Cableado de edificios de aluminio

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El cableado de aluminio para edificios es un tipo de cableado eléctrico para la construcción residencial 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 las líneas aéreas de transmisión de energía y las 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 las redes eléctricas desde finales del siglo XIX hasta principios del siglo 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 cable preferido en la actualidad. ^[3]

En la construcción residencial de América del Norte, el alambre de aluminio se utilizó para cablear casas enteras durante un breve período, desde la década de 1960 hasta mediados de la década de 1970, durante un período de altos precios del cobre. Los dispositivos eléctricos (tomas de corriente, interruptores, iluminación, ventiladores, etc.) de esa 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 fueran mucho más susceptibles a problemas. Se desarrollaron estándares de fabricación revisados ​​tanto para el alambre como para los dispositivos con el fin de 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 tuvo que utilizar aluminio o alambre de aluminio revestido de cobre ("AlCu-Kabel") para el cableado, ya que el cobre era caro de importar. ^[4] Si bien todos los dispositivos fueron diseñados para aluminio durante esa era, esto terminó con la unificación en 1990, cuando el equipo estándar de Europa occidental estuvo disponible y las empresas públicas nacionales ( Volkseigener Betrieb ) cerraron.

El alambre de aluminio se ha utilizado como conductor eléctrico durante un período considerable de tiempo, en particular por parte de las empresas eléctricas relacionadas con las líneas de transmisión de energía que se utilizaron poco después del comienzo de la construcción de los sistemas de distribución de energía modernos a fines 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 sigue siendo menos costoso que el alambre de cobre para una aplicación particular.

Las aleaciones de aluminio utilizadas para los conductores eléctricos son solo aproximadamente un 61% tan conductivas como el cobre de la misma sección transversal, pero la densidad del aluminio es el 30,5% de la del cobre. En consecuencia, una libra de aluminio tiene la misma capacidad de transporte de corriente que dos libras de cobre. ^[3] Dado que el cobre cuesta aproximadamente cuatro veces más que el aluminio en peso (aproximadamente US$4 /lb ^[5] frente a US$1 /lb ^[6] a partir de 2024 ^[actualizar]), los cables de aluminio cuestan una octava parte del costo del cable 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 las 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 de la construcción de viviendas en América del Norte y el precio del cobre se disparó, el cable de construcción de aluminio se fabricó utilizando aleación de aluminio AA-1350 de grado de servicio público en tamaños lo suficientemente pequeños como para ser utilizados para circuitos derivados de carga más baja en 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 hechos con la aleación de aluminio AA-1350 de grado de servicio público, lo que resultó en una reevaluación del uso de esa aleación para cables de construcción y una identificación de la necesidad de aleaciones más nuevas para producir cables de construcción de aluminio. La primera aleación de conductor eléctrico de la serie 8000, todavía ampliamente utilizada en algunas aplicaciones, fue desarrollada y patentada en 1972 por Aluminum 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 aleación AA-1350 más antigua que se utilizaba 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. Según el grado de recocido, la AA-8176 puede alargarse hasta un 30 % con un menor efecto de recuperación elástica y posee una mayor resistencia a la fluencia (19,8 ksi o 137 MPa, para un alambre AA-8076 trabajado en frío ). ^{[ cita requerida ]}

Es probable que 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 cables de aluminio anteriores a 1972) tenga cables fabricados 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 las casas debido a propiedades mecánicas que la hacían más susceptible a fallas resultantes de los dispositivos eléctricos que se usaban en ese momento combinados con 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 edificios modernos se fabrica con aleación de aluminio de la serie AA-8000 (a veces denominada cableado de aluminio de "nueva tecnología") según lo especificado por las normas de la industria, como el Código Eléctrico Nacional (NEC). El uso de cables de aluminio trenzados de mayor calibre (más grandes que #8  AWG) es bastante común en gran parte de América del Norte para la construcción residencial moderna. El cable de aluminio se utiliza en aplicaciones residenciales para alimentadores de servicio de menor voltaje desde la empresa de servicios públicos hasta el edificio . Esto se instala con materiales y métodos según lo especificado por las empresas de servicios públicos locales. Además, el cable de construcción trenzado de aluminio más grande hecho con aleación de aluminio de la serie AA-8000 se utiliza para servicios eléctricos (por ejemplo, conductores de entrada de servicio desde la conexión de servicio público hasta el panel de interruptores de servicio) y para circuitos derivados más grandes, como subpaneles, cocinas, secadoras de ropa y unidades de aire acondicionado.

