TEORIA Y APLICACION DE LOS CONECTORES

UNA GUIA PARA EL DISEÑO Y LA ESPECIFICACION DE CONEXIONES

ConectoresMaterial traducido de FCI Electrical, Tercera Edición Revisada, escrito por:

 

1.4 DISTRIBUCION AEREA

Las tensiones de transmisión se reducen en la subestación para su distribución al área local. Cada subestación suministra a su área local a través de los alimentadores de distribución que operan en tensiones que van desde 2.4 kV hasta los 64 kV. Los transformadores de poste en la red aérea reducen las tensiones de distribución hasta 120 / 240 V para los alimentadores secundarios que van hacia los clientes.

La selección de los conectores para su uso en aplicaciones aéreas dependen del tipo de conductor usado (aluminio, ACSR, cobre, etc.), tensiones de operación, consideraciones ambientales, si el sistema se mantiene energizado o no, y los medios de acceso (poste, escalera, etc.).

Una buena conexión eléctrica requiere tres elementos básicos: el conector apropiado, una preparación adecuada del cable y procedimientos correctos de instalación. Además, las condiciones en el sitio tales como la temperatura, el ambiente y la condición del conductor no son controlables y obstruirán los intentos de producir una adecuada conexión eléctrica. Por lo tanto, el diseño del conector debe ser capaz de compensar estas condiciones variables.

1.4.1 Expansión y Contracción Térmica

Las condiciones normales de operación en la distribución aérea incluirán períodos de elevada carga. Bajo estas condiciones, es razonable asumir que las temperaturas de operación de un conductor puedan superar los 150°F (66°C). A esta temperatura, un conductor de aluminio con una carga mecánica de 18,000 lb/pulg2 se moverá aproximadamente 0.01 pulgadas por pulgada por hora. Un conductor de cobre bajo condiciones similares sólo se deslizará 0.000003 pulgadas por pulgada por hora.

Por lo tanto, cuando se diseñan y seleccionan conectores para conductores de aluminio, el área de contacto debe ser más grande para minimizar la presión aplicada. Un menor deslizamiento mantendrá el nivel de deslizamiento bajo valores controlables.

Cuando se conectan metales diferentes, deben tomarse en cuenta los diferentes niveles de expansión. Las arandelas elásticas cónicas tipo Belleville se usan generalmente en conexiones mecánicas para mantener la retención de la fuerza entre las superficies de acoplamiento sobre un amplio rango de variaciones de la temperatura de operación. Los conectores tipo engrampe para conexiones tipo derivación emplean áreas de contacto muchísimo más grandes que las de los conectores estándares de compresión, minimizando de esta manera el efecto de deslizamiento en el conductor y el conector. Los conectores de compresión de cobre nunca deben usarse para conectarse a un conductor de aluminio. El elevado nivel de expansión del aluminio comparado al cobre aflojará la conexión y ocasionará una falla.

Como se ha visto anteriormente, los conductores de cobre tienen un deslizamiento menor que los conductores de aluminio. Por lo tanto, cuando se hacen conexiones a los conductores de cobre, no debe preocuparse por el deslizamiento. Sin embargo, lo que debe considerar es la generación de calor I2R y la capacidad de la conexión para disipar la energía térmica. Si ocurre una alta resistencia de contacto de las bajas fuerzas aplicadas o si se usan aleaciones metálicas en el conector, entonces el conector debe hacerse con una masa adecuada para disipar el calor.

1.4.2 Integridad Mecánica

Con respecto a la integridad mecánica, la pregunta principal es cuán segura debe ser la conexión. Para el sistema de distribución aérea, las conexiones requerirán un rango completo de seguridad mecánica; desde aplicaciones a plena tensión (95% del esfuerzo de ruptura nominal del conductor) para deformar las aplicaciones descargadas donde ocurrirá poco esfuerzo mecánico o vibración.

