Cuando se observa una línea eléctrica, lo más probable es que esté hecha de aluminio, aunque en laboratorio el cobre es un mejor conductor. El factor determinante para el uso del aluminio no es la electricidad sino el peso, la extensión de los tramos y el precio. Este artículo describe los usos de cada material, explica por qué el aluminio ya ha prevalecido sobre el cobre en el caso de las líneas de transmisión aéreas pero aún compite con él en la transmisión subterránea y los equipos de conmutación, y describe a qué conduce esto en los puntos de terminación de la línea.
Respuesta corta: La mayor cantidad de transmisión eléctrica aérea se realiza a través de cables de aluminio, ya que representa más del 90% de los cables de transmisión de energía importados. Los cables de aluminio usados para la transmisión eléctrica se conocen comúnmente como ACSR, que se refiere a cable de aluminio con núcleo de acero. Los cables de cobre se utilizan en casos donde el espacio y la fiabilidad de las conexiones deben preferirse al peso del cable, como en la instalación de cables, barras colectoras, motores y transformadores. El aluminio transmite solo el 61% de la electricidad que el cobre y su costo es aproximadamente del 25-30% del costo del cobre, sin embargo, pesa un 70% menos que el cobre, lo que significa que un cable de aluminio con la misma resistividad que el cobre pesa aproximadamente la mitad porque tiene la misma resistencia eléctrica que el cable de cobre y es algo mayor en diámetro.
Los números que resuelven el argumento
Los dos metales sobresalen en la conducción de electricidad, pero la diferencia es mucho menor de lo que la mayoría piensa cuando no comparamos cables del mismo tamaño sino cables de igual capacidad. El cobre es ganador porque es más volumétrico; el cobre puede transportar más electricidad para un cable del mismo área. El aluminio es ganador gracias a su peso específico; es significativamente más ligero y mucho más barato para la misma conductancia.
| Propiedad a 20 °C | Cobre estirado en frío | Aluminio estirado en frío | Acero galvanizado |
|---|---|---|---|
| Resistividad (×10-8 Ω·m) | 1.72 | 2.83 | aprox. 14 |
| Conductividad (1% IACS) | 97 (cobre recocido 100) | 61 | aprox. 12 |
| Densidad (kg/m³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Resistencia última a la tracción (MPa) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Coeficiente de temperatura (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Costo relativo del material (indicativo 2026) | USD 8,800-11,000 por tonelada | USD 2,400-3,200 por tonelada | Dependiente de la aplicación |
En términos de ingeniería, las implicaciones se vuelven claras. Cuando se trata de resistencia eléctrica, el aluminio tiene aproximadamente 1.6 veces más área superficial que el cobre, que es aproximadamente 1.28 veces más ancho que el cobre. Sin embargo, a pesar del tamaño de este conductor, solo tiene aproximadamente la mitad del peso. Además, dado que los precios de las materias primas para la producción de aluminio son significativamente más bajos que los del cobre, un conductor de aluminio del mismo tamaño cuesta aproximadamente el 35-50% de su contraparte de cobre y también es un 52% más ligero por sí mismo.
Mientras que el aluminio tiene una gran desventaja en términos mecánicos. Su resistencia a la tracción es casi la mitad que la del cobre. Además, presenta desventajas bajo carga a largo plazo cuando sufre elongación.
Por qué el aluminio ganó la línea aérea
Al dividir las dos responsabilidades, el problema desaparece por completo. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) consiste en hilos de aluminio en el exterior y un núcleo de acero y acero galvanizado en el interior. El núcleo de acero mantiene la tensión mientras que el aluminio es responsable de transportar la corriente. El acero casi no juega ningún papel desde el punto de vista eléctrico ya que se encuentra en el núcleo del conductor, con su densidad de corriente siendo la más baja en este tipo de conductor. El conductor se designa como 54/7, lo que significa que hay 54 hilos de aluminio alrededor de los 7 filamentos del núcleo de acero.