En los Estados Unidos, los cables de aluminio macizo fabricados con aleación de aluminio de la serie AA-8000 están permitidos para el cableado de circuitos derivados de 15 A o 20 A según el Código Eléctrico Nacional. ^[9] Las terminaciones deben estar clasificadas para cables de aluminio, lo que puede ser problemático. Esto es particularmente un problema con las conexiones de cable a cable realizadas con conectores de torsión. A partir de 2017, la mayoría de los conectores de torsión para tamaños de cable de circuitos derivados más pequeños típicos, incluso aquellos diseñados para conectar cobre a cableado de aluminio, no están clasificados para conexiones de aluminio a aluminio, con una excepción que es el Marette #63 o #65 utilizado en Canadá pero no aprobado por UL para su uso en los Estados Unidos. Además, el tamaño del cable de aluminio debe ser mayor en comparación con el cable de cobre utilizado para el mismo circuito debido a la mayor resistencia de las aleaciones de aluminio. Por ejemplo, un circuito derivado de 15 A que alimente artefactos de iluminación estándar se puede instalar con un  cable de construcción de cobre AWG n.° 14 o  un cable de construcción de aluminio AWG n.° 12 según el NEC. Sin embargo, en América del Norte casi nunca se utilizan circuitos derivados de aluminio sólido más pequeños para la construcción residencial. ^[3]

Cuando el cable de aluminio de aleación AA-1350 de grado utilitario se utilizó por primera vez en el cableado de circuitos derivados a principios de la década de 1960, el cable de aluminio sólido se instaló de la misma manera que el cable de cobre con los mismos dispositivos eléctricos.

En circuitos de derivación más pequeños con cables sólidos (circuitos de 15 o 20 A), las conexiones típicas de un cable eléctrico a un dispositivo eléctrico se realizan generalmente envolviendo el cable alrededor de un tornillo en el dispositivo, también llamado terminal , y luego apretando el tornillo. Casi al mismo tiempo, el uso de tornillos de acero se volvió más común que los tornillos de latón para dispositivos eléctricos.

Con el tiempo, muchas de estas terminaciones con alambre de aluminio sólido comenzaron a fallar debido a técnicas de conexión inadecuadas y a que los metales diferentes tenían diferentes resistencias y coeficientes de expansión térmica significativamente diferentes, así como a problemas con las propiedades de los alambres sólidos. Estas fallas de conexión generaban calor bajo carga eléctrica y causaban conexiones sobrecalentadas.

Los cables de aluminio trenzado de mayor tamaño no tienen los mismos problemas históricos que los cables de aluminio macizo, y las terminaciones comunes para cables de mayor tamaño son terminaciones de doble clasificación llamadas terminales. Estas terminales suelen estar hechas con una aleación de aluminio revestida, que puede acomodar un cable de aluminio o un cable de cobre. El cableado de aluminio trenzado de mayor tamaño con terminaciones adecuadas generalmente se considera seguro, ya que las instalaciones a largo plazo han demostrado su confiabilidad.

El uso de cableado de aluminio sólido antiguo en la construcción residencial ha provocado fallos en las conexiones de los dispositivos eléctricos, se ha relacionado con incendios domésticos según la Comisión de Seguridad de Productos para el Consumidor de los Estados Unidos (CPSC), y en algunas zonas puede resultar difícil obtener un seguro para propietarios de viviendas para una casa con cableado de aluminio antiguo. ^{[10] [11]} Existen varias razones posibles por las que fallaron estas conexiones. Las dos razones principales fueron instalaciones inadecuadas (mano de obra deficiente) y las diferencias en el coeficiente de expansión entre el cable de aluminio utilizado en los años 1960 hasta mediados de los años 1970 y las terminaciones, en particular cuando la terminación era un tornillo de acero en un dispositivo eléctrico. ^{[12] [13]} Los peligros notificados están asociados con el cableado de circuitos derivados de aluminio sólido antiguo (de calibre inferior al n.º 8 AWG ).

