El cableado de construcción de aluminio es un tipo de cableado eléctrico para construcciones residenciales o casas que utiliza conductores eléctricos de aluminio . El aluminio proporciona una mejor relación conductividad-peso que el cobre y, por lo tanto, también se utiliza para el cableado de redes eléctricas , incluidas líneas aéreas de transmisión de energía y líneas de distribución de energía local , así como para el cableado eléctrico de algunos aviones . [1] [2] Las empresas de servicios públicos han utilizado cables de aluminio para la transmisión eléctrica en redes eléctricas desde finales del siglo XIX hasta principios del XX. Tiene ventajas de costo y peso sobre los cables de cobre . El aluminio en aplicaciones de transmisión y distribución de energía sigue siendo el material de alambre preferido en la actualidad. [3]
En la construcción residencial de América del Norte, se utilizó alambre de aluminio para cablear casas enteras durante un breve período desde la década de 1960 hasta mediados de la de 1970, durante un período de altos precios del cobre. Los dispositivos eléctricos (enchufes, interruptores, iluminación, ventiladores, etc.) de la época no estaban diseñados teniendo en cuenta las propiedades particulares del alambre de aluminio que se utilizaba, y existían algunos problemas relacionados con las propiedades del propio alambre, lo que hacía que las instalaciones con alambre de aluminio mucho más susceptible a problemas. Se desarrollaron estándares de fabricación revisados tanto para el cable como para los dispositivos para reducir los problemas. Las casas existentes con este cableado de aluminio antiguo utilizado en circuitos derivados presentan un riesgo potencial de incendio.
En la antigua Alemania del Este comunista (RDA, 1945-1990), se tenía que utilizar aluminio o alambre de aluminio revestido de cobre ("AlCu-Kabel") para el cableado, ya que importar cobre era caro. [4] Si bien todos los dispositivos fueron diseñados para aluminio durante esa época, esto terminó con la unificación en 1990, cuando los equipos estándar de Europa occidental estuvieron disponibles y las empresas públicas nacionales ( Volkseigener Betrieb ) cerraron.
El alambre de aluminio se ha utilizado como conductor eléctrico durante un período de tiempo considerable, particularmente por empresas eléctricas relacionadas con líneas de transmisión de energía en uso poco después del comienzo de la construcción de sistemas modernos de distribución de energía a partir de finales de la década de 1880. El alambre de aluminio requiere un calibre de alambre mayor que el alambre de cobre para transportar la misma corriente , pero aún es menos costoso que el alambre de cobre para una aplicación particular.
Las aleaciones de aluminio utilizadas para conductores eléctricos son sólo aproximadamente un 61% tan conductoras como el cobre de la misma sección transversal, pero la densidad del aluminio es un 30,5% de la del cobre. En consecuencia, una libra de aluminio tiene la misma capacidad de carga de corriente que dos libras de cobre. [3] Dado que el cobre cuesta aproximadamente tres veces más que el aluminio en peso (aproximadamente 3 dólares estadounidenses por libra [5] frente a 1 dólar estadounidense por libra [6] a partir de 2017 [update]), los alambres de aluminio cuestan una sexta parte del costo del alambre de cobre de la misma conductividad. El menor peso de los cables de aluminio en particular hace que estos conductores eléctricos sean muy adecuados para su uso en sistemas de distribución de energía por parte de empresas eléctricas, ya que las torres o estructuras de soporte solo necesitan soportar la mitad del peso de los cables para transportar la misma corriente.
A principios de la década de 1960, cuando hubo un auge en la construcción de viviendas en América del Norte y el precio del cobre se disparó, el alambre de aluminio para la construcción se fabricaba utilizando una aleación de aluminio de grado comercial AA-1350 en tamaños lo suficientemente pequeños como para usarse en circuitos derivados de cargas más bajas en los hogares. [7] A fines de la década de 1960, comenzaron a surgir problemas y fallas relacionadas con las conexiones de circuitos derivados para cables de construcción fabricados con la aleación de aluminio de grado comercial AA-1350, lo que resultó en una reevaluación del uso de esa aleación para cables de construcción y una identificación. de la necesidad de nuevas aleaciones para producir alambre de aluminio para la construcción. La primera aleación conductora eléctrica de la serie 8000, todavía ampliamente utilizada en algunas aplicaciones, fue desarrollada y patentada en 1972 por Aluminium Company of America ( Alcoa ). [8] Esta aleación, junto con AA-8030 (patentada por Olin en 1973) y AA-8176 (patentada por Southwire en 1975 y 1980), funciona mecánicamente como el cobre.