Cuando el conductor es ligero, la construcción de todo el sistema de transmisión es más económica. Los hilos más ligeros permiten tramos más largos entre los postes, lo que significa menos postes, cimientos más pequeños y menos terreno despejado. Según varias estimaciones de la industria, los ahorros en infraestructura cuando se utilizan sistemas totalmente de cobre pueden ser de hasta un 20-40%. En líneas más largas, esta ventaja supera todos los cálculos de eficiencia de conductividad.
Hay otro beneficio a considerar. Dado que el diseño de conductores de CA de resistencia igual es aproximadamente un 28% más ancho en diámetro, la carga eléctrica se distribuye en la superficie de manera más uniforme y se reduce el efecto de descarga corona. Lo que parece un exceso de tamaño en el sitio de construcción se convierte en un buen beneficio a nivel de voltaje de 400 kV.
| Conductor | Construcción | Fuente de resistencia | Dónde se utiliza |
|---|---|---|---|
| AAC | Filamentos totalmente de aluminio | Solo aluminio | Tramos cortos, barra de subestación, distribución urbana |
| AAAC | Filamentos de aleación de aluminio-magnesio-silicio | Aleación | Atmósferas costeras e industriales; sin corrosión bimetálica |
| ACSR | Aluminio sobre núcleo de acero galvanizado | Núcleo de acero | El estándar para transmisión aérea a nivel mundial |
| ACAR | Aluminio sobre filamentos de aleación de aluminio | Núcleo de aleación | Rutas sensibles a la corrosión que requieren más resistencia que AAC |
| ACSS | Aluminio recocido sobre núcleo de alta resistencia | Núcleo, esencialmente todo él | Aumento de capacidad en un derecho de vía existente; alta temperatura de operación |
Dónde el cobre aún gana, y por qué
El cable subterráneo es el último bastión del cobre en la industria del cable, y la razón de ello es el problema del espacio. Una zanja, conducto o bandeja para cables tiene un espacio predeterminado, y cualquier milímetro cuadrado extra del conductor debe justificarse por los esfuerzos de excavación, ductos y tirado. Dondequiera que haya necesidad de una sección transversal grande, la conductividad del cobre gana la competencia. El uso submarino crea una razón más para el uso del cobre: construcción robusta para tramos largos sin soporte y en los puntos de entrada donde se tira del cable.
En los dispositivos eléctricos la situación es aún más clara. Las barras colectoras, bobinados de motores y transformadores, bobinas de contactores, cables de control están todos hechos de cobre, ya que la carcasa tiene un tamaño fijo, y la calidad de la conexión se manifiesta más que el precio del metal. Una barra colectora eléctrica de 3,200 A hecha de cobre debería tener una sección aproximadamente 1.6 veces menor que una de aluminio, la cual normalmente no encaja. La tracción en CC (tercer riel de metro y sistemas aéreos, hornos de arco, plantas electrolíticas) permanece con cobre por el mismo propósito.
Luego está el argumento de la conversión: cualquier sistema actual construido con cobre no puede ser convertido a aluminio sin cambiar todas las suposiciones respecto a la capacidad de corriente, las clasificaciones de falla y los ajustes de protección al mismo tiempo.
Los modos de falla que dieron mala fama al aluminio
El aluminio ha ganado una mala reputación que en gran medida se ha ganado — pero no es culpa del material. Durante un período de costos sin precedentes del cobre, se asumió que las mismas tecnologías, dispositivos y valores de torque usados en cobre también funcionarían al usar aluminio en hogares en Norteamérica. Tres propiedades influyeron en la situación.
Primero, el aluminio reacciona con el oxígeno y forma una capa de óxido, que es un material aislante con un punto de fusión alrededor de 2,072 °C; por lo tanto, es bueno para la resistencia a la corrosión y no es adecuado para terminales de tornillo. Segundo, el aluminio se expande significativamente más que el cobre durante los ciclos térmicos; por lo tanto, la conexión realizada se aflojará después de un gran número de ciclos térmicos. Tercero, dado que el aluminio es anódico respecto al cobre, la presencia de humedad causa corrosión galvánica del contacto siempre que haya contacto directo entre los dos metales.