Muchas terminaciones de cables de aluminio instaladas en los años 1960 y 1970 que se instalaron correctamente siguen funcionando sin problemas. Sin embargo, pueden surgir problemas en el futuro, en particular si las conexiones no se instalaron correctamente al principio.

Una instalación incorrecta o un trabajo deficiente 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 forma incorrecta y aplicar un par de torsión inadecuado en los tornillos de conexión. También pueden surgir problemas con las conexiones realizadas con un par de torsión excesivo en el tornillo de conexión, ya que esto daña el cable, en particular con el cable de aluminio más blando.

La mayoría de los problemas relacionados con el alambre de aluminio se asocian típicamente con el alambre de aluminio sólido de aleación AA-1350 más antiguo (anterior a 1972), a veces denominado cableado de aluminio de "tecnología antigua", ya que las propiedades de ese alambre dan como resultado una expansión y contracción significativamente mayor que el alambre de cobre o el alambre de aluminio de la serie AA-8000 actual. El alambre de aluminio sólido más antiguo también tenía algunos problemas con una propiedad llamada fluencia , que da como resultado que el alambre se deforme o relaje permanentemente con el tiempo bajo carga.

El cable de aluminio utilizado antes de mediados de la década de 1970 tenía una tasa de deslizamiento algo mayor, pero un problema más significativo era que el mismo precio elevado del cobre que impulsaba el uso de cable de aluminio condujo al uso de acero revestido de latón en lugar de tornillos de latón macizo para las terminaciones en dispositivos como enchufes e interruptores. El aluminio y el acero se expanden y contraen a velocidades significativamente diferentes bajo carga térmica, por lo que una conexión puede aflojarse, en particular en el caso de terminaciones antiguas instaladas inicialmente con un par de torsión inadecuado de los tornillos combinado con el deslizamiento del aluminio con el tiempo. Las conexiones sueltas empeoran progresivamente con el tiempo.

Este ciclo es el resultado de un ligero aflojamiento de la conexión, con una reducción del área de contacto en la conexión, lo que provoca un sobrecalentamiento y permite que se formen compuestos intermetálicos de aluminio-hierro y aluminio-cobre entre el cable, el tornillo y los conductores del dispositivo debajo del cable. Esto dio como resultado una unión de mayor resistencia, lo que provocó un sobrecalentamiento adicional. Aunque muchos creen que la oxidación fue el problema, los estudios han demostrado que la oxidación no fue significativa en estos casos. ^[14]

Muchos de los dispositivos eléctricos utilizados en la década de 1960 tenían tornillos de terminales de acero simples 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 los problemas. A fines de la década de 1960, se creó una especificación de dispositivos conocida como CU/AL (que significa cobre-aluminio) que especificaba los estándares para los dispositivos destinados a usarse con cables de aluminio. Algunos de estos dispositivos usaban terminales de tornillo socavados más grandes para sujetar el cable de manera más segura.

Lamentablemente, los interruptores y receptáculos CU/AL no funcionaron lo suficientemente bien con cables de aluminio, y se creó una nueva especificación llamada CO/ALR (que significa cobre-aluminio, revisado). Estos dispositivos emplean terminales de tornillo de latón que están diseñados para actuar como un metal similar al aluminio y expandirse a una velocidad similar, y los tornillos tienen socavaduras aún más profundas. La clasificación CO/ALR solo está disponible para interruptores de luz y receptáculos 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 fácilmente 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 muy impedido. Sin embargo, dado que la capa de óxido tiene solo unos pocos nanómetros de espesor, la resistencia adicional no se nota en la mayoría de las condiciones. Cuando el cable de aluminio se termina correctamente, la conexión mecánica rompe la capa delgada y quebradiza 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 para formar más óxido.

