TEORIA Y APLICACION DE LOS CONECTORES
UNA GUIA PARA EL DISEÑO Y LA ESPECIFICACION DE CONEXIONES
Material
traducido de FCI Electrical, Tercera Edición Revisada, escrito por:
- G. Di Troia - Miembro de la IEEE de FCI Electrical de Estados Unidos
- Kenneth Woo - FCI Electrical de Estados Unidos
- Gaylord Zahlman - FCI Electrical de Estados Unidos
1.7 TIPOS DE CONECTORES
Los tipos de conectores desarrollados a lo largo de los años caen generalmente dentro de tres categorías: mecánicos, de compresión y de fusión. Los conectores mecánicos emplean ferretería o medios mecánicos similares para crear puntos de contacto y para mantener la integridad de la conexión. Las conexiones por compresión usan herramientas especialmente creadas para engrapar o sujetar el conector al conductor con una gran fuerza, creando una unión eléctrica permanente. Las conexiones de fusión se hacen principalmente por soldadura. Las secciones siguientes discuten las propiedades de los distintos criterios de diseño para estos tipos de conectores y de las conexiones específicas contenidas en ellas.
1.7.1 CONECTORES MECANICOS
La teoría básica de los contactos describen cómo se establece el contacto eléctrico entre los conductores por medio de la aplicación de la fuerza mecánica. Aún cuando la fuerza aplicada sea pequeña, la resistencia en un punto de contacto es, en teoría, cero (en la práctica la resistencia es muy pequeña, típicamente en el orden de los micro ohmios o menor).
Sin embargo, hay otros factores aparte de la resistencia de contacto que deben tomarse en cuenta.
Los conectores mecánicos desarrollados en las últimas décadas han superado muchas de las complicaciones en la instalación atribuidos a los métodos de conexión de fusión, tales como el soldado. La conexión mecánica de hoy en día ha sido diseñada para acomodarse a la capacidad de la corriente que recorre el conductor y para brindar la facilidad de instalación, con lo que se logra una conexión eléctrica segura y confiable.
Generalmente las aleaciones y la ferretería usada para el conector mecánico depende de si el conector es para una aplicación de tensado o de transporte de corriente, y si el conductor es de aluminio, de cobre o de otros materiales. Las aleaciones y ferreterías particulares se seleccionan por su resistencia mecánica, conductividad, duración, ductibilidad y la resistencia a la corrosión.
En una conexión mecánica de cobre, se usan aleaciones de alta resistencia para los elementos de engrampe y las aleaciones de alta conductividad para las partes que transportan corriente. Un material muy usado para la ferretería de los conectores mecánicos de aleación de cobre es la aleación de bronce silicio (DURIUM™) debido a su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión.
Los conectores mecánicos de aluminio deben ser hechos de aleaciones impermeables a la corrosión intensa. En su estado de tratamiento de calor, las aleaciones de aluminio tienen una alta resistencia mecánica y se pueden usar para transportar corriente y para elementos de engrampe. Generalmente se usan pernos de aleaciones de aluminio anodizados para los conectores mecánicos de aluminio. Los pernos hechos de estos materiales brindan la mejor combinación de esfuerzo y resistencia a la irritación (debido a la fricción) y a la corrosión. Además, su coeficiente térmico de expansión es más adecuado para el aluminio.
1.7.1.2 El Elemento de Engrampe
El elemento de engrampe de un conector mecánico brinda la resistencia mecánica, así como los caminos de recorrido de la corriente de la conexión. Las siguientes reglas generales son básicas para el diseño del elemento de engrampe, sin importar el material usado para su construcción:
- Minimizar la distorsión y la abrasión del conductor para prevenir la fatiga del conductor (especialmente en aquellas aplicaciones donde exista concentración de vibración o de esfuerzo). No se recomienda el uso de tornillos que aplican presión directamente al conductor. Los conectores que usan los tornillos de presión directa deben diseñarse de tal forma que se minimice la distorsión o el daño al conductor. Si un conector compacto requiere un solo perno para acomodar el conductor, se recomienda una barra de presión, a menos que el conector se use en una aplicación de poco esfuerzo (light duty).
- La NEMA (National Electric Manufacturer's Association) ha adoptado
algunos estándares como guías para el diseño mecánico de los conectores.
La asociación NEMA diferencia por el número mínimo y por el tamaño de
pernos. El tamaño del perno es determinado por la presión de engrampe
requerida para reducir la resistencia a un valor lo suficientemente
bajo para suministrar una unión altamente estable conductora. Los pernos
usados en los conectores mecánicos no son sólo los medios de unir todas
las partes, pero aún más importante, estos son los medios para establecer
los puntos de contacto a lo largo de las superficies del conector y
del conductor.
