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Es obvio que hay diferencias en las propiedades de los materiales, como la capacidad, el peso y el coste entre el aluminio (Al) y el cobre (Cu) a tener en cuenta para una aplicación eléctrica. El Al era más frecuente en el pasado para productos como barras colectoras, fusibles y disyuntores. Con el tiempo, algunos diseñadores han cambiado los componentes de Al a Cu. Hoy en día, debido a la estabilidad del coste y al recubrimiento, algunos diseñadores están volviendo a cambiar.
Materiales
Los malentendidos sobre las propiedades entre el Al y el Cu pueden surgir debido a los diferentes grados de metales utilizados en diferentes aplicaciones eléctricas. El Cu utilizado en los cables y equipos eléctricos es nominalmente puro. Sin embargo, el Al puro no suele ser lo suficientemente resistente para las aplicaciones eléctricas. Además, hay que tener en cuenta que las diferentes aleaciones han cambiado con el tiempo y a causa de la evolución de las aplicaciones.
Las propiedades de las diferentes aleaciones de Al también cambiarán, dependiendo del procesamiento. Por ejemplo, el Al 6101 es más fuerte que el Al 1350. Sin embargo, el tratamiento térmico del Al6101 lo endurece y mejora su resistencia. Los diferentes grados de metales, como el Al 6101 y el Al 1350, variarán en comparación con el Cu. Por lo tanto, durante el proceso de diseño, es esencial disponer de las propiedades del material específico utilizado.
Propiedades
El peso, la capacidad eléctrica y el coste son consideraciones importantes a la hora de seleccionar Al o Cu para una aplicación eléctrica. Sin embargo, hay otras consideraciones que pueden ser igual de importantes. Por ejemplo, la resistencia en los conectores eléctricos puede aumentar si no se tiene en cuenta la resistencia y la expansión de un material. Cuando una conexión se somete a ciclos térmicos, la expansión puede aumentar la fuerza de sujeción que puede deformar los puntos de contacto y favorecer la fluencia de los materiales. Esto será una preocupación mayor con el Al porque su coeficiente de expansión térmica, dependiendo de la aleación, es aproximadamente un 42% mayor que el del Cu, pero el Al puede ser capaz de disipar el calor más rápidamente.
Aprovechando el menor módulo de elasticidad desde la década de 1990, las barras conductoras de Al extruido han aumentado la superficie, ayudando a mantener bajas las temperaturas. Al diseñar en cualquiera de los dos materiales es importante que las conexiones sean robustas para evitar una mala conectividad a lo largo del tiempo, debido a la deformación por expansión térmica, así como a la fluencia.
Una idea errónea común es que el Al es blando y debe utilizar conectores de compresión. Sin embargo, con algunos cambios en el diseño y el chapado, ya no son necesarios los conectores mecánicos de presión ni los de compresión. En algunos casos, se utilizan aleaciones o procesamientos para que el aluminio esté casi a la par con el Cu. El Al puede requerir un recubrimiento para reducir la oxidación en general, ya que ésta puede afectar a la conexión, incluso a una conexión de Al a Al. Además, el revestimiento y el chapado suelen incluir estaño o plata. Estos materiales reducen la corrosión tanto en el Al como en el Cu, ya que son propensos a la oxidación cuando se exponen a la atmósfera.
La corrosión también es un problema cuando hay dos metales distintos en un sistema. El Al reaccionará electroquímicamente con el Cu si se introduce humedad (humedad que actuaría como electrolito). Los terminales de cable de Al a Cu son conectores que han sido soldados por fricción y encapsulados para evitar que la corrosión dañe una conexión de Al a Cu. Las conexiones adecuadas son importantes, ya que el desgaste por corrosión también es una preocupación. El Al y el Cu son metales compatibles, por lo que el contacto puede crear una unión que puede favorecer el desgaste. Mientras que el desgaste corrosivo es más un problema para las partes que se mueven, un técnico puede tener que tomar más tiempo en el campo si los cables están pegados a la barra de bus.
Peso y capacidad eléctrica
Discutiblemente, la principal propiedad del material para decidir entre usar Al o Cu en una aplicación eléctrica es su capacidad. El Cu ofrece una mejor capacidad eléctrica por volumen. Sin embargo, el Al tiene mejor capacidad por peso. Según Uwe Schenk, director del segmento global de Helukabel, «Como materia prima, el Al es aproximadamente un 70% más ligero que el Cu. En el caso de los cables, el Al puede ser hasta un 60% más ligero que los cables de cobre comparables que transportan corriente».
El peso no es una relación directa, ya que se necesita más Al para igualar la capacidad del Cu. El Al tiene aproximadamente la mitad de la capacidad del Cu (56% en el Al6101). La diferencia en la relación entre el peso y la capacidad eléctrica significa que, en general, una libra de Al tiene una conductividad eléctrica igual a 1,85 libras de Cu. Por ejemplo, una barra colectora de Cu podría pesar alrededor de 550 lb, mientras que la misma barra colectora en Al sería de alrededor de 300 lb. La reducción del peso puede ayudar al envío o incluso al coste de la mano de obra.