Todos estos problemas conducen a una falla clásica: un receptáculo que se calienta lo suficiente para desarrollar arcos. Las soluciones para hacer segura la instalación moderna de cableado de aluminio son compuestos inhibidores de óxido aplicados directamente en las conexiones, dispositivos con clasificación CO/ALR usados especialmente para conductores de aluminio, conexiones de transición bimetálicas entre cobre y aluminio, así como valores de torque calculados y considerados respecto a las propiedades de expansión del aluminio.
Para cualquier persona que trabaje en circuitos ramales de aluminio existentes, el diagnóstico es el calor más que la apariencia. Una terminación que ha comenzado a fallar generalmente mostrará aislamiento decolorado, un dispositivo chamuscado o disparos intempestivos mucho antes de fallar por completo, y la misma señal —calor bajo carga ligera, luego disparos que no tienen sentido— es cómo se detecta un interruptor que se ha dañado en el otro extremo del circuito.
Correspondencia del conductor con la clase de voltaje
La forma en que se transmite la energía cambia a medida que cambia el voltaje de transmisión, y el cambio es causado por la geometría y no por la economía. Por encima de aproximadamente 220 kV, las líneas llevan más de un conductor por fase, y la misma lógica que rige la diferencia entre alto voltaje y bajo voltaje el diseño decide cuántos. Una línea de 400 kV comúnmente utiliza dos o cuatro subconductores por fase en un haz en lugar de un conductor muy grande.
El cambio en la transmisión de energía tiene que ver con la inductancia y los efectos corona. La inductancia de una línea de energía está determinada únicamente por el radio físico del alambre, y el aumento del radio de un solo alambre no tiene mucha influencia en la inductancia. Para hacerlo efectivo, los alambres se agrupan en varios alambres más pequeños, por lo tanto, el radio efectivo aumenta con el número de alambres, mientras se mantiene el campo eléctrico en la superficie lo suficientemente bajo para evitar la corona. Por lo tanto, el contenido de aluminio en los alambres crece con el voltaje, y el diseño de los alambres se realiza de antemano, por lo que no depende del fabricante.
| Nombre del código ACSR | Trenzado Al / acero | Diámetro total | Resistencia DC a 20 °C | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Perro | 6/4.72 + 7/1.57 | 15 mm | 2745 Ω/km | Líneas de 33-66 kV |
| Pantera | 30/3.00 + 7/3.00 | 00 mm | 1390 Ω/km | Líneas de 132 kV |
| Cebra | 54/3.18 + 7/3.18 | 62 mm | 0688 Ω/km | 220 kV y 400 kV, en haz |
| Alce | 54/3.53 + 7/3.53 | 77 mm | 0561 Ω/km | 400 kV, haz doble o cuádruple |
Estos nombres se derivan de catálogos nacionales de conductores, mientras que las cifras que siguen —incluyendo diámetro, trenzado, resistencia y radio geométrico medio— son consideraciones clave en el diseño de una línea. El primer aspecto relacionado con la sustancia del conductor se resuelve mucho antes de revisar la tabla de conductores.
Capacidad de corriente, temperatura y clasificaciones de terminales
La menor conductividad del aluminio se extiende también a las tablas de capacidad de corriente. Con el mismo tamaño de conductor, el aluminio puede conducir alrededor del 78-80% de la capacidad de corriente del cobre a la misma clasificación de temperatura para el aislamiento. Por ejemplo, un conductor 1/0 clasificado a 75 °C presenta una capacidad de corriente de 150 A en cobre y una capacidad de corriente de 120 A en aluminio. Para alcanzar el mismo nivel de capacidad de corriente, es necesario usar un conductor más grande — la regla general es usar un conductor que sea dos tamaños AWG más grande que el de cobre. Al final, esto trae el problema del espacio — el conductor de aluminio que conduce la corriente requerida requiere tamaños de canalización diferentes, terminales diferentes y más espacio en el panel.