Se recomiendan pernos de acero inoxidable para aquellas aplicaciones de ambientes altamente corrosivos y deben usarse conjuntamente con una adecuada selección del conductor.
Adicionalmente, se recomienda el uso de las arandelas (guachas) elásticas tipo Belleville en lugar de las arandelas planas cuando se usan combinaciones de diferentes materiales de conexión. Las arandelas Belleville mejoran la elasticidad de la conexión a diferentes esfuerzos de expansión y de contracción térmicos (el aluminio tiene el doble del coeficiente de expansión del acero). Sin embargo, observar que las arandelas Belleville no pueden compensar completamente un área de contacto inadecuado, el torque incorrecto o un diseño pobre. Ver la Sección 2.1.1.4 Ferretería para recomendaciones específicas.
- Colocar los pernos tan cerca al conductor como sea posible para reducir la longitud eficaz del brazo del momento. La reducción del momento reduce el esfuerzo dentro del conector. El elevado esfuerzo interno puede hacer que se agriete y por ello se requerirían elementos del conector más grandes que los que se necesitarían.
- Accesibilidad con una herramienta de instalación y una adecuada separación. Los conectores mecánicos a menudo permiten que una herramienta de instalación facilite el trabajo en vivo y simplifican el proceso de instalación. Además, todas las cabezas de los pernos deben colocarse en el mismo lado del conector para permitir su accesibilidad.
- Emplear el suficiente envoltorio para que haga contacto con todos los filamentos externos. Establecer contacto con todos los filamentos externos de un conductor es esencial para la igualación de la corriente y la performance térmica promedio.
- Emplear el material de tal manera que se haga el mejor uso de sus propiedades. El diseño del elemento de engrampe debería resistir el ingreso de la corrosión atmosférica o galvánica. También cuando se consideran los conectores mecánicos de cobre, son posibles secciones más delgadas debido a que el material puede formarse alrededor del conductor y, por lo tanto, recortará el brazo del momento y reducirá el esfuerzo. Sin embargo, un conector mecánico de aluminio debe tener la suficiente sección transversal para evitar la deflexión debido a la falta de conformación y fragilidad inherente del material.
Figura 1.7-1 Conector Simple Mecánico de Derivación y Empalme
1.7.1.3 Ventajas de los Conectores Mecánicos
Los conectores mecánicos generalmente tienen una ventaja sobre otros tipos de conectores (por ejemplo, los de compresión), en el grado de resistencia inherente de los componentes del conector. La elasticidad permite el seguimiento del creep (fenómeno de fluencia) y reduce los esfuerzos debido a la expansión térmica que tienden a ocasionar un creep excesivo. Los componentes de un conector diseñado adecuadamente brindan la elasticidad deseada.
Los conectores mecánicos también se pueden instalar con herramientas básicas, como socket o llaves de terminal abierto, destornilladores, etc. Estos conectores son fáciles de usar y requieren de un mínimo de entrenamiento para ser instalados apropiadamente. Generalmente el esfuerzo físico no es excesivo, aunque al instalar varios conectores y/o ferretería de engrampe por conector puede requerir cierto esfuerzo físico. Los conectores mecánicos también tienen la ventaja de ser removibles, y que si se encuentran en buenas condiciones pueden ser reusados (pregunte a su fabricante las recomendaciones para el reuso). Cuando las condiciones lo garantizan, los conectores mecánicos se pueden desensamblar sin ocasionar daño a los componentes de conexión.
La eficiencia eléctrica de los conectores mecánicos cumple o supera los requerimientos industriales para los que fueron diseñados. Por lo tanto, no se compromete la eficiencia cuando se usan los conectores mecánicos en ambientes de prueba.
1.7.1.4 Desventajas de los Conectores Mecánicos
Aunque los conectores mecánicos ofrecen versatilidad y facilidad de instalación, entre otros atributos, hay algunas desventajas y consideraciones que deben tenerse en cuenta.
Se deben seguir requerimientos de torque específicos para brindar la necesaria fuerza de engrampe para una conexión eléctrica perfecta. Los instaladores rara vez usan llaves de torque calibradas para asegurar las tuercas y los pernos de los conectores mecánicos. Por lo tanto, no se puede repetir la consistencia de las fuerzas aplicadas en otras instalaciones mecánicas.
La naturaleza general de una conexión mecánica no permite un elevado esfuerzo de retención. Por lo tanto, los conectores mecánicos no se usan como conectores a plena tensión mecánica. De forma similar, el uso de conectores mecánicos en áreas de alta vibración puede requerir de mayor mantenimiento y de una inspección periódica. Finalmente, si se requiere una conexión aislada, los conectores mecánicos son usualmente difíciles y toscos para cubrir adecuadamente debido a su geometría.