Materiales aislantes para conductores eléctricos

Antescedentes

Antes de la Segunda Guerra Mundial, uno de los materiales que se conocía y empleaba era el hule natural. Era empleado en cables, como aislamiento y como cubierta exterior. En lo que a los plásticos se refiere, éstos estaban en esta época en su primera infancia. Para 1930 aparece el policloruro de vinilo (PVC), primer termoplástico que se empleó como aislamiento para baja tensión. Su uso original se limitó inicialmente a una temperatura de operación de 60° C, para lugares secos y para tensiones de 600 volts.

pvcPosteriormente se desarrollaron compuestos de PVC para 60 ó 75° C en presencia de agua, así como los de 90° C ó 105° C y con características mejoradas de baja emisión de humos, no propagadores de incendio y de bajo contenido de gas ácido. Antes de la invención de materiales sintéticos, estaba ampliamente difundido el uso de algodón y papel aislante en la fabricación de conductores eléctricos.

Poco antes de 1930, se introdujeron al mercado de los conductores eléctricos varios hules sintéticos con propiedades especiales. De éstos, el que ha logrado subsistir en su aplicación es el policloropreno, mejor conocido como neopreno. Al principio se desarrolló como un material elastomérico especialmente resistente a los aceites, pero sus compuestos y formulaciones se fueron mejorando hasta lograr un excelente material para cubiertas de cables, que vino a reemplazar al hule natural.

Durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la poca disponibilidad de hule natural, surgió la necesidad de desarrollar nuevos materiales sintéticos, que por lo menos sirvieran como aislamientos de baja tensión. Así por ejemplo, en Alemania, se implementó el hule estirenobutadieno, conocido como elastómero o hule GRS o SBR. En poco tiempo la industria de aislamientos para conductores eléctricos logró desarrollar una gran cantidad de varios y mejores aislamientos que hoy se manejan en la industria de la fabricación de conductores eléctricos.

elastomeroEn este sentido conviene aclarar que un elastómero es un material que es capaz de recuperarse rápida y fácilmente de fuertes deformaciones mecánicas, después de que se ha sometido a un proceso de vulcanización. Un material termoplástico es un material que se puede suavizar por calentamiento o endurecerse por enfriamiento.

Los materiales elastoméricos no cambian de forma con la aplicación de calor después de vulcanizados, en cambio un termoplástico sí cambia de forma al calentarse. Los materiales termofijos son compuestos que tienen la estructura química de la familia de los plásticos, pero su estructura y su composición permite en ellos una vulcanización que les confiere cualidades de termoestabilidad semejante a las de los compuestos elastoméricos o hules sintéticos.

Materiales  elastoméricos y  termoplásticos 

A partir de 1945 se fueron desarrollando excelentes materiales tanto elastoméricos, como los termoplásticos que han permitido un excelente progreso en la industria de cables, entre estos materiales se tiene el hule butilo, el polietileno convencional, el polietileno de cadena cruzada o polietileno vulcanizado, el etileno propileno, el polietileno clorosulfonado, el polietileno clorado, el hule silicón, etc.

Uno de los materiales que se usó desde los albores de la industria manufacturera y aún se emplea en la baja fabricación de conductores eléctricos, es el papel aislante de grado eléctrico impregnado en aceite. Este tipo de aislamiento se forma principalmente por la aplicación de tiras de papel en forma helicoidal sobre el conductor metálico. Se colocan sucesivamente, capa tras capa, hasta obtener el espesor de aislamiento adecuado para la tensión (volts) a que va a operar el cable.

papel aislanteUna vez logrado el espesor total del aislamiento, el cable se somete a un secado de alto vacío donde se le extrae la humedad para después pasar al proceso de impregnación en aceite de altas propiedades dieléctricas. Finalmente se aplica sobre el cable una cubierta protectora de plomo por medio de un proceso de extrusión.

Esta es la construcción más simple de un cable aislado con papel impregnado y cubierta protectora de plomo; sin embargo, esta construcción puede ser más elaborada e incluir cintas semiconductoras, pantallas metálicas, cubiertas de plomo protegidas con yute, material termoplástico, o con armadura de acero.

El papel impregnado en aceite tiene excelentes propiedades dieléctricas:
-Factor de potencia, % 0.5 – 2
-Constante dieléctrica, SIC 3 – 5
-Constante de resistencia de aislamiento, K,
-M^-km 3 000
-Rigidez dieléctrica, c.a., kV/mm 22
-Rigidez dieléctrica, Impulsos, kV/mm 73

De los valores de factor de potencia y de constante dieléctrica en este tipo de cable, se concluye que las pérdidas dieléctricas son mínimas y el espesor reducido del aislamiento de papel queda justificado por su alta rigidez dieléctrica.