Si se aplica un par de torsión inadecuado al tornillo de terminación del dispositivo eléctrico o si los dispositivos no tienen clasificación CO/ALR (o al menos clasificación CU/AL para interruptores y equipos más grandes), esto puede dar como resultado una conexión inadecuada del cable de aluminio. Además, debido a la diferencia significativa en las tasas de expansión térmica de los tornillos de terminación de acero y los cables de aluminio más antiguos, las conexiones pueden aflojarse con el tiempo, lo que permite la formación de algo de óxido adicional en el cable. Sin embargo, se descubrió 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 cables de aluminio con cables de cobre. Además de la oxidación que se produce en la superficie de los cables de aluminio, 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 1970:

• Recablear completamente la casa con cables de cobre (generalmente tiene un costo prohibitivo)
• El "pig-tailing" consiste en unir un tramo corto de cable de cobre (pigtail) al cable de aluminio original y, a continuación, unir el cable de cobre al dispositivo eléctrico existente. El empalme del pigtail de cobre al cable de aluminio existente se puede realizar con conectores de engarce especiales, conectores especiales de tipo lengüeta en miniatura o conectores de torsión aprobados (con procedimientos de instalación especiales). El pig-tailing generalmente ahorra tiempo y dinero, y es posible siempre que el cableado en sí no esté dañado. ^[15]

Sin embargo, la Comisión de Seguridad de Productos para el Consumidor de los Estados Unidos (CPSC) actualmente recomienda solo dos alternativas para una "reparación permanente" utilizando el método de engarce en cola de cerdo. El método más ampliamente probado utiliza conectores especiales de engarce llamados conectores COPALUM. A partir de abril de 2011, la CPSC también ha reconocido los conectores de tipo lengüeta en miniatura llamados conectores AlumiConn. ^{[10] [16]} La CPSC considera el uso de colas de cerdo con tuercas para cables como una reparación temporal , e incluso como una reparación temporal recomienda procedimientos de instalación especiales, y señala que aún puede haber peligros al intentar las reparaciones.

Los conectores COPALUM utilizan un sistema de engarce especial que crea una soldadura en frío entre el cable de cobre y el de aluminio, y se consideran una reparación permanente que no requiere 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 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 necesita un electricista para instalarlos es un destornillador dinamométrico especial que debería estar fácilmente disponible para los contratistas eléctricos calificados. El par de torsión adecuado en los tornillos de fijación de los conectores es fundamental para lograr una reparación aceptable. Sin embargo, el uso de los conectores Alumiconn 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 algunos de los mismos problemas o problemas similares con el espacio limitado del gabinete que los conectores COPALUM.

Existen conectores especiales de torsión (o "tuercas para cables" ) para unir cables de aluminio a cobre, que se rellenan previamente con un compuesto antioxidante hecho de polvo de zinc en base de polibuteno ^[17] con dióxido de silicio añadido al compuesto para desgastar los cables. A partir de 2014, solo había un conector de torsión clasificado o "Listado por UL" para conectar cables de circuitos derivados de aluminio y cobre en los EE. UU., que es el conector de cable "Twister Al/Cu" Ideal n.º 65. Estos conectores especiales de torsión tienen un color púrpura distintivo, han sido 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 en un cableado de circuitos derivados de aluminio en aplicaciones de modernización". ^[18] La CPSC aún considera que el uso de conectores de torsión, incluido el conector de cable "Twister Al/Cu" Ideal n.º 65, es una reparación temporal .

Según la CPSC, incluso el uso de conectores de torsión (listados) para conectar coletas de cobre a cables de aluminio más viejos como reparación temporal requiere procedimientos de instalación especiales, que incluyen raspar y retorcer previamente los cables. Sin embargo, las instrucciones del fabricante para el Twister Ideal n.° 65 ^[19] solo recomiendan retorcer previamente los cables y no indican que sea necesario. Además, las instrucciones no mencionan raspar físicamente 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 lista/pruebas de UL para este conector de cable, y se han informado problemas con las pruebas (sin retorcer previamente) y las instalaciones. ^[20] Sin embargo, se desconoce si los problemas de instalación informados estaban asociados con personas no calificadas que intentaron estas reparaciones o que no utilizaron los procedimientos de instalación especiales recomendados (como desgastar y retorcer previamente los cables como lo recomienda la CPSC para cables de aluminio más viejos, o al menos retorcer previamente los cables como lo 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 verificar/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 conectaron a cables de aluminio de "tecnología antigua". ^[10] Además, simplemente instalar dispositivos CO/ALR (interruptores y receptáculos) no aborda los peligros potenciales asociados con otras conexiones, como las de los ventiladores de techo, las luces y los equipos.

• Alambre de aluminio revestido de cobre

• "Instalación de cables de aluminio para construcción", Christel Hunter, artículo de EC&M, 2007.