COBRE VS. ALUMINIO EN EQUIPOS ELÉCTRICOS MITOS Y REALIDADES

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Cobre vs. Aluminio en equipos eléctricos Mitos

y Realidades

noviembre 18

23:492013

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👤by Editorial 0 Comentarios

Durante años, se han debatido las ventajas y desventajas del uso de conductores de aluminio o cobre. La

mayoría de las preocupaciones por parte de los usuarios se debe a que no cuentan con información correcta

o la que tienen es antigua.

El aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y el acero; pero, es importante saber cuál

aleación de  aluminio se utiliza.

Por  Óscar Alvarado.

Para entender las diferencias en la utilización de estos dos

materiales, es importante conocer sus características mecánicas y eléctricas. Existen tres materiales que son

utilizados como conductores en los tableros de distribución eléctrica: el cobre, el aluminio y la plata.

Debido a que el cobre cada vez es más escaso y a que su demanda es mayúscula, su costo ha ido en

aumento a durante los últimos años; por ello, la utilización del aluminio ha sido más frecuente. En el caso de

la plata, debido a su alto costo, solamente es utilizada en el recubrimiento de uniones y superficies de

contacto.

El cobre es utilizado en su condición pura, pues tiene una conductividad comercial de 98 por ciento, basado

en el International Annealed Copper Standard (IACS). Por otro lado, el aluminio puro no puede emplearse

como conductor eléctrico, debido a que es muy suave para los ensambles mecánicos, por lo que siempre se

utiliza en aleación con otros materiales. Hasta 1975, se utilizaba la aleación de aluminio 1350; aunque tenía

61 por ciento de conductividad respecto del cobre, no contaba con una resistencia mecánica adecuada para

utilizarse en equipos eléctricos.

La aleación Al 6101 es el material predominante para barras de distribución (bus bar) y es más fuerte que la

aleación Al 1350, ya que se ha endurecido por un tratamiento de calor, pero sólo tiene el 56 por cientode la

conductividad del cobre. La menor conductividad de la aleación 6101 no significa que el conductor de Al

conducirá más energía que el de Cu, sino que el conductor de Al deberá tener un área mayor en la sección

transversal para la misma capacidad de corriente.

Para la conducción de corriente se pueden tomar en consideración dos criterios de diseño: elevación de

temperatura del conductor o densidad de corriente en amperes por pulgada cuadrada.

El método de diseño establecido para conductores dentro de un equipo eléctrico es el de elevación de

temperatura (temperature rise). Los estándares industriales, como UL y ANSI, proveen los requerimientos de

diseño para diferentes productos; por ejemplo, UL permite elevación de temperatura de 55 °C para

switchboards y 50 °C de elevación para panelboards; por otro lado, ANSI C37.20 permite una elevación

máxima de 65 °C para switchgears sobre una temperatura ambiente de 40 °C.

Independientemente del material que se utilice, se debe considerar el tamaño de conductor adecuado para

cumplir con los requerimientos anteriores. En el caso del aluminio, su sección transversal tendrá que ser

mayor para alcanzar niveles de conductividad similares a los del cobre.

Mito

Los equipos fabricados con bus de aluminio son más grandes con respecto a los de bus de cobre.

Realidad

Realmente, las dimensiones externas de los equipos  son las mismas, tanto para cobre como para aluminio; lo

que cambia es el tamaño de las barras internas.

Mito

El aluminio no conduce igual que el cobre y, por lo tanto,  trabaja a mayor temperatura.

Realidad

Si los equipos están diseñados por el método de elevación de temperatura y cumplen con los requerimientos

de UL o ANSI (según aplique), los niveles de temperatura se mantendrán por debajo de lo indicado, aun

utilizando barras de aluminio.

Características físicas

Otra de las preocupaciones de los usuarios es que las propiedades de resistencia a la tensión y la expansión

térmica de los materiales no es la misma para cobre y aluminio, por lo que la capacidad de soportar los

efectos térmicos durante variación de corriente o eventos de cortocircuito en las terminales es menor en

equipos fabricados con barras de aluminio. Para analizar ésta situación utilizaremos la información de la Tabla

1.