A diferencia de la antigua aleación AA-1350 utilizada anteriormente, estas aleaciones de la serie AA-8000 también conservan su resistencia a la tracción después de la prueba de ciclo de corriente estándar o la prueba de inmersión de ciclo de corriente (CCST), como se describe en ANSI C119.4:2004. Dependiendo del grado de recocido, AA-8176 puede alargarse hasta un 30 % con menos efecto de recuperación elástica y posee un límite elástico más alto (19,8 ksi o 137 MPa, para un alambre AA-8076 trabajado en frío ). [ cita necesaria ]
Una casa con cableado de aluminio instalado antes de mediados de la década de 1970 (ya que se permitió que se agotara el stock de alambre de aluminio anterior a 1972) probablemente tenga alambre fabricado con la antigua aleación AA-1350 que se desarrolló para la transmisión de energía. La aleación de aluminio AA-1350 era más propensa a problemas relacionados con el cableado de circuitos derivados en los hogares debido a propiedades mecánicas que la hacían más susceptible a fallas resultantes de los dispositivos eléctricos que se usaban en ese momento combinados con una mano de obra deficiente.
El incendio del Beverly Hills Supper Club de 1977 fue un incidente notable provocado por un cableado de aluminio mal instalado.
El cableado de aluminio para construcciones modernas se fabrica con una aleación de aluminio de la serie AA-8000 (a veces denominada cableado de aluminio de "nueva tecnología") según lo especificado por los estándares de la industria, como el Código Eléctrico Nacional (NEC). El uso de alambre de aluminio trenzado de mayor calibre (más grande que #8 AWG) es bastante común en gran parte de América del Norte para la construcción residencial moderna. El alambre de aluminio se utiliza en aplicaciones residenciales para alimentadores de servicios de bajo voltaje desde la empresa de servicios públicos hasta el edificio . Esto se instala con materiales y métodos especificados por las compañías de servicios eléctricos locales. Además, el cable de construcción trenzado de aluminio de mayor tamaño fabricado con una aleación de aluminio de la serie AA-8000 se utiliza para servicios eléctricos (por ejemplo, conductores de entrada de servicio desde la conexión de la red eléctrica hasta el panel de interruptores de servicio) y para circuitos derivados más grandes, como subpaneles, estufas, secadoras de ropa y unidades de aire acondicionado.
In the United States, solid aluminum wires made with AA-8000 series aluminum alloy are allowed for 15 A or 20 A branch circuit wiring according to the National Electrical Code.[9] The terminations need to be rated for aluminum wire, which can be problematic. This is particularly a problem with wire to wire connections made with twist-on connectors. As of 2017 most twist-on connectors for typical smaller branch circuit wire sizes, even those designed to connect copper to aluminum wiring, are not rated for aluminum-to-aluminum connections, with one exception being the Marette #63 or #65 used in Canada but not approved by UL for use in the United States. Also, the size of the aluminum wire needs to be larger compared to copper wire used for the same circuit due to the increased resistance of the aluminum alloys. For example, a 15 A branch circuit supplying standard lighting fixtures can be installed with either #14 AWG copper building wire or #12 AWG aluminum building wire according to the NEC. However, smaller solid aluminum branch circuit wiring is almost never used for residential construction in North America.[3]
When utility grade AA-1350 alloy aluminum wire was first used in branch circuit wiring in the early 1960s, solid aluminum wire was installed the same way as copper wire with the same electrical devices.
For smaller branch circuits with solid wires (15 or 20 A circuits) typical connections of an electrical wire to an electrical device are usually made by wrapping the wire around a screw on the device, also called a terminal, and then tightening the screw. At around the same time the use of steel screws became more common than brass screws for electrical devices.
