Cobre vs. aluminio en equipos eléctricos: mitos y realidades

Durante años, se han debatido las ventajas y desventajas del uso de conductores de aluminio o cobre. La mayoría de las preocupaciones por parte de los usuarios se debe a que no cuentan con información correcta o la que tienen es antigua.

El aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y el acero; pero, es importante saber cuál aleación de  aluminio se utiliza.

Por  Óscar Alvarado.

Para entender las diferencias en la utilización de estos dos materiales, es importante conocer sus características mecánicas y eléctricas. Existen tres materiales que son utilizados como conductores en los tableros de distribución eléctrica: el cobre, el aluminio y la plata.

Debido a que el cobre cada vez es más escaso y a que su demanda es mayúscula, su costo ha ido en aumento a durante los últimos años; por ello, la utilización del aluminio ha sido más frecuente. En el caso de la plata, debido a su alto costo, solamente es utilizada en el recubrimiento de uniones y superficies de contacto.

El cobre es utilizado en su condición pura, pues tiene una conductividad comercial de 98 por ciento, basado en el International Annealed Copper Standard (IACS). Por otro lado, el aluminio puro no puede emplearse como conductor eléctrico, debido a que es muy suave para los ensambles mecánicos, por lo que siempre se utiliza en aleación con otros materiales. Hasta 1975, se utilizaba la aleación de aluminio 1350; aunque tenía 61 por ciento de conductividad respecto del cobre, no contaba con una resistencia mecánica adecuada para utilizarse en equipos eléctricos.

La aleación Al 6101 es el material predominante para barras de distribución (bus bar) y es más fuerte que la aleación Al 1350, ya que se ha endurecido por un tratamiento de calor, pero sólo tiene el 56 por cientode la conductividad del cobre. La menor conductividad de la aleación 6101 no significa que el conductor de Al conducirá más energía que el de Cu, sino que el conductor de Al deberá tener un área mayor en la sección transversal para la misma capacidad de corriente.

Para la conducción de corriente se pueden tomar en consideración dos criterios de diseño: elevación de temperatura del conductor o densidad de corriente en amperes por pulgada cuadrada.

El método de diseño establecido para conductores dentro de un equipo eléctrico es el de elevación de temperatura (temperature rise). Los estándares industriales, como UL y ANSI, proveen los requerimientos de diseño para diferentes productos; por ejemplo, UL permite elevación de temperatura de 55 °C para switchboards y 50 °C de elevación para panelboards; por otro lado, ANSI C37.20 permite una elevación máxima de 65 °C para switchgears sobre una temperatura ambiente de 40 °C.

Independientemente del material que se utilice, se debe considerar el tamaño de conductor adecuado para cumplir con los requerimientos anteriores. En el caso del aluminio, su sección transversal tendrá que ser mayor para alcanzar niveles de conductividad similares a los del cobre.

Mito
Los equipos fabricados con bus de aluminio son más grandes con respecto a los de bus de cobre.

Realidad
Realmente, las dimensiones externas de los equipos  son las mismas, tanto para cobre como para aluminio; lo que cambia es el tamaño de las barras internas.

Mito
El aluminio no conduce igual que el cobre y, por lo tanto,  trabaja a mayor temperatura.

Realidad
Si los equipos están diseñados por el método de elevación de temperatura y cumplen con los requerimientos de UL o ANSI (según aplique), los niveles de temperatura se mantendrán por debajo de lo indicado, aun utilizando barras de aluminio.

Características físicas
Otra de las preocupaciones de los usuarios es que las propiedades de resistencia a la tensión y la expansión térmica de los materiales no es la misma para cobre y aluminio, por lo que la capacidad de soportar los efectos térmicos durante variación de corriente o eventos de cortocircuito en las terminales es menor en equipos fabricados con barras de aluminio. Para analizar ésta situación utilizaremos la información de la Tabla 1.