Características Cobre Aluminio

• Resistencia a la tensión (lb/in2) 50,000 32,000

• Resistencia a la tensión para la misma conductividad (lb/in2) 50,000 50,000

• Peso para la misma conductividad 100 54

• Sección transversal para la misma conductividad 100 156

• Resistencia específica (ohms-cir/mil ft) (20 ºC ref) 10.6 18.52

• Coeficiente de expansión (por ºCx10-6) 16.6 23

Tabla 1.  Nota. La información fue obtenida de los boletines de material y propiedades B12H60 para

aluminio de GE

Como se observa, la resistencia a la tensión del aluminio es mucho menor que la del cobre. La realidad es

que, al utilizarse para una aplicación de corriente específica, la sección transversal de la barra de aluminio

será 56 por ciento mayor que la de cobre y la resistencia a la tensión para la misma conductividad será igual

en ambos materiales. Esto implica que la resistencia a los esfuerzos mecánicos generados durante un

cortocircuito es la misma para cobre o aluminio. Los estándares UL, IEEE y NEMA cuentan con publicaciones

para establecer criterios de pruebas de cortocircuito para equipo eléctrico, y los equipos fabricados con éstos

estándares deben cumplirlos, sin importar el material utilizado.

Mito

Los equipos con barras de aluminio no tienen la misma capacidad de soportar cortocircuitos  que los de

barras de cobre.

Realidad

Al tener que incrementar el tamaño de las barras de aluminio para alcanzar la misma conductividad que las

barras de cobre, la resistencia a la tensión también se incrementa, teniendo la misma capacidad de soportar

los esfuerzos mecánicos generados durante un cortocircuito.

Otro punto interesante es el coeficiente de expansión térmica que, como se observa en la tabla, es 38 por

ciento mayor en el aluminio. La preocupación principal del usuario radica en la seguridad de las uniones de

barras. Comúnmente se utilizan tornillos de acero para realizar las conexiones entre barras; el acero tiene

sólo el 50 por ciento de coeficiente de expansión con respecto al aluminio. Esto quiere decir que a la misma

elevación de temperatura el aluminio se expande al doble que el acero. De esta manera, cuando existe un

incremento de temperatura, el esfuerzo mecánico en las uniones se incrementa y puede llegar a deformarlas

de modo permanente, creando una reducción en su nivel de torque; por tanto, aumentará su resistencia y

provocará un incremento de temperatura en el siguiente período de carga, que deformará cada vez más la

unión hasta que resulte en una falla. Esta situación puede presentarse con materiales que tienen una baja

resistencia a la tensión, como la aleación de aluminio 1350, si no se utilizan los elementos adecuados en las

conexiones. Estos elementos pueden ser arandelas de seguridad o arandelas Bellville para reducir los efectos

de la expansión térmica en los materiales. Esta problemática no se presenta en materiales de alta resistencia

a la tensión, como el cobre y las aleaciones de aluminio de alta resistencia, como la 6101T63 (27 mil psi), la

cual opera tan satisfactoriamente como el cobre.

Mito

Las uniones se deforman más en el aluminio por la expansión térmica, lo cual provoca calentamientos

excesivos y fallas.

Realidad

Es verdad que el aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y que el acero; sin embargo, es

importante saber cuál es la aleación de aluminio que se utiliza. Si se usa una aleación de alta resistencia a la

tensión, se puede tener un comportamiento térmico muy similar al de una barra de cobre. En el caso de una

aleación diferente, se pueden utilizar arandelas de seguridad o Bellville en las uniones para reducir los efectos

térmicos.

Terminales de conexión

Anteriormente, cuando se utilizaban conductores de aluminio casi puro, las conexiones se realizaban

solamente con terminales de compresión para asegurar una correcta conexión. En la actualidad, las

aleaciones de aluminio utilizadas permiten que las terminales sean prácticamente de cualquier tipo. En el caso

de los interruptores, se utilizan terminales de conexión plateadas, clasificadas como ALCU, lo que quiere decir

que aceptan conductores de cobre o aluminio sin problemas.

Mito

Si utilizo cableado de cobre para mis alimentadores, el tablero debe ser de barras de cobre.

Realidad

Las terminales de conexión en los interruptores que alimentan los circuitos derivados están clasificadas como

ALCU, lo cual permite la conexión de conductores de cobre o aluminio, sin importar el material de las barras

del tablero en cuestión.

Oxidación de los materiales

Tanto las barras de aluminio como de cobre se oxidan. Para reducir el riesgo de oxidación, la mayoría de las

uniones están recubiertas con plata o estaño que asegura una adecuada conductividad. La existencia de

Sulfuro de Hidrógeno (H2S) en el ambiente genera corrosión en el cobre y los recubrimientos de plata,

intensificándose en instalaciones donde el equipo trabaja a temperaturas elevadas cuando está energizado.