La cubierta protectora de plomo sirve para proteger el aislamiento contra los agentes mecánicos, químicos, intemperie y humedad. Si por alguna razón la cubierta protectora se perfora, la entrada de humedad al aislamiento se hace inevitable. La presencia de humedad en el aislamiento causa la falla inmediatamente.

En los cables con aislamiento de papel, aunque se tiene especial cuidado para desgasificar el compuesto impregnante antes de usarlo, hay un límite de la cantidad de gas o aire que puede extraerse bajo las condiciones comerciales de fabricación. También el vacío aplicado a los tanques de impregnación antes de la admisión del compuesto, no puede ser en la práctica menor de 2 mm absolutos, así que siempre queda una cierta cantidad de aire que luego permanecerá en el dieléctrico de cable.

En un cable con aislamiento de papel impregnado sujeto a ciclos de calentamiento y enfriamiento, el compuesto se expande y como resultado, la cubierta de plomo se dilata. Cuando el cable se enfría durante los períodos de baja carga, el compuesto se contrae, pero la cubierta de plomo no lo hace con él, debido a su inelasticidad, resultando entonces la formación de cavidades llenas de aire en el aire o gas, bajo la acción de un campo eléctrico, resulta una ionización del aire (efecto corona) con sus dos consecuencias perjudiciales al aislamiento: impactos sobre el material aislante y formación de ozono.

Las magníficas propiedades dieléctricas del papel impregnado, las da precisamente el aceite; sin embargo, por muy viscoso que sea, siempre habrá el riesgo de que emigre (desniveles entre los diferentes puntos del cable o diferencias de temperaturas a lo largo del mismo). Lo anterior deja a ciertas zonas con menos aceite que el necesario, dando como resultado el empobrecimiento dieléctrico de tales zonas y produciéndose el rompimiento de la rigidez dieléctrica del aislamiento.

En cables aislados con papel impregnado y cubiertas de plomo, la elaboración de las uniones y de las terminales es compleja y delicada, que requiere de personal especializado y forman puntos vulnerables en la instalación, pues la posibilidad de falla en esos puntos no es remota.

A) HULE NATURAL
Este material tuvo una época en que no tenía competencia para la fabricación de aislamientos y cubiertas de cables eléctricos; sin embargo, actualmente se emplea una cantidad muy pequeña para este propósito. Necesita formularse especialmente para lograr compuestos resistentes a la humedad, al calor, a los aceites y de resistencia mecánica alta. Actualmente no puede competir con los hules sintéticos (elastómeros), que se han desarrollado.

B) HULE SBR o GRS
Fue el primer material que reemplazó al hule natural, se le conoce como hule estireno-butadieno, hule BUNA-S, hule SBR o GRS. Aunque su resistencia mecánica es inferior al hule natural, puede formularse para lograr un compuesto de buenas cualidades eléctricas para cables de baja tensión, es más resistente al calor y humedad que el hule natural. Aún se emplea como aislamiento para tensiones hasta de 2,000 volts. Su uso se limita a aplicaciones de baja tensión porque hay otros aislamientos plásticos y elastoméricos que le llevan toda la ventaja para tensiones altas. Se emplea para temperaturas de operación hasta de 90°C.

C) HULE BUTILO
Este material es un polímero del isobutileno-isopreno. Aunque este material fue desarrollado en 1940, tomó algunos años vencer algunos problemas técnicos de proceso para poder emplearlo como aislamiento de conductores eléctricos. Sin embargo, en 1947 se empezó a lograr una enorme producción de cables con este aislamiento para tensiones hasta de 35,000 volts.

Una vez que las dificultades de formulación y preparación de compuestos de hule butilo fueron vencidas, se logró tener un excelente aislamiento para alta tensión. Este aislamiento puede trabajar a temperaturas de operación continua hasta de 90°C. Es inherentemente resistente al ozono y a la humedad. Muy resistente al calor, de buena resistividad y rigidez dieléctrica, de buenas propiedades mecánicas y excelente resistencia a la deformación térmica.

Este es un buen aislamiento para cables, pero prácticamente ha sido desplazado por nuevos y mejores materiales.

D) POLICLOROPRENO, (NEOPRENO)
Alrededor de los años treintas se desarrolló para la industria de cables un nuevo material que parecía ser muy especial para aquella época. Con el paso del tiempo se convirtió en un caballito de batalla para aplicaciones como cubiertas de cables. Este material es el neopreno, y aunque tiene actualmente algunas limitaciones, aún se usa extensamente.

