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Cables y conductores parte 1 - Monografía



 
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Electrónica. Superconductores. Cableado. Cálculos



Existen cables de muchos tipos, cada uno de los cuales destinado a una función determinada, que puede ir desde el transporte de señal hasta el transporte de energía eléctrica. Así pues, es el ingeniero el que, a partir de unos cálculos y necesidades elige el cable que utilizará en su instalación. Es menester pues, que las empresas destinadas a la fabricación de cables, dispongan en sus catálogos de una gran variedad de estos.
Como por ejemplo de la gran variedad de cable citar a Alcatel (sección Energia) y Coguesa ( sección Telecomunicación y electrónica).

ALCATEL



Cables Industriales.


Instalaciones interiores, exteriores y subterráneas s/UNE 21.123.

Cables de distribución (Baja y Media Tensión)


Acometida y distribución aérea o subterránea s/UNE 21.123 y 21.030.

Cables domésticos


Instalaciones interiores s/UNE 21.031..

Cables de seguridad, Mando y Control.


Instalaciones en edificios públicos y de control en la industria.

Cables especiales


Automoción e iluminación, instrumentación y control, cables de manutención, cables para industrias petroquímicas, cables para la Marina, cables de balizas

COGUESA


Cables  Manguera Blindado


Instalaciones de todo tipo de maniobra en aparatos de control, mando y señalización donde se requiera evitar campos magnéticos e interferencias exteriores de alta frecuencia.

- Conductor de cobre flexible electrolítico
- Aislamiento de PVC tipo T12.
- Pantalla de trenza de hilos de cobre estañado.
- Cubierta de PVC tipo TM2.
- 2,3 y 4 conductores de sección 1, 1.5 y 2.5 mm2

CABLES PARALELO BICOLOR



Instalaciones de altavoces, autorradios, lámparas y aparatos de sonido.
- Conductores de cobre electrolítico.
- Aislamiento de PVC.
- 2×0.50, 2×0.75, 2×1.00, 2×1.50 mm2

CABLES INTERFONO


Instalaciones telefónicas interiores.
- Conductor de cobre electrolítico estañado o sin estañar.
- Aislamiento de PVC o POLIETILENO.
- Formación en pares (de  2 a 100 pares)
- Pantalla de cinta de aluminio/Poliester con hilo de continuidad.
- Hilo de rasgado.
- Cubierta de PVC.
- Sin apantallar o apantallado, de 2 a 100 pares.


CABLES TELEFONICOS DE ACOMETIDA.


Acometidas telefónicas en el interior o en el exterior de edificios.
- Cable telefónico de acometida interior 2×5/10-3×5/10.
- Cable telefónico de acometida exterior autosoportado 2×5/10+1×0.7-2×1+1×1
- Cable telefónico de acometida interior-exterior 2 a 5 conductores de 0.28 mm2
- Cable telefónico de acometida exterior reforzado Antirrata.

CABLE DE SONIDO



Instalaciones de música ambiental.
- Sin funda, con funda, apantallados.
- 2×0.25+3×0.5, 3×0.25+3×0.50, 5×0.25+3×0.50,

CABLES ALTAVOZ



Instalaciones de porteros electrónicos, alarmas, altavoces, telefonía privada…
- Sin funda, con funda, apantallados.
- De 2 a 16 conductores de 0.22mm2.

CABLES COAXIALES



Instalaciones de bajada de antena de televisión.
- Conductor de cobre eletrolítico.
- Aislamiento de Polietileno celular.
- Pantalla de trenza de cobre o cinta ALUM/POL/ALUM + trenza de cobre estañado.
- Cubierta de PVC
- K-6,  K-8,K-10,K-20,KO-7,KO-25.

A continuación queda reflejada toda una lista de más tipos de cables, clasificados utilidades.

Cables flexibles de energía y control ( 500 - 1000 V) :



Cerviflex:

destinado a circuitos de control, señalización y medida en máquinas herramientas, maquinaria de producción, etc.; con cubierta resistente al aceite y de gran flexibilidad.

Cerviflex VV-K y Cerviflex RV-K:

transporte de energía para instalaciones fijas, distribución de energía en instalaciones interiores y exteriores, acometidas, alumbrado público, etc.

Cerviflex SY:

manguera flexible armada destinada a maniobra y alimentación para motores, maquinaria, equipos eléctricos, etc., para instalaciones expuestas a la acción de esfuerzos mecánicos o roedores.