Over time, many of these terminations with solid aluminum wire began to fail due to improper connection techniques and the dissimilar metals having different resistances and significantly different coefficients of thermal expansion, as well as problems with properties of the solid wires. These connection failures generated heat under electrical load and caused overheated connections.
The larger size stranded aluminum wires don't have the same historical problems as solid aluminum wires, and the common terminations for larger size wires are dual-rated terminations called lugs. These lugs are typically made with a coated aluminum alloy, which can accommodate either an aluminum wire or a copper wire. Larger stranded aluminum wiring with proper terminations is generally considered safe, since long-term installations have proven its reliability.
El uso de cableado de aluminio macizo antiguo en la construcción residencial ha provocado fallas en las conexiones de los dispositivos eléctricos, ha estado implicado en incendios domésticos según la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. (CPSC) y en algunas áreas puede resultar difícil obtener un seguro para propietarios de viviendas. para una casa con cableado de aluminio antiguo. [10] [11] Hay varias razones posibles por las que estas conexiones fallaron. Las dos razones principales fueron instalaciones inadecuadas (mala mano de obra) y las diferencias en el coeficiente de expansión entre el alambre de aluminio utilizado entre los años 1960 y mediados de los 1970 y las terminaciones, particularmente cuando la terminación era un tornillo de acero en un dispositivo eléctrico. [12] [13] Los peligros informados están asociados con cableado de circuito derivado de aluminio sólido más antiguo (más pequeño que el número 8 AWG ).
Muchas terminaciones de alambre de aluminio instaladas en las décadas de 1960 y 1970 que se instalaron correctamente continúan funcionando sin problemas. Sin embargo, pueden surgir problemas en el futuro, especialmente si las conexiones no se instalaron correctamente inicialmente.
La instalación inadecuada o la mala mano de obra incluyen: no desgastar los cables, no aplicar un inhibidor de corrosión, no enrollar los cables alrededor de los tornillos de los terminales, enrollar los cables alrededor de los tornillos de los terminales de manera incorrecta y un torque inadecuado en los tornillos de conexión. También puede haber problemas con las conexiones realizadas con demasiado torque en el tornillo de conexión, ya que daña el cable, particularmente con el cable de aluminio más blando.
La mayoría de los problemas relacionados con el alambre de aluminio generalmente se asocian con alambre de aluminio sólido de aleación AA-1350 más antiguo (anterior a 1972), a veces denominado cableado de aluminio de "vieja tecnología", ya que las propiedades de ese alambre dan como resultado una expansión y contracción significativamente mayor. que el alambre de cobre o el moderno alambre de aluminio de la serie AA-8000. El alambre de aluminio sólido más antiguo también tenía algunos problemas con una propiedad llamada fluencia , que hace que el alambre se deforme o se relaje permanentemente con el tiempo bajo carga.
El alambre de aluminio utilizado antes de mediados de la década de 1970 tenía una tasa de fluencia algo mayor, pero un problema más importante fue que el alambre de aluminio tenía un coeficiente de expansión que variaba significativamente de los tornillos de acero comúnmente utilizados en lugar de los tornillos de latón en esta época para terminaciones en dispositivos como enchufes e interruptores. El aluminio y el acero se expanden y contraen a ritmos significativamente diferentes bajo carga térmica, por lo que una conexión puede aflojarse, particularmente en terminaciones más antiguas instaladas inicialmente con un torque inadecuado de los tornillos combinado con el deslizamiento del aluminio con el tiempo. Las conexiones flojas empeoran progresivamente con el tiempo.
Este ciclo resulta de que la conexión se afloja ligeramente, con un área de contacto reducida en la conexión que conduce al sobrecalentamiento y permite que se formen compuestos intermetálicos de acero/aluminio entre el conductor y el tornillo terminal. Esto resultó en una unión de mayor resistencia, lo que provocó un sobrecalentamiento adicional. Aunque muchos creen que el problema era la oxidación, los estudios han demostrado que la oxidación no fue significativa en estos casos. [14]
Muchos dispositivos eléctricos utilizados en la década de 1960 tenían tornillos terminales de acero liso más pequeños, lo que hacía que la conexión de los cables de aluminio que se usaban en ese momento a estos dispositivos fuera mucho más vulnerable a problemas. A finales de la década de 1960, se creó una especificación de dispositivo conocida como CU/AL (que significa cobre-aluminio) que especificaba estándares para dispositivos destinados a usarse con alambre de aluminio. Algunos de estos dispositivos utilizaban terminales de tornillo recortados más grandes para sujetar el cable de forma más segura.
