En el sistema de distribución de energía, los cables de alimentación son el principal material utilizado para transportar la electricidad. Actualmente, los cables eléctricos más comunes son los de núcleo de cobre y los de aleación de aluminio. Hace 40 años, la industria de cables desarrolló la serie de aleación de aluminio AA8000 como material conductor. En la actualidad, más del 90% de los proyectos municipales, civiles, industriales y comerciales en los Estados Unidos utilizan AAAC cables (conductores de aleación de aluminio).
Tabla de contenidos
Los AAAC cables incorporan elementos de aleación como cobre, hierro, magnesio, silicio, zinc y boro en el aluminio eléctrico. Utilizando procesos de fabricación especiales, como el trenzado y el tratamiento de recocido, se produce un nuevo tipo de cable. Según la composición de la aleación, los cables de aleación de aluminio se dividen principalmente en dos categorías: cables de aleación representados por AA8030 y cables de aleación de aluminio de tierras raras representados por AA8176. Ambas categorías se conocen comúnmente como la serie de cables de aleación de aluminio AA8000.
Entonces, ¿cuáles son las diferencias entre los AAAC cables y los cables de cobre? A continuación, realizaremos un análisis comparativo en cuanto a parámetros técnicos, instalación y construcción, costos totales y mantenimiento operativo.
Parámetros Técnicos
Los parámetros técnicos son indicadores importantes en la selección de materiales para equipos. Aquí, comparamos el conductor de aleación de aluminio AA8030 con el conductor de cobre. En los parámetros técnicos, es crucial prestar atención a la capacidad de corriente del cable y las pérdidas de voltaje.
Comparación de rendimiento entre cables de aleación y cables de cobre
| Características | Densidad (g/mm3) | Resistividad (Ωxmm2/m) | Conductividad (IACS%) | Resistencia a la tracción (MPa) | Límite elástico (Mpa) | Alargamiento (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cobre eléctrico | 8.89 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Aleación de aluminio | 2.7 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Según la tabla anterior, la densidad de la aleación de aluminio es solo un tercio de la del cobre eléctrico, su resistividad es 1.6 veces la del cobre y su conductividad es el 61.8% del cobre. La resistencia a la tracción de la aleación de aluminio es aproximadamente la mitad que la del cobre, y su resistencia a la fluencia y elongación son cercanas al límite inferior del cobre. Nos centramos especialmente en la comparación de la conductividad y resistividad, ya que los parámetros técnicos directamente relacionados con la conductividad son la capacidad de corriente y la resistividad es directamente relacionada con las pérdidas de voltaje. A continuación, se realiza un análisis comparativo de estos dos parámetros.
Condición de comparación: La sección transversal del cable de aleación de aluminio es 1.5 veces la del cable de cobre.
Comparación de sección transversal y capacidad de corriente entre cables de cobre y cables de aleación de aluminio
| Material | Sección del cable (mm2) | Diámetro exterior del cable (mm) | Capacidad de tendido del puente(A) | Capacidad de tendido de tuberías(A) |
|---|---|---|---|---|
| Cobre | 16 | 22.3 | 100 | 79 |
| Aleación de Aluminio | 25 | 25.2 | 97 | 78 |
| Cobre | 25 | 27.6 | 127 | 101 |
| Aleación de Aluminio | 35 | 28.4 | 120 | 94 |
| Cobre | 35 | 30.6 | 158 | 122 |
| Aleación de Aluminio | 50 | 31.4 | 146 | 112 |
| Cobre | 50 | 32.7 | 192 | 144 |
| Aleación de Aluminio | 70 | 35.6 | 187 | 138 |
| Cobre | 70 | 38 | 246 | 178 |
| Aleación de Aluminio | 120 | 41.2 | 263 | 186 |
| Cobre | 95 | 41.3 | 298 | 211 |
| Aleación de Aluminio | 150 | 47.5 | 304 | 210 |
| Cobre | 120 | 46.4 | 346 | 240 |
| Aleación de Aluminio | 185 | 51.9 | 347 | 236 |
| Cobre | 150 | 50.5 | 399 | 271 |
| Aleación de Aluminio | 240 | 56.4 | 409 | 272 |
| Cobre | 185 | 55.3 | 456 | 304 |