Las pruebas de adherencia y las de seguridad se usan para determinar cuán adecuada es la integridad mecánica de un conector. La prueba de adherencia se usa para establecer el mínimo nivel de rendimiento para las líneas aéreas con tensión. Las pruebas de seguridad involucran la rotación de un peso colgado de un conductor sostenido por el conector para simular las perturbaciones mecánicas. La prueba de vibración también es necesaria para chequear la fatiga del material sobre el espectro de oscilaciones anticipadas en el servicio.

Un requerimiento adicional para los conectores mecánicos es la capacidad de soportar aproximadamente un 50% más que el torque recomendado. Estos conectores se prueban de esta manera para tomar en cuenta un error en la instalación.

1.4.3 Fundamentos Dieléctricos

Las aplicaciones de los conectores en alta tensión requieren consideraciones especiales debido a las elevadas concentraciones de esfuerzo a alta tensión. Las superficies conductoras con bordes agudos y no lisos producen gradientes de tensión concentrados que pueden convertirse en fuentes de efecto corona (ionización del aire debido al esfuerzo de tensión). Los conectores para aplicaciones en alta tensión existen en formas sin aislamiento y preaisladas. Los conectores sin aislamiento para aplicaciones en alta tensión se diseñan con superficies lisas, y ahusadas. El diseño liso reduce la probabilidad de un esfuerzo de tensión y facilita el uso de una cinta semiconductiva para reducir aún más el esfuerzo de tensión. La cubierta del campo se puede usar para el aislamiento dieléctrico o como una protección para evitar esfuerzos excesivos de tensión. Los conectores preaislados de alta tensión se diseñan para minimizar el efecto corona que deteriora el aislamiento.

1.4.4 Corrosión

Hay dos tipos generales de corrosión que deben tenerse en cuenta en las conexiones de distribución aérea. La corrosión galvánica y la oxidación afectan el contacto inicial y el rendimiento a largo plazo de una conexión eléctrica.

La oxidación puede desarrollarse en el conector y en el conductor a unir. El óxido de cobre se forma en las superficies de aleaciones de cobre y cobre y es bajo en conductividad. La evidencia del óxido de cobre puede verse como una decoloración negra o verde sobre la superficie. Las capas de óxido de cobre reducirá el número de puntos de contacto en una conexión, aumentando de esa forma la resistencia de contacto. Los conductores deberían limpiarse antes de hacer una conexión.

Sin embargo, el óxido de aluminio es un revestimiento no conductivo, de rápida formación que se desarrolla sobre la superficie de conductores de aluminio expuestos al aire. A diferencia de los óxidos de cobre, el óxido de aluminio no es visualmente obvio y debe asumirse que existe en todo tipo de aluminio desnudo. El óxido de aluminio debe eliminarse de la superficie del conductor antes de hacer una conexión. Se recomienda el cepillado del alambre y la inmediata aplicación de un inhibidor de óxido para evitar la reformación del revestimiento no conductivo antes de la instalación del conector. (Ver la sección 2.1.1.1 Preparación de la Superficie de Contacto, para mayores detalles en la preparación de las superficies de los conductores para la conexión). Un método alternativo que se usa para alcanzar una baja resistencia de contacto es la metodología de conexión de romper físicamente de un lado a otro la capa de óxido de aluminio a medida que se hace la conexión. Sin embargo, aún con estos tipos de conexiones, se recomienda una limpieza antes de su instalación.

Un problema adicional con el cable de aluminio son las capas de óxido que se pueden desarrollar en cada trenza interna de un cable. Estas capas pueden ocasionar elevadas resistencias entre trenzas y no se pueden eliminar rápidamente. Este problema se acentúa en el conductor compacto que restringe el movimiento de las trenzas durante la aplicación de la fuerza durante la instalación del conector. En estos casos, el uso de una ayuda de contacto con aditivos de partículas ayuda en romper a través de capas de oxidación entre trenzas y de establecer los puntos de contactos requeridos.