Desafortunadamente, los interruptores y receptáculos CU/AL no funcionaron lo suficientemente bien con alambre de aluminio, y se creó una nueva especificación llamada CO/ALR (que significa cobre-aluminio, revisada). Estos dispositivos emplean terminales de tornillo de latón que están diseñados para actuar como un metal similar al aluminio y expandirse a un ritmo similar, y los tornillos tienen cortes aún más profundos. La clasificación CO/ALR solo está disponible para interruptores y receptáculos de luz estándar; CU/AL es la marca de conexión estándar para disyuntores y equipos más grandes.
La mayoría de los metales (con algunas excepciones, como el oro ) se oxidan libremente cuando se exponen al aire. El óxido de aluminio no es un conductor eléctrico , sino más bien un aislante eléctrico . En consecuencia, el flujo de electrones a través de la capa de óxido puede verse enormemente impedido. Sin embargo, dado que la capa de óxido tiene sólo unos pocos nanómetros de espesor, la resistencia adicional no se nota en la mayoría de las condiciones. Cuando el cable de aluminio tiene una terminación adecuada, la conexión mecánica rompe la fina y frágil capa de óxido para formar una excelente conexión eléctrica. A menos que se afloje esta conexión, no hay forma de que el oxígeno penetre en el punto de conexión y forme más óxido.
Si se aplica un torque inadecuado al tornillo de terminación del dispositivo eléctrico o si los dispositivos no tienen clasificación CO/ALR (o al menos clasificación CU/AL para disyuntores y equipos más grandes), esto puede resultar en una conexión inadecuada del cable de aluminio. Además, debido a la diferencia significativa en las tasas de expansión térmica de los cables de aluminio más antiguos y los tornillos de terminación de acero, las conexiones pueden aflojarse con el tiempo, lo que permite la formación de algo de óxido adicional en el cable. Sin embargo, se encontró que la oxidación no era un factor sustancial en las fallas de las terminaciones de cables de aluminio. [14]
Otro problema es la unión de alambre de aluminio con alambre de cobre. Además de la oxidación que se produce en la superficie de los cables de aluminio y que puede provocar una mala conexión, el aluminio y el cobre son metales diferentes. Como resultado, puede producirse corrosión galvánica en presencia de un electrolito, lo que hace que estas conexiones se vuelvan inestables con el tiempo.
Hay varias mejoras o reparaciones disponibles para hogares con cableado de circuito derivado de aluminio anterior a la década de 1970:
Sin embargo, la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU. (CPSC) recomienda actualmente sólo dos alternativas para una "reparación permanente" utilizando el método del pig-tailing. El método más ampliamente probado utiliza conectores engarzados especiales llamados conectores COPALUM. A partir de abril de 2011, la CPSC también reconoció los conectores tipo terminal en miniatura llamados conectores AlumiConn. [10] [16] La CPSC considera el uso de coletas con tuercas para cables como una reparación temporal , e incluso como reparación temporal recomienda procedimientos de instalación especiales, y señala que aún puede haber riesgos al intentar realizar las reparaciones.
Los conectores COPALUM utilizan un sistema de engarzado especial que crea una soldadura en frío entre el alambre de cobre y aluminio y se considera una reparación permanente y libre de mantenimiento. Sin embargo, es posible que no haya suficiente longitud de cables en los gabinetes para permitir el uso de una herramienta de engarce especial y las conexiones resultantes a veces son demasiado grandes para instalarlas en gabinetes existentes debido al espacio limitado (o "relleno de la caja"). Se puede instalar un extensor de gabinete para superficies sin terminar, reemplazar el gabinete por uno más grande o instalar un gabinete adyacente adicional para aumentar el espacio disponible. Además, los conectores COPALUM son costosos de instalar, requieren herramientas especiales que no se pueden comprar simplemente y electricistas certificados para usarlos por el fabricante, y a veces puede ser muy difícil encontrar electricistas locales certificados para instalar estos conectores.