| Aleación de Aluminio | 300 | 62.4 | 478 | 308 |
Comparación de sección transversal y pérdidas de voltaje entre cables de cobre y cables de aleación de aluminio
| Material | Sección del cable (mm2) | Resistencia (Ω/km α=80°C) | Pérdida de tensión(%(Axkm) cosφ=0,8) |
|---|---|---|---|
| Cobre | 16 | 1.359 | 0.518 |
| Aleación de Aluminio | 25 | 1.348 | 0.512 |
| Cobre | 25 | 0.870 | 0.340 |
| Aleación de Aluminio | 35 | 0.869 | 0.339 |
| Cobre | 35 | 0.622 | 0.249 |
| Aleación de Aluminio | 50 | 0.617 | 0.248 |
| Cobre | 50 | 0.435 | 0.180 |
| Aleación de Aluminio | 70 | 0.430 | 0.178 |
| Cobre | 70 | 0.310 | 0.134 |
| Aleación de Aluminio | 120 | 0.308 | 0.120 |
| Cobre | 95 | 0.229 | 0.105 |
| Aleación de Aluminio | 150 | 0.224 | 0.101 |
| Cobre | 120 | 0.181 | 0.087 |
| Aleación de Aluminio | 185 | 0.179 | 0.080 |
| Cobre | 150 | 0.145 | 0.074 |
| Aleación de Aluminio | 240 | 0.140 | 0.071 |
| Cobre | 185 | 0.118 | 0.064 |
| Aleación de Aluminio | 300 | 0.112 | 0.059 |
Según la información anterior, cuando la sección transversal del cable de aleación de aluminio es 1.5 veces la del cable de cobre eléctrico, la capacidad de corriente y las pérdidas de voltaje de ambos cables son prácticamente iguales en condiciones de temperatura similares.
Instalación y Construcción
Durante el proceso de instalación y construcción, es crucial prestar atención a las propiedades mecánicas de los conductores de aleación de aluminio y de cobre, que incluyen los siguientes aspectos.
Flexibilidad
El radio de curvatura del cable conductor de aleación de aluminio es 7 veces el diámetro del cable, mientras que el del cable conductor de cobre es de 10 a 20 veces el diámetro. El cable de aleación de aluminio es más fácil de doblar durante la instalación, lo que efectivamente reduce los costos de instalación y disminuye el riesgo de accidentes.
Elasticidad
La elasticidad del conductor de aleación de aluminio es un 40% menor que la del cobre. Si ambos cables, de aleación de aluminio y de cobre, se doblan 90° y se libera el estrés bajo las mismas condiciones de temperatura, el ángulo de rebote del cable de aleación de aluminio es solo el 60% del del cable de cobre. El uso de AAAC cables reduce significativamente el estrés elástico causado por el conductor durante la instalación, facilitando la construcción.
Flexibilidad
La flexibilidad del conductor de aleación de aluminio es un 25% mayor que la del cobre. Tiene una plasticidad superior, una resistencia a la fatiga elevada y es fácil de procesar y dar forma. Puede doblarse repetidamente sin desarrollar grietas o romperse, lo que mejora la seguridad de las líneas de cableado.
Tasa de Extensión
La tasa de extensión es un indicador clave de la calidad del cable y la resistencia a las fuerzas externas. Después del tratamiento de recocido, la tasa de extensión del cable conductor de aleación de aluminio puede aumentar hasta el 30%, mientras que la del cable conductor de cobre es del 25%. Esto indica que los cables de aleación de aluminio son más flexibles que los cables convencionales de cobre, lo que significa que se requiere menos fuerza de tracción durante la instalación.
En resumen, durante el proceso de instalación y construcción, las propiedades mecánicas de los conductores de aleación de aluminio superan a las de los cables de cobre.
Costos Totales
Costos de Adquisición
Por lo general, para lograr el mismo rendimiento eléctrico, los costos directos de adquisición de cables aleación de aluminio (incluyendo terminales de conexión especializados y bastidores) son aproximadamente un 20% – 40% más bajos que los de los cables de cobre. Debido a que los cables de aleación de aluminio no armados requieren un aumento en la sección transversal del cable para lograr el mismo rendimiento eléctrico, esto resulta en un aumento en la sección transversal de los bastidores. Esto aumenta los costos del material principal de los bastidores, pero los costos totales de adquisición al usar cables de aleación de aluminio se reducen.