Dos detalles en el código generan la mayoría de los casos de errores en el campo. El primero es el hecho de que la ampacidad depende de las clasificaciones de temperatura del cableado y las terminaciones. Un conductor aislado a 90 °C conectado a un terminal clasificado para 75 °C solo puede usarse en la cifra menor a menos que el conjunto esté listado de otra manera, y esa lista es exactamente lo que un interruptor automático moldeado UL 489 declara en su clasificación de temperatura del terminal en lugar de en su literatura de marketing. El segundo detalle es que las conexiones de aluminio deben hacerse utilizando conectores que estén listados como adecuados para cableado de aluminio, usando el torque mencionado y el inhibidor de óxido según las especificaciones del fabricante del conector.
Lo que esto significa para los equipos de conmutación y terminaciones
En esta etapa, la decisión tomada por el conductor ya no es una decisión respecto al cable, sino una concerniente al equipo de conmutación. El uso de alimentadores de aluminio requiere que cada pieza de equipo conectada a los cables esté clasificada tanto para aluminio como para cobre; el equipo de terminación debe ser bimetálico involucrando una conexión de aluminio y cobre dondequiera que se use aluminio con cobre.
La línea de fabricación de HUYU produce componentes como MCBs, MCCBs, interruptores automáticos, contactores, relés, transformadores de corriente, dispositivos de protección contra sobretensiones, interruptores de transferencia automática y cajas combinadoras para PV. No producimos cable, por lo tanto no consideramos que sea nuestra responsabilidad elegir entre aluminio y cobre. Lo que hacemos es suministrar equipos cuyos terminales están clasificados para ambos, con los datos de torque y rango de conductor publicados — un riel DIN interruptor automático miniatura es solo un dispositivo de 63 A en la medida en que sus terminales acepten el conductor que se le conecte.
Como hemos aprendido de nuestra experiencia con fallas en el campo, es importante recordar que cada vez que un alimentador cambia de material durante una instalación, la unión de ese cambio debe estar en un terminal designado o en un conector bimetálico — nunca a mitad de recorrido con un perno dividido y un trozo de cinta.
Cómo decidir en un proyecto real
| Aplicación | Material | Razón |
|---|---|---|
| Transmisión y distribución aérea | Aluminio (ACSR / AAAC) | Peso, longitud del vano, costo de la torre, diámetro y corona |
| Cable subterráneo y submarino | Cobre, a veces aluminio para baja tensión grande | La sección transversal es costosa; robustez en puntos de aterrizaje |
| Barras colectoras de cuadros eléctricos y cableado de control | Cobre | Volumen fijo del recinto; fiabilidad de la conexión |
| Bobinados de motores y transformadores | Cobre; aluminio en unidades de distribución orientadas al costo | Espacio para bobinado, pérdidas, disipación de calor |
| Alimentadores de edificio, circuitos más grandes | Aluminio por tamaño y costo; cobre para rutas ajustadas | Compensación entre costo del metal y espacio en canalizaciones |
| Instalaciones existentes | Coincidir con lo que ya está instalado | Evitar estudios de recalificación y terminaciones de metales mixtos |
Las decisiones a nivel de sistema suelen llevar la respuesta un paso más allá. En un sitio industrial grande, el material del conductor interactúa con la arquitectura de distribución — cuántos transformadores, la longitud de las líneas de media tensión, la cantidad de cuadros de media tensión — por eso sistemas de distribución a escala empresarial se diseñan como un todo en lugar de conductor por conductor, y por qué optimizar la arquitectura generalmente ahorra más que solo cambiar el metal.
Preguntas Frecuentes
¿Es mejor el aluminio o el cobre para la transmisión de energía?
El aluminio es preferido para líneas aéreas por un factor enorme, con más del 90% de la red global empleando su uso. El cobre es más adecuado para líneas subterráneas, equipos o situaciones donde la sección transversal está predeterminada. Ambos tienen sus fortalezas; la pregunta es qué restricción aplica a la situación en cuestión.