Como se observa, la resistencia a la tensión del aluminio es mucho menor que la del cobre. La realidad es que, al utilizarse para una aplicación de corriente específica, la sección transversal de la barra de aluminio será 56 por ciento mayor que la de cobre y la resistencia a la tensión para la misma conductividad será igual en ambos materiales. Esto implica que la resistencia a los esfuerzos mecánicos generados durante un cortocircuito es la misma para cobre o aluminio. Los estándares UL, IEEE y NEMA cuentan con publicaciones para establecer criterios de pruebas de cortocircuito para equipo eléctrico, y los equipos fabricados con éstos estándares deben cumplirlos, sin importar el material utilizado.

Mito
Los equipos con barras de aluminio no tienen la misma capacidad de soportar cortocircuitos  que los de barras de cobre.

Realidad
Al tener que incrementar el tamaño de las barras de aluminio para alcanzar la misma conductividad que las barras de cobre, la resistencia a la tensión también se incrementa, teniendo la misma capacidad de soportar los esfuerzos mecánicos generados durante un cortocircuito.

Otro punto interesante es el coeficiente de expansión térmica que, como se observa en la tabla, es 38 por ciento mayor en el aluminio. La preocupación principal del usuario radica en la seguridad de las uniones de barras. Comúnmente se utilizan tornillos de acero para realizar las conexiones entre barras; el acero tiene sólo el 50 por ciento de coeficiente de expansión con respecto al aluminio. Esto quiere decir que a la misma elevación de temperatura el aluminio se expande al doble que el acero. De esta manera, cuando existe un incremento de temperatura, el esfuerzo mecánico en las uniones se incrementa y puede llegar a deformarlas de modo permanente, creando una reducción en su nivel de torque; por tanto, aumentará su resistencia y provocará un incremento de temperatura en el siguiente período de carga, que deformará cada vez más la unión hasta que resulte en una falla. Esta situación puede presentarse con materiales que tienen una baja resistencia a la tensión, como la aleación de aluminio 1350, si no se utilizan los elementos adecuados en las conexiones. Estos elementos pueden ser arandelas de seguridad o arandelas Bellville para reducir los efectos de la expansión térmica en los materiales. Esta problemática no se presenta en materiales de alta resistencia a la tensión, como el cobre y las aleaciones de aluminio de alta resistencia, como la 6101T63 (27 mil psi), la cual opera tan satisfactoriamente como el cobre.

Mito
Las uniones se deforman más en el aluminio por la expansión térmica, lo cual provoca calentamientos excesivos y fallas.

Realidad
Es verdad que el aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y que el acero; sin embargo, es importante saber cuál es la aleación de aluminio que se utiliza. Si se usa una aleación de alta resistencia a la tensión, se puede tener un comportamiento térmico muy similar al de una barra de cobre. En el caso de una aleación diferente, se pueden utilizar arandelas de seguridad o Bellville en las uniones para reducir los efectos térmicos.

Terminales de conexión
Anteriormente, cuando se utilizaban conductores de aluminio casi puro, las conexiones se realizaban solamente con terminales de compresión para asegurar una correcta conexión. En la actualidad, las aleaciones de aluminio utilizadas permiten que las terminales sean prácticamente de cualquier tipo. En el caso de los interruptores, se utilizan terminales de conexión plateadas, clasificadas como ALCU, lo que quiere decir que aceptan conductores de cobre o aluminio sin problemas.

Mito
Si utilizo cableado de cobre para mis alimentadores, el tablero debe ser de barras de cobre.

Realidad
Las terminales de conexión en los interruptores que alimentan los circuitos derivados están clasificadas como ALCU, lo cual permite la conexión de conductores de cobre o aluminio, sin importar el material de las barras del tablero en cuestión.

Oxidación de los materiales
Tanto las barras de aluminio como de cobre se oxidan. Para reducir el riesgo de oxidación, la mayoría de las uniones están recubiertas con plata o estaño que asegura una adecuada conductividad. La existencia de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) en el ambiente genera corrosión en el cobre y los recubrimientos de plata, intensificándose en instalaciones donde el equipo trabaja a temperaturas elevadas cuando está energizado. En consecuencia, las barras comienzan a perder brillo y, en ocasiones, aparecen manchas oscuras en ellas. Para instalaciones con presencia de H2S, como refinerías, plantas químicas, industria del papel o plantas de tratamientos de agua, la utilización de recubrimiento con estaño es una buena protección ambiental para el problema de corrosión por H2S.

