para electrosoldaduras. La resistencia eléctrica debe ser determinada por el método de prueba de la especificación ASTM B193 y para el cálculo de la masa y la longitud de secciones transversales se tomará la densidad de la aleación de aluminio 6201 como 2690 kg/m 3 a 20 C. El diámetro del cable debe probarse al 10% de los carretes del lote de producción pero no a menos de 5 carretes en caso de un lote de producción menor, y debe ser medido en 3 lugares diferentes. Si el cable está enrollado en el carrete, deberá hacerse una medición cerca de cada extremo y el último en el medio. Para las uniones entre alambres se sigue el mismo lineamiento descrito por otras normas ya mencionadas. Las uniones deben realizarse con alambres ya acabados, con soldaduras en frío, con distancia entre uniones de al menos 15 metros, entre otras especificaciones ya mencionadas anteriormente. 4 Requisito interpuesto por la CNFL para la aceptación del producto. 30