La mayor causa de deterioro a largo plazo de los conectores aéreos es la corrosión galvánica. (Ver la sección 1.1.1 Puesta a Tierra y Conexión Equipotencial - Corrosión, para mayores detalles en los principios de la corrosión galvánica). Los conductores de aluminio y de cobre se usan en el sistema de distribución aérea. Este uso de metales diferentes puede llevar a problemas de corrosión galvánica, si no se toman medidas preventivas. El aluminio es el ánodo en la celda galvánica que se forma cuando entra en contacto con el cobre y por lo tanto es el material que sufre la corrosión. Para aplicaciones que tienen al aluminio en contacto directo con el cobre, el aluminio se hace intencionalmente masivo con respecto al cobre. Este principio del "ánodo masivo" se basa en la creación de varios caminos de corrosión de tal forma que el flujo de la corriente corrosiva se minimice y que se sacrifiquen cantidades insignificantes del cuerpo del conector con el paso del tiempo.

Se ha usado el recubrimiento de los conectores de aluminio para reducir el potencial de la celda galvánica cuando es aplicado al cobre. Sin embargo, para estañar un conector de aluminio, se debe aplicar primero un recubrimiento rápido de cobre o de níquel. Si ocurre un rasguño al recubrimiento, se desarrollará una región concentrada de corrosión galvánica que puede ocasionar picaduras profundas en el conector. Debido a la probabilidad de que ocurra una corrosión concentrada de esta manera, y al costo adicional, no se recomiendan los conectores de aluminio estañados para aplicaciones de distribución aérea. Por el contrario, se puede usar el recubrimiento del material catódico eficazmente para evitar la corrosión galvánica.

Finalmente, se deberían instalar los conductores de aluminio por encima de los conductores de cobre. La humedad que se forma sobre los conductores de cobre (debido a la lluvia o a la condensación) recogerá los iones de cobre. Si esta humedad cae luego sobre los conductores de aluminio que están debajo de éstos, las sales de cobre ocasionarán que se corroa el conductor de aluminio.

1.4.5 Pruebas de Rendimiento (ANSI C119.4)

Inicialmente desarrollados bajo la dirección del Edison Electric Institute (EEI) en 1958, el estándar ANSI C119.4 ha evolucionado a través de la experiencia y de pruebas extensivas hasta llegar a su forma actual. Un comité independiente compuesto de agencias del gobierno, asociaciones eléctricas autónomas y fabricantes, continúan revisando y actualizando este estándar para relacionarlo a la tecnología de pruebas moderna.

La norma ANSI C119.4 especifica el ciclo de la corriente y las pruebas mecánicas necesarias para establecer una base del rendimiento para conectores eléctricos usados para unir conductores aéreos desnudos de aluminio a aluminio o de aluminio a cobre. Este estándar brinda requerimientos bien definidos y reproducibles para los conectores eléctricos y asegura al usuario que los conectores que cumplan estos requerimientos trabajarán de una manera satisfactoria cuando se instalan adecuadamente.

La prueba del ciclo de corriente consta de un periodo de corriente ON y un periodo de corriente OFF; calentamiento y enfriamiento del conjunto bajo prueba. Las medidas de resistencia y de temperatura tomadas a intervalos específicos brindan los criterios de haber pasado o no la prueba. El número de ciclos ejecutados determina la clase de la corriente del conector: servicio pesado (Clase A) = 500 ciclos, servicio medio (Clase B) = 250 ciclos y servicio ligero (Clase C) = 125 ciclos.

Las pruebas mecánicas constan de pruebas de esfuerzo de la adherencia para comparar los resultados del conector con el esfuerzo nominal del conductor según los estándares aplicables del conductor ASTM. Como resultado obtenemos tres clasificaciones de las pruebas mecánicas: (1) Clase 1, plena tensión = 95% del esfuerzo nominal del conductor al que se unirá, (2) Clase 2, tensión parcial = 40% del esfuerzo nominal del conductor al que se unirá y (3) Clase 3, mínima tensión = 5% del esfuerzo nominal del conductor al que se unirá.

Referirse a la última revisión de la norma ANSI C119.4 para los requerimientos y los valores de prueba actuales.

= Arriba =