Costos de Instalación
Según el método de tendido del cable, los materiales auxiliares necesarios para la instalación del cable también varían. Cuando se instalan cables de cobre en interiores como cables principales, generalmente se utiliza el tendido en bastidores. Según los requisitos de las normativas, la sección transversal de los cables tendidos en bastidores no debe ser superior al 40% de la sección transversal del bastidor. Sin embargo, los cables de aleación de aluminio blindados no requieren el uso de bastidores.
Tomando como ejemplo un presupuesto de proyecto de $20 millones para la adquisición de cables: si se utilizan cables de aleación de aluminio, se pueden ahorrar aproximadamente $1.8 millones en costos de instalación, lo que representa un ahorro del 50% en comparación con los costos de instalación de los cables de cobre. Este ahorro en costos de instalación representa el 8% del presupuesto total de adquisición de cables.
Operación y Mantenimiento
Durante la operación, es necesario prestar atención a varias características de los cables, como la pérdida de energía, la resistencia al flujo plástico, la resistencia a la corrosión, la resistencia al fuego y la vida útil.
Pérdida de Energía
Según la fórmula de cálculo de pérdidas en líneas de cable, a corrientes de operación iguales, las pérdidas en líneas de AAAC cables ampliado y cables de cobre son prácticamente las mismas.
Resistencia al Flujo Plástico
El fenómeno en el cual la deformación aumenta con el tiempo bajo tensión constante se llama fluencia. Los cables están sujetos a tensiones constantes durante la instalación y conexión a largo plazo. Si la resistencia al flujo plástico es baja, las conexiones pueden aflojarse con el tiempo, aumentando la resistencia de contacto y creando un riesgo para la operación segura de la línea. Los cables de aleación de aluminio permiten que los elementos de aleación se disuelvan en la matriz de aluminio, formando una solución sólida. Esto dificulta la deformación por deslizamiento de los átomos de soluto, mejorando significativamente la resistencia al flujo plástico. Por lo tanto, los cables de aleación de aluminio pueden lograr una resistencia al flujo plástico similar a la de los cables de cobre.
Resistencia a la Corrosión
La resistencia única a la corrosión del aluminio proviene de la capa de óxido que se forma naturalmente en su superficie cuando entra en contacto con el aire. Esta capa de óxido puede resistir varios tipos de corrosión. Los suelos alcalinos y algunos tipos de suelos ácidos tienen un alto potencial corrosivo para el aluminio, por lo que los AAAC cables desnudos no deben enterrarse directamente y deben estar protegidos con una cubierta para prevenir la corrosión. Sin embargo, en entornos con presencia de azufre, como túneles ferroviarios, la resistencia a la corrosión del aluminio supera a la del cobre.
Resistencia al Fuego
La aislación de los cables de aleación de aluminio blindados utiliza material XLPE (polietileno reticulado) bajo en humo y sin halógenos. Además, su estructura única de blindaje autoajustable contribuye a obtener una clasificación de resistencia al fuego baja en humo y sin halógenos (IA). El blindaje autoajustable mejora la capacidad de disipación de calor y las propiedades de resistencia al fuego del cable. Sin embargo, debido a que el punto de fusión del aluminio es de 660°C, los cables de aleación de aluminio no deben utilizarse en líneas de suministro eléctrico de emergencia que requieran suministro continuo durante incendios. No obstante, para otros circuitos de suministro que requieran baja emisión de humo y resistencia al fuego sin halógenos, los cables de aleación de aluminio autoajustables pueden utilizarse.
Vida Útil
En condiciones operativas favorables, la vida útil de los cables de cobre suele ser de alrededor de 30 años, mientras que la vida útil de los cables de aleación de aluminio puede alcanzar los 40 años.
Conclusión
En resumen, los AAAC cables son esencialmente equivalentes a los cables de cobre en términos de parámetros técnicos y pérdida de energía, siendo superiores en otros aspectos cuando se utilizan como conductores desnudos en tendidos aéreos. Se espera que en el futuro, con la continua mejora en la investigación de materiales conductores y tecnologías de fabricación, la aplicación de cables de aleación de aluminio atraerá cada vez más la atención de la industria.