H05 VV-F:

cable flexible con aislamiento y cubierta de PVC destinado al conexionado de pequeños electrodomésticos, máquina herramienta, iluminación, etc.

Cables rígidos de energía (0,6 /1 KV) :


Cable RV:

transporte de energía para instalaciones fijas, distribución de energía en instalaciones interiores y exteriores, acometidas, alumbrado público, etc.

Cable VVFV y RVFV:

cable armado con fleje de acero, destinado al transporte de energía para instalaciones fijas, distribución de energía en instalaciones interiores y exteriores, acometidas, alumbrado público, etc. ; con protección contra esfuerzos mecánicos o roedores.

Cable VVMV y RVMV:

cable armado con corona de alambres de acero, destinado al transporte de energía para instalaciones fijas, distribución de energía en instalaciones interiores y exteriores, acometidas, alumbrado público, etc. ; con protección contra esfuerzos mecánicos o roedores.

Cable ROVMV:

cable apantallado, armado con corona de alambres de acero, destinado a instrumentación y control  en zonas de riesgo de interferencias electromagnéticas, con protección contra esfuerzos mecánicos o roedores.

Cable NYCY:

cable para suministro de energía para uso industrial, cajas de distribución, iluminación de exteriores, así como cable de control para transmisión de señales. También es apto para instalaciones que requieran una mayor protección eléctrica o mecánica. El conductor concéntrico se puede utilizar como neutro, conductor de protección o conductor de tierra. Simultáneamente, también está permitido utilizarlo como pantalla.

Cable NYCWY:

cable para suministro de energía, apto para instalación aérea, subterránea, en agua o por bandeja portacables. El conductor concéntrico se puede utilizar como neutro, conductor de protección o conductor de tierra. Simultáneamente, también está permitido utilizarlo como pantalla.

Cables de alta seguridad:



Halogen Free H07Z-K y RZ1-K:

cable unipolar destinado al transporte de energía para instalaciones fijas, distribución de energía en centralización de contadores, cuadros de distribución, etc. ; recomendado para lugares donde la seguridad de las personas, equipos y bienes destaca  por encima de cualquier exigencia.

Cables para servicios móviles:



Cables botonera grúa:

cable flexible destinado a botoneras para control de máquinas destinadas a la construcción, montacargas de exteriores, elevadores, etc.

Cables botonera autoportante:

cable flexible con fiadores laterales para botoneras de control en máquinas destinadas a la construcción, puentes rodantes, elevadores, grúas, etc.

Cerviflex plano H07VVH6-F:

cable plano flexible con los unipolares en disposición paralela, destinado a aplicaciones de maniobra y control de automatismos en puentes grúa, pórticos, etc.

Geonbaron:

cable destinado al transporte de energía para servicios móviles donde el cable está sometido a esfuerzos de tracción.

Cable NSHTOUK:

Cable extraflexible con refuerzo textil entre cubiertas como protección contra grandes esfuerzos mecánicos, destinado para enrolladores de cable con velocidades de hasta 120 m/min. En grúas, elevadores, etc.


Piezas extensibles:

cable extensible para servicios de telefonía, pequeños electrodomésticos, iluminación, etc.

Cables para cadenas portacables y robótica:



Cable S-80 y S-90:

cable flexible destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-80 C y S-90 C:

cable flexible apantallado destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-100:

cable flexible destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-100 C:

cable flexible apantallado destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-200:

cable flexible de tamaño reducido destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-200 C:

cable flexible apantallado de tamaño reducido destinado a máquinas para servicio móvil, industria robótica, herramientas manuales, automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad, resistencia a la intemperie y esfuerzos mecánicos.

Cable S-368 C:

Cable ligero, flexible con pantalla para protecciones eléctricas y electromagnéticas, destinado para circuitos de control, señalización y medidas en máquinas para servicio móvil, industria robótica, maquinaria para automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad y resistencia mecánica.

Cable S-369 C TP:

Cable ligero, flexible con pantalla para protecciones eléctricas y electromagnéticas, destinado para circuitos de control, señalización y medidas en máquinas para servicio móvil, industria robótica, maquinaria para automoción, sistemas automáticos, líneas de producción, etc. ; de gran flexibilidad y resistencia mecánica.