Mito
Las barras de aluminio se oxidan más que las de cobre.

Realidad
Es importante identificar la aplicación del equipo para utilizar el recubrimiento adecuado de las barras, ya sea plateado o estañado. El aluminio y el cobre se oxidan y en éste el daño es más severo en presencia de H2S.

Peso
Otro dato a favor de la utilización del aluminio es su bajo peso con respecto a las soluciones en cobre. Es un hecho que el aluminio es mucho más “suave” que el cobre, por lo que siempre se han tenido que utilizar aleaciones con otros materiales que le brinden una resistencia mecánica adecuada para ser utilizado en equipos eléctricos. A pesar de que se tiene que utilizar mayor cantidad de aluminio para alcanzar la conductividad del cobre, su peso es mucho menor. Por ejemplo, para conducir una corriente de 4 mil amperes en una barra de cobre en un sistema de 3fases-3hilos, se tiene un peso aproximado de 42 lb/ft; si utilizáramos barras de aluminio, el peso sería de 25 lb/ft  (aprox. 40 por ciento de diferencia). Esta diferencia es un factor determinante para el diseñador y  el instalador. El primero puede reducir la carga sobre las bases de los equipos y sobre las estructuras del edificio, y el segundo puede instalar de una forma más rápida al manejar equipos más ligeros. En ambos casos, se pueden presentar beneficios económicos en las estructuras y costos de mano de obra.

Mito
Al pesar menos los equipos con barras de aluminio son más frágiles.

Realidad
Las aleaciones de aluminio utilizadas en los equipos eléctricos tienen resistencias a la tensión similares al cobre. Adicionalmente, la estructura de los equipo aumenta la rigidez mecánica.

Costos
En la actualidad, el cobre es cada vez más escaso y tiene mayor demanda, lo cual genera grandes incrementos en su precio. Por ello, el aluminio se ha convertido en una oferta más atractiva para los fabricantes de equipo eléctrico y los usuarios finales.

Mito
Si el precio es menor se debe a que la calidad del producto también es menor.

Realidad
Esta diferencia no radica en la calidad, sino en el reciente incremento en el costo del cobre, lo cual ha repercutido en aumentos para los fabricantes y para los clientes finales.

Equipos disponibles en el mercado
En la actualidad, cada vez más equipos son diseñados con conductores de aluminio, debido a la reducción de costos y pesos, lo cual representa un beneficio económico para los usuarios finales y los instaladores.

Mito
No existe una oferta variada de productos de calidad en aluminio.

Realidad
En el caso de GE, nuestra oferta de productos, en los cuales se tiene la posibilidad de escoger entre barras de aluminio o cobre, abarca electroducto, transformadores secos, tableros de alumbrado y contactos, tableros de montaje en pared y tableros auto-soportados de distribución.

Conclusión

1. El aluminio es una buena opción para los equipos de distribución eléctrica.
2. Utilizar conductores de aluminio reduce el peso de los equipos y, por tanto la carga mecánica a las instalaciones.
3. Los equipos fabricados son conductores de aluminio normalmente son de menor costo que los fabricados con cobre.
4. Los niveles de temperatura para cobre o aluminio en los equipos GE son los mismos indicados por ANSI o UL.
5. Las terminales de conexión en el mercado son adecuadas para recibir conductores de cobre o aluminio.
6. Existe una amplia gama de productos fabricados con conductores de aluminio.

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Óscar Alvarado
Es el líder de especificación de GE Industrial Solutions para México. Cuenta con más de 10 años de experiencia en el sector eléctrico colaborando en áreas de servicio y comerciales en empresas nacionales e internacionales. Actualmente, su principal responsabilidad es la de brindar soporte técnico de aplicación y especificación de los equipos de media y baja tensión de GE.
El ingeniero Alvarado es egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León.