¿Por qué se usa aluminio en lugar de cobre en líneas aéreas?
Esto se debe a que un conductor de aluminio con la misma resistencia pesa aproximadamente la mitad y cuesta alrededor del 35-50% del precio del equivalente en cobre. El hecho de que el peso sea la mitad permite vanos más largos y se necesitan más torres y cimientos más pequeños para soportar adecuadamente la estructura.
¿Se pueden conectar directamente cables de cobre y aluminio?
Evite usarlo en áreas húmedas o exteriores. El aluminio es electropositivo respecto al cobre, lo que puede causar acción galvánica en presencia de humedad dentro de la conexión. Por lo tanto, asegúrese de usar conectores bimetálicos especiales diseñados específicamente para ambos metales.
¿El cable de aluminio transporta menos corriente que el cobre del mismo tamaño?
En efecto, típicamente la capacidad del cobre es alrededor del 78 al 80 por ciento para la misma temperatura de aislamiento. Si desea la misma cantidad de corriente y voltaje, usará aproximadamente dos tamaños AWG más grandes, lo que requerirá conductores más grandes y por lo tanto tamaños mayores de canalizaciones y terminales.
¿Qué es ACSR y por qué tiene núcleo de acero?
El conductor de aluminio reforzado con acero (ACSR) se forma colocando un núcleo de alambre de acero en el centro de varias capas de alambres de aluminio. El papel del acero es soportar la tensión que el aluminio estirado en frío no puede manejar en vanos largos, mientras que el aluminio es responsable de transportar la corriente eléctrica. Dado que el acero está ubicado en la parte central del conductor donde el espacio para la corriente eléctrica es mínimo, casi no se producen pérdidas eléctricas.
¿Es peligroso el cableado de aluminio en una casa?
No per se, pero requiere una instalación adecuada del dispositivo. Los errores que ocurrieron en las décadas de 1960 y 1970 se pueden atribuir al uso de conectores de alambre de aluminio con dispositivos que no estaban clasificados para tales conductores, pero que se utilizaron sin la instalación apropiada o el torque adecuado. Hoy en día, con el uso del compuesto inhibidor de óxido, los dispositivos clasificados para la calificación CO/ALR, así como los dispositivos bimetálicos, el proceso funciona correctamente y de manera eficiente bajo la condición de que se cumplan esos requisitos.
Referencias
- NFPA — NFPA 70 Código Eléctrico Nacional, Artículo 310 y Tabla 310.16
- ASTM — B230/B230M Especificación Estándar para Alambre de Aluminio 1350 para Propósitos Eléctricos
- ASTM — B232/B232M Conductores de Aluminio Trenzados Concéntricos, Reforzados con Acero Recubierto (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Conductores eléctricos aéreos trenzados de alambre redondo concéntrico
- IEEE — IEEE 738 Estándar para el Cálculo de la Relación Corriente-Temperatura de Conductores Aéreos Desnudos
- UL Solutions — UL 486A-486B Conectores de alambre y interruptores automáticos moldeados UL 489
- Copper Development Association — Datos comparativos de conductores de cobre vs aluminio
Conclusión
Cuando se trata de transmisión de energía eléctrica, el aluminio es el material principal utilizado en esta área durante más de muchas décadas. La razón de esta elección se debe a las ventajas del aluminio, que no tiene propiedades superiores de conductividad pero solo pesa la mitad y tiene un costo menor, prolongando así la longitud de los tramos y reduciendo el número de torres requeridas. El núcleo de acero utilizado en ACSR ha sido responsable de eliminar la única desventaja seria del aluminio. El cobre todavía se usa donde el peso es una ventaja, es decir, en cableado subterráneo y submarino, así como en bobinados y circuitos de control. Sin importar el metal utilizado, el conector al final debe ser del tipo correcto, así como el inhibidor y el nivel de torque. La mayoría de las fallas no ocurren durante la operación del propio cable, sino en los puntos donde cruza con metal.