1.INTRODUCCIÓN TEÓRICA SOBRE LOS CONDUCTORES


Vamos a definir estos materiales a partir de la teoría de bandas. Efectivamente, una forma de representar las bandas permitidas y prohibidas sobre el plano, consiste en mostrar estas regiones referidas a un sistema de ejes x-y, tomando valores de energías en eV sobre el eje de ordenadas y distancias interatómicas sobre el de abscisas.

La región comprendida entre las bandas de energías permitidas, se denomina banda prohibida BP por no existir en ella, ningún estado cuántico posible.

En esta representación, a la banda de energía más baja se la denomina banda de valencia B.V y se denomina así por tener tantos estados como electrones de valencia. Cuando está totalmente llena, adopta dicha denominación.

A la banda superior se la denomina banda de conducción BC, por no existir en ella estados cuánticos posibles que pueden ser ocupados por electrones procedentes de niveles inferiores, apareciendo de esta forma el fenómeno de conductividad eléctrica, en el sólido.

Establecido el concepto de banda de energía y habiendo encontrado un modelo gráfico para su representación, estamos en condiciones de definir, apoyándonos en una base científica más coherente que en el caso de otras teorías, los materiales conductores, semiconductores y aislantes, de igual modo se puede justificar porqué unos tienen esas propiedades más acentuadas que otros.

La diferencia fundamental entre los conductores, los semiconductores y los materiales aislantes se debe fundamentalmente a dos factores:
- Anchura de la banda prohibida o intervalo de energía prohibida  (Gap), de valor Eg.
- Existencia de estados cuánticos posibles en la banda de conducción(nuevos niveles discretos, solape de banda, etc.).

El primer factor Eg, depende en principio de la distancia interatómica que se considere. De cualquier manera, la función Eg=f(x) no es lineal, necesariamente.

En cuanto a la existencia de estados cuánticos posibles, no olvidemos que todo el análisis sobre la teoría de banda, depende de una función de onda ligada a una determinada probabilidad.

Así pues, los materiales conductores son aquellos que, presentan una estructura de bandas con un intervalo Eg, prácticamente inexistente y una banda de conducción con una elevada concentración de estados cuánticos posibles (banda vacía o parcialmente vacía). En algunos casos, las bandas de energía se solapan, dando lugar a un gran número de estados cuánticos posibles, para ser ocupados por los electrones, lo cuál supone para ellos unas elevada conductividad. Así, en el caso del aluminio, su estructura de bandas sin este solape, sería más propia de un aislante que de un excelente conductor.

En conclusión pues, podemos decir que un material conductor eléctrico, es aquel que transmite o conduce electricidad.

1.1 PROPIEDADES DE LOS CONDUCTORES



Para la buena elección de un material conductor, hemos de conocer, en muchas ocasiones, sus propiedades:
- Propiedades eléctricas: conductividad, movilidad de las cargas, resistividad, resistencia.
- Propiedades mecánicas: límites elástico en                                  (d a N/mm2   Kg. f/mm2 (Re)), carga de rotura en d a N/mm2-R, alargamiento (%)(A), resiliencia en d a J/cm2 (K), dureza(H), resistencia al desgaste , etc.
- Propiedades físicas: densidad, homogeneidad, conductividad térmica.
- Propiedades químicas: resistencia a los agentes químicos y sobretodo a la oxidación.
- Propiedades metalúrgicas: temperatura de fusión, fluidez, soldabilidad.
- Propiedades comerciales: precio de venta, facilidad de aprovisionamiento, facilidad de transporte.

Hasta aquí hemos establecido las bases teóricas que nos han permitido definir cualitativamente los materiales conductores, ahora bien, dentro de cada grupo de materiales, las propiedades eléctricas, térmicas, mecánicas, etc. son diferentes, por lo que resulta necesario valorarlas por medio de magnitudes físicas adecuadas homologables y de aplicación inmediata al diseño.

En el caso que ahora nos ocupa (propiedades eléctricas) vamos a introducir tres factores de gran importancia como son, la movilidad, conductividad y resistividad, que se pueden relacionar entre sí, mediante expresiones sencillas en sus aplicaciones y de precisión suficiente, dando por otra parte un carácter cualitativo al estudio de la conducción eléctrica, en los materiales.

El fenómeno físico de la conducción, lleva implícita la condición necesaria de que se produzca desplazamientos de cargas eléctricas.