El conector de terminal en miniatura AlumiConn también se puede utilizar para una reparación permanente. [10] La única herramienta especial que un electricista necesita para instalarlos es un destornillador dinamométrico especial que debe estar disponible para los contratistas eléctricos calificados. El torque adecuado en los tornillos de fijación de los conectores es fundamental para lograr una reparación aceptable. Sin embargo, el uso de conectores Alumicon es una opción de reparación relativamente nueva para cableado de aluminio antiguo en comparación con otros métodos, y el uso de estos conectores puede tener problemas iguales o similares con espacio limitado en el gabinete que los conectores COPALUM.
Hay disponibles conectores giratorios especiales (o "tuercas para cables" ) para unir aluminio a alambre de cobre, que están precargados con un compuesto antioxidante hecho de polvo de zinc en base de polibuteno [17] con dióxido de silicio agregado al compuesto para desgastar el cables. A partir de 2014, solo había un conector giratorio clasificado o "Listado UL" para conectar cables de circuitos derivados de aluminio y cobre en los EE. UU., que es el Ideal no. Conector de cable Twister Al/Cu de 65 ". Estos conectores giratorios especiales tienen un color púrpura distintivo, están listados por UL para conexiones de cables de circuitos derivados de aluminio a cobre desde 1995 y, según la literatura actual del fabricante, son "perfectos para conectar un conductor de cobre al cableado de un circuito derivado de aluminio en aplicaciones de modernización". [18] La CPSC todavía considera el uso de conectores giratorios, incluido el Ideal no. 65 "Conector de cable Twister Al/Cu", para ser una reparación temporal .
Según la CPSC, incluso el uso de conectores giratorios (listados) para unir cables flexibles de cobre a cables de aluminio más antiguos como reparación temporal requiere procedimientos de instalación especiales, que incluyen abrasión y torsión previa de los cables. Sin embargo, las instrucciones del fabricante del Ideal no. 65 Twister [19] sólo recomienda pretorcer los cables y no indica que sea necesario. Además, las instrucciones no mencionan la abrasión física de los cables como lo recomienda la CPSC, aunque la literatura actual del fabricante indica que el "compuesto precargado corta el óxido de aluminio". Algunos investigadores han criticado la certificación/pruebas de UL para este conector de cable y se han informado problemas con las pruebas (sin torsión previa) y las instalaciones. [20] Sin embargo, se desconoce si los problemas de instalación reportados estuvieron asociados con personas no calificadas que intentaron estas reparaciones, o no utilizaron procedimientos de instalación especiales recomendados (como raspar y torcer previamente los cables como lo recomienda la CPSC para cables de aluminio más antiguos, o al menos pre-torciendo los cables como recomienda Ideal para sus conectores).
El uso de dispositivos más nuevos con clasificación CO/ALR (interruptores y receptáculos) se puede utilizar para reemplazar dispositivos más antiguos que no tenían la clasificación adecuada en hogares con cableado de circuito derivado de aluminio para reducir los peligros. [20] Según se informa, estos dispositivos están probados y listados para cables de aluminio de las series AA-1350 y AA-8000, y son aceptables según el Código Eléctrico Nacional. [9] Sin embargo, algunos fabricantes de dispositivos CO/ALR recomiendan revisar/apretar periódicamente los tornillos de los terminales de estos dispositivos, lo que puede ser peligroso para personas no calificadas, y existen críticas sobre su uso como reparación permanente, ya que algunos dispositivos CO/ALR han fallado en las pruebas cuando se conectan a un cable de aluminio de "vieja tecnología". [10] Además, la simple instalación de dispositivos CO/ALR (interruptores y receptáculos) no aborda los peligros potenciales asociados con otras conexiones, como las de ventiladores de techo, luces y equipos.
La electricidad se transmite desde las estaciones generadoras de servicios públicos a los medidores individuales utilizando casi exclusivamente cableado de aluminio. En Estados Unidos, las empresas de servicios públicos han utilizado alambre de aluminio durante más de 100 años.