Otras consideraciones
Aunque la mano de obra no es una propiedad del material, afecta al coste. Algunos proyectos pueden ser más rentables si se puede reducir el peso, ya sea que esto se traduzca en costos de envío, instalación u otros. Sin embargo, un peso menor puede no ser mejor en todas las aplicaciones. Considere el diámetro añadido en un cable de Al para igualar la capacidad del Cu. El Código Eléctrico Nacional (NEC) da reglas sobre cuánto puede llenar un cable un trozo de conducto.
Hay más reglas que esto pero, generalmente, cuando se trata de tres o más cables, el relleno del tubo tiene que ser del 40% o menos. Sin embargo, el artículo 501 de NEC dice que si el conducto está en lugares peligrosos, sólo se acepta el 25% de relleno, o menos. Esto significa que el aumento del tamaño de Al podría aumentar el coste de la mano de obra para el conducto extra o más grande que ahora debe ser ejecutado para satisfacer el NEC.
Para un ejemplo general, si se cambia de cable Cu 14 AWG a Al, el aumento del tamaño del cable (12 AWG) reducirá la cantidad máxima de cables permitidos en el conducto de ¼ de pulgada por tres (relleno máximo: Cu = seis cables, Al = tres cables en el 40% de relleno). Si esta aplicación necesita cuatro cables, puede reducir el relleno colocando dos trozos de conducto o un tamaño más grande, lo que supondrá más energía para doblar. Cualquiera de estas soluciones podría aumentar la mano de obra.
Ha habido otros problemas con el Al en los componentes eléctricos. Históricamente, el Al era frecuente en los conmutadores (fusibles y disyuntores). Lamentablemente, en el pasado, a menudo era necesario soldar para fijar los interruptores. La soldadura de Al en el campo puede haber sido lo que empujó a los diseñadores a cambiar al Cu. Desde entonces, han ofrecido barras colectoras con agujeros o ranuras en forma de cola de milano que permiten una instalación más fácil y no necesariamente tienen que ser soldadas.
A pesar de abordar estos procesos, fabricantes como GE informaron que muchos clientes comenzaron a solicitar barras colectoras de Cu en lugar de Al. Los fabricantes producirán en función de lo que pidan los diseñadores, por lo que el Cu se produjo en mayor volumen. Algunos de los problemas del pasado del Al, aunque se corrigieron, dieron impulso a la fabricación del Cu.
A pesar de esta tendencia, el coste y la planificación siguen siendo factores clave a la hora de estimar los proyectos. El Al es el tercer material más abundante en la corteza terrestre, mientras que el Cu es el vigésimo sexto. Esto hace que los precios del Cu fluctúen mientras que el coste del Al es más estable. Si un diseñador está planeando un proyecto a largo plazo o futuro, los precios del Cu pueden ser difíciles de predecir. Si los precios del Cu son más altos de lo previsto, pueden perjudicar o incluso llevar a la quiebra el proyecto. Esta es una de las razones por las que los grandes proyectos eólicos han estado utilizando Al. A menudo planifican durante largos periodos de tiempo que necesitan un precio estable para realizar estimaciones precisas. Además, las turbinas eólicas pueden tener hasta 328 pies de altura y utilizan un cable de gran calibre para transmitir la electricidad al suelo. Reducir el peso de un cable, como este de transmisión, podría ayudar a reducir los soportes y la tensión innecesaria en los conectores, y facilitar su instalación.
Los proyectos de gran envergadura que requieren cantidades masivas de cableado podrían encontrar que Al es rentable. En el momento de escribir este artículo, el NASDAQ muestra el Cu a 2,14 dólares/libra y el Al a 0,73 dólares/libra. (3/16). Como el coste es un factor tan determinante -sin negar lo anterior-, si un mayor tamaño no es una preocupación y se necesita una gran cantidad, el Al podría ser una mejor opción.
Aplicaciones
Aplicaciones del Al
Líneas de transmisión y distribución: El alambre de Al, más ligero, implica menos torres de soporte, lo que hace que la mayor parte del mundo utilice Al para las líneas de transmisión aéreas de alta tensión.
Aplicaciones de iluminación: En el pasado, muchas bombillas y otros conectores utilizaban conectores de latón. Hoy en día, muchos conectores de iluminación utilizan Al.
Aplicaciones del Cu
Cables de telecomunicaciones: La mayor ductilidad del Cu funciona bien para proporcionar flexibilidad y menos roturas a la industria de las telecomunicaciones.
Motores: El tamaño y la capacidad son factores importantes en el diseño de motores y hacen que muchos fabricantes utilicen Cu para sus diseños.
Aplicaciones tanto de Cu como de Al
Cableado de grandes edificios: El Al está en muchos de los cables para grandes edificios. Ofrece la estabilidad del precio durante el largo tiempo que se tarda en construirlos. Además, si el espacio no es un problema, el Al puede reducir el precio de los grandes edificios que pueden contener kilómetros de cables. Sin embargo, la ductilidad del Cu y su menor tamaño funcionan bien para los conductos dentro de los edificios. Estas son un par de razones por las que ambos materiales ofrecen ventajas en los grandes edificios.
Después de los primeros años de la década de 1970 la aleación de Al fue alterada para mejorar la calidad de las aplicaciones eléctricas. Muchos todavía piensan que el cableado de Al es malo, pero si se utiliza correctamente puede ser un costo más barato y estable.
Otras aplicaciones tanto de Cu como de Al se utilizan en incluir: Barras conductoras, transformadores, cables subterráneos de baja y media tensión.