En el caso de los sólidos conductores, sabemos que hay electrones que cumplen esta condición (teoría de bandas) ya que el electrón tiene una determinada masa y carga eléctrica de 1,6% 10-19 C.

1.1.1 CONDUCTIVIDAD


La conductividad se puede definir como el mayor o menor grado de facilidad que los portadores de carga encuentran al desplazarse. En los conductores metálicos sabemos que existe una nube electrónica en la que están inmersos los iones metálicos positivos.

De acuerdo con la teoría del gas electrónico, los electrones están en equilibrio dinámico. Debido a la agitación térmica, el desplazamiento de estos portadores cambia de dirección al producirse choques con los iones (casi estacionarios). La distancia media entre colisiones se denomina camino libre medio. Puesto que el movimiento es errático, existe la misma probabilidad de que tantos electrones pasen a través de una superficie, en un sentido como en el opuesto en la unidad de tiempo. Como consecuencia la corriente neta sería nula.

Un resultado importante del modelo del electrón libre, para los sólidos conductores, nos da una expresión de la conductividad:  (a)
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Donde:
- g es la concentración volumétrica de electrones;
- e la carga del electrón;
- m la masa del electrón;
- t el tiempo de relajación, estrechamente relacionado con el tiempo entre colisiones, es decir, la trayectoria media libre.

Este resultado es lógico ya que, la carga transportada al aplicar una acción exterior, como cuando actúa un campo eléctrico de EV/m, debe ser proporcional a la densidad de carga móvil, g$e, al tiempo de relajación, ya que mide el tiempo que el campo actúa sobre un electrón antes que las colisiones hagan que su movimiento sea al azar y finalmente a e/m, pues la facilidad de un campo para acelerar una partícula cargada, es proporcional a la carga e inversamente proporcional a la masa.

1.1.2 MOVILIDAD



Movilidad significa facilidad de movimiento y no necesariamente de desplazamiento, es decir, un portador de carga pude moverse y no desplazarse. Así pues, la movilidad expresa la facilidad que tienen los portadores para moverse.
De la expresión (a) podemos obtener:
4612.gif

Denominando a l, movilidad de los portadores.
Esta movilidad también puede definirse como la velocidad de impulsión de los portadores por unidad de campo eléctrico:
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y si hacemos E=1 nos queda

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Veamos como cambia la situación, si se aplica al sólido conductor un campo eléctrico E, ya que, como consecuencia la fuerza electrostática F, los portadores son acelerados y su velocidad aumentaría indefinidamente con el tiempo, de no existir colisiones con los iones, con lo cual los electrones pierden energía (que se transforma en calor) y se alcanza un régimen permanente cuando se desplazan con una velocidad media w, denominada velocidad de arrastre. El sentido de la velocidad de arrastre es contrario al campo E y su módulo, tal como hemos dicho, proporcional a E. La movilidad se expresa en m2/V.seg. , tal como se deduce de la fórmula anterior.

1.1.3 RESISTIVIDAD



Se puede definir como el grado de dificultad que los electrones
encuentran en sus desplazamientos. Analíticamente se puede considerar como el valor inverso de la conductividad.
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Los defectos tales como dislocaciones, vacantes, etc., actúan como centros dispersores de electrones y contribuyen a aumentar la resisitividad.
Según la regla de Matthesein, la resisitividad de los metales puros y aleaciones puede expresarse por:
4617.gif

En donde qT, es la resisitividad debida a las vibraciones en la red cristalina, producidas por efecto térmico, y qr, la debida a los efectos estructurales, denominada resisitividad residual.
La regla anterior no es aplicable a elevadas temperaturas ni para valores altos de las concentraciones de impurezas, por lo que al aumentar dicho contenido la resisitividad residual varía según la expresión
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En la cual Cx representa la concentración de impurezas y K es una constante, cuyo valor depende de los metales base y de las impurezas. A esta expresión se la denomina Regla de Nordheim.
En las aleaciones binarias parcialmente solubles en sólido, que presenten una estructura bifásica, a+b, la resisitividad equivalente, vendría dada por:

4619.gif

Siendo qa,Ma,qb,Mb, las resistividades y masas presentes de cada fase, respectivamente.

2. METALES Y ALEACIONES CONDUCTORAS



Todo el conjunto de metales y aleaciones conductoras puede incluirse dentro de dos amplios grupos:
-    Metales y aleaciones férreas.
-    Metales y aleaciones no férreas.
El primer grupo puede ser considerado, en nuestro caso, menos importante y podemos citar el hierro, fundiciones y aceros dentro de las aleaciones Fe-C.