En consecuencia, las barras comienzan a perder brillo y, en ocasiones, aparecen manchas oscuras en ellas.

Para instalaciones con presencia de H2S, como refinerías, plantas químicas, industria del papel o plantas de

tratamientos de agua, la utilización de recubrimiento con estaño es una buena protección ambiental para el

problema de corrosión por H2S.

Mito

Las barras de aluminio se oxidan más que las de cobre.

Realidad

Es importante identificar la aplicación del equipo para utilizar el recubrimiento adecuado de las barras, ya sea

plateado o estañado. El aluminio y el cobre se oxidan y en éste el daño es más severo en presencia de H2S.

Peso

Otro dato a favor de la utilización del aluminio es su bajo peso con respecto a las soluciones en cobre. Es un

hecho que el aluminio es mucho más “suave” que el cobre, por lo que siempre se han tenido que utilizar

aleaciones con otros materiales que le brinden una resistencia mecánica adecuada para ser utilizado en

equipos eléctricos. A pesar de que se tiene que utilizar mayor cantidad de aluminio para alcanzar la

conductividad del cobre, su peso es mucho menor. Por ejemplo, para conducir una corriente de 4 mil amperes

en una barra de cobre en un sistema de 3fases-3hilos, se tiene un peso aproximado de 42 lb/ft; si utilizáramos

barras de aluminio, el peso sería de 25 lb/ft  (aprox. 40 por ciento de diferencia). Esta diferencia es un factor

determinante para el diseñador y  el instalador. El primero puede reducir la carga sobre las bases de los

equipos y sobre las estructuras del edificio, y el segundo puede instalar de una forma más rápida al manejar

equipos más ligeros. En ambos casos, se pueden presentar beneficios económicos en las estructuras y costos

de mano de obra.

Mito

Al pesar menos los equipos con barras de aluminio son más frágiles.

Realidad

Las aleaciones de aluminio utilizadas en los equipos eléctricos tienen resistencias a la tensión similares al

cobre. Adicionalmente, la estructura de los equipo aumenta la rigidez mecánica.

CostosEn la actualidad, el cobre es cada vez más escaso y tiene mayor demanda, lo cual genera grandes

incrementos en su precio. Por ello, el aluminio se ha convertido en una oferta más atractiva para los

fabricantes de equipo eléctrico y los usuarios finales.

Mito

Si el precio es menor se debe a que la calidad del producto también es menor.

Realidad

Esta diferencia no radica en la calidad, sino en el reciente incremento en el costo del cobre, lo cual ha

repercutido en aumentos para los fabricantes y para los clientes finales.

Equipos disponibles en el mercado

En la actualidad, cada vez más equipos son diseñados con conductores de aluminio, debido a la reducción de

costos y pesos, lo cual representa un beneficio económico para los usuarios finales y los instaladores.

Mito

No existe una oferta variada de productos de calidad en aluminio.

Realidad

En el caso de GE, nuestra oferta de productos, en los cuales se tiene la posibilidad de escoger entre barras

de aluminio o cobre, abarca electroducto, transformadores secos, tableros de alumbrado y contactos, tableros

de montaje en pared y tableros auto-soportados de distribución.

Conclusión

1. El aluminio es una buena opción para los equipos de distribución eléctrica.

2. Utilizar conductores de aluminio reduce el peso de los equipos y, por tanto la carga mecánica a

las instalaciones.

3. Los equipos fabricados son conductores de aluminio normalmente son de menor costo que los

fabricados con cobre.

4. Los niveles de temperatura para cobre o aluminio en los equipos GE son los mismos indicados

por ANSI o UL.

5. Las terminales de conexión en el mercado son adecuadas para recibir conductores de cobre o

aluminio.

6. Existe una amplia gama de productos fabricados con conductores de aluminio.

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Óscar Alvarado

Es el líder de especificación de GE Industrial Solutions para México. Cuenta con más de 10 años de

experiencia en el sector eléctrico colaborando en áreas de servicio y comerciales en empresas nacionales e

internacionales. Actualmente, su principal responsabilidad es la de brindar soporte técnico de aplicación y

especificación de los equipos de media y baja tensión de GE.

El ingeniero Alvarado es egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad

Autónoma de Nuevo León.