En el caso de los aceros, citaremos, los aceros al silicio, los aceros al níquel, aceros al cobalto y aceros para imanes.
Las designaciones para estos materiales están normalizadas, así una fundición gris se denominará:
Fundición gris
Ft 20 t(carga de rotura en M/mm2)
Fundición Maleable
MB 35 7 t (alargamiento del material

en %)
(carga de rotura)
Para una maleable de corazón negro emplearíamos el símbolo MN.

Acero de uso corriente
Acero   A   50t (carga de rotura en M/mm2)

Dentro del segundo grupo, mencionamos como más importantes
el cobre y sus aleaciones, latones -aleaciones Cu-Zn- y bronces         aleaciones Cu-Sn- aluminio y sus aleaciones, las alpacas -aleaciones Cu-Zn-Ni-.

En telefonía se consumen cantidades importantes de esta aleación. Podemos citar también el PbSn y sus aleaciones.

Las características de estos materiales y de otros no mencionados, pueden verse en cualquier nomenclador.Las designaciones, están igualmente normalizadas, así para el aluminio, tendríamos:
Aluminio
(Aluminio) tA   9t(índice de pureza química)

El índice de pureza química, está representado por una cifra o dos (0 a 99).

2.1 FORMAS COMERCIALES


Podemos mencionar las siguientes formas constructivas generales:
- Hilos
- Cables
- Órganos de conexión
- Órganos de interrupción.

2.1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS CABLES



Las principales características de los cables son:
- A) Conductor que los constituye
- B) Aislamiento
- C) Cubiertas
- D) Comportamiento ante los agentes externos

 A)Conductor



Los metales empleados como conductores en cables eléctricos para baja tensión son el cobre y el aluminio.
El cobre reconocido es más usado, tradicionalmente, por su mayor conductividad y mejores características mecánicas y ductilidad.
El aluminio, utilizado posteriormente en la industria de fabricación de cables eléctricos, tiene un gran campo de aplicación, resaltando sus ventajas de menor peso específico y presentando una buena conductividad y menor coste económico.

A.1)Características de los conductores


Internacionalmente, la fabricación de conductores para cable eléctricos aislados se ajusta a las prescripciones de la norma
UNE-21022 Conductores de cables aislados.
En relación con las características constructivas, composición de los conductores y valores característicos que los determinan, son aplicables las siguientes definiciones:

Formación:

La formación de un conductor se define por el número
de alambres que lo componen y por el diámetro nominal de los mismos.

Cuerda:

Es el conductor formado por varios alambres reunidos, formando hélices.

Filastica:

Es el conductor formado por varios alambres reunidos en hélices en el mismo sentido.

Cuerda compacta:

Es aquella en que por deformación de los alambres constituyentes, se han reducido los intersticios existentes entre los mismos.

Cuerda sectorial:

Es aquella en que su sección recta adopta aproximadamente la forma de un sector circular.

Sección geométrica:

Se entiende por sección geométrica de un conductor la sección recta si es un alambre o la suma de las secciones rectas de cada uno de los alambres si se trata de una cuerda, expresada en mm2.

Sección nominal:

Es el valor redondeado que se aproxima al teórico y que se utiliza para la designación del cable expresado en mm2.

Resistencia:

Resistencia máximas admisibles para los conductores en corriente continua, para una determinada temperatura ( norma UNE-21022).

B)Aislamientos



Es la envolvente de material aislante continua y uniforme en toda la longitud del conductor, con un espesor adecuado para la tensión de trabajo del cable.

Los cables de alta tensión pueden aislarse con varios tipos de materiales aislantes.
Cuando se exijan comportamientos frente al fuego, las mezclas de los materiales utilizados serán inifugadas.
Hay varios tipos de materiales aislante:
- policloruro vinilo (PVC)
- caucho etileno-propileno (EPR)
- polietileno reticulado (XLPE)


C)Cubiertas


Es la envoltura externa de material termoplástico o termoestable que no tiene una función eléctrica per sí de protección.
En general deben tener unas buenas características mecánicas y buenos comportamientos ante agentes externos.
Cuando se requieran exigencias frente al fuego, las mezclas de los materiales utilizados como cubiertas exteriores, serán ignífugas.





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