NeoprenoEl neopreno, químicamente, es un polímero del cloropreno, que solo tiene aplicación como aislamiento eléctrico en conductores de baja tensión, 600 volts, ya que su contenido de cloro hace sus cualidades aislantes no sean muy elevadas. Su principal o mayor uso es, como se indicó antes, en la fabricación de cubiertas exteriores de cables aislados. Pueden prepararse compuestos de él con muy buena resistencia mecánica a la tensión y al rasgado. Por su estructura química es resistente al aceite, a los materiales químicos, al calor, la humedad y la flama. Es altamente resistente al ozono y al ataque de la intemperie.

En relación a su resistencia a la flama, como en su constitución contiene cloro, el material es prácticamente no propagador de ella, es decir, cuando a un compuesto de neopreno se le aplica una flama, continuará ardiendo mientras la flama se sostiene, pero en el momento en que ésta se retira, el neopreno deja de quemarse, por esta razón es muy usado como cubierta exterior no propagadora en aislamientos que sí propagan la flama.

El neopreno es capaz de operar un rango muy amplio de temperaturas; empleado como cubierta exterior puede trabajar a temperaturas tan bajas como -65°C y especialmente formulado puede usarse como aislamiento de cables con temperatura de operación de 90°C.

E) POLIETILENO CLOROSULFONADO, (CP) (HYPALON), (CSPE)
Este material es de aplicación más reciente que el neopreno, en la industria manufacturera de conductores eléctricos. Está especificado por la Norma NMX-J- 061 como aislamiento de los cables tipo RHH y RHW. Puede emplearse como un compuesto aislamiento-cubierta integral para muchos tipos de cables, especialmente del tipo automotriz.

Posee buenas cualidades eléctricas para usarse como un aislamiento eléctrico de baja tensión. Posee una gran resistencia al ozono y al efecto corona. Tiene muy buena resistencia al calor y a la humedad y pueden prepararse formulaciones especiales para muy bajas temperaturas. Su constante dieléctrica, su factor de potencia y sus otras características eléctricas no permiten aplicarlo como un aislamiento para altas tensiones. Resistente al calor, al intemperismo, al oxígeno y a los aceites.

F) POLIETILENO CLORADO, (CPE)

polietileno cloradoEste polímero existe tanto en compuestos termoplásticos, como en termofijos (elastoméricos). Al igual que el neopreno y que el hypalon, por sus propiedades dieléctricas inherentes, el CPE se emplea únicamente como aislamiento en productos de baja tensión, 600 volts y encuentra su principal aplicación en el área de la fabriación de cubiertas exteriores para alambres y cables. Hay CPE para 90 y para 105°C.

Uno de sus recientes usos se encuentra como aislamiento de los cordones térmicos portátiles para plancha, tipo HPN.

G) POLICLORURO DE VINILO (PVC) O (PVC-RAD)
Los compuestos aislantes de este material tienen como base el polímero del cloruro de vinilo. Las primeras formulaciones de policloruro de vinilo para la fabricación de compuestos termoplásticos aislantes, se empezaron a desarrollar a partir de 1930 y aunque en un principio esos compuestos solo se emplearon para conductores cuyas temperaturas de operación fueron de 60°C, posteriormente se mejoraron y actualmente existen compuestos que pueden emplearse en cables con temperaturas en el conductor de 90 y 105°C para tensiones de 600 volts.

Debido a que los compuestos de PVC contienen cloro en sus moléculas, son inherentemente no propagadores de flama, sobre todo en los casos en los que se preparan formulaciones especiales para lograr no solo esta cualidad, sino para hacerlos resistentes a la no propagación de incendio, de baja emisión de humos y bajo contenido de gas ácido.

Los compuestos de PVC tienen muy buenas propiedades mecánicas, pero sus cualidades eléctricas no son sobresalientes, sobre todo si se le compara con otros aislamientos nuevos que se han venido desarrollando y por esta causa su aplicación se limita en nuestro medio a emplearlo para tensiones no mayores de 600 volts (en Europa debido a la escasez de otros materiales para alta tensión, se prepararon compuestos especiales de PVC que sirvieron para cables de energía hasta de 23,000 volts, sin embargo su alta constante dieléctrica y factor de potencia hacen de él un aislamiento de altas pérdidas dieléctricas que lo limitan para emplearlo en cables de alta tensión).

El PVC se emplea en la fabricación de alambres y cables de los tipos T, TW, THW,THHN, THWN, THHW, THHW-LS, y además por sus magníficas propiedades de resistencia mecánica, no propagación de la flama ni del incendio y de resistencia a los aceites, es ampliamente usado como cubierta exterior de cables con aislamiento de polietileno, polietileno vulcanizado o etileno propileno usados para alta tensión.
Cuando se requieren cables especialmente resistentes a la humedad, a los aceites, ácidos, álcalis, gasolinas y productos químicos o cuando se busca proporcionar a los cables una resistencia mecánica superior, puede reforzarse el aislamiento de PVC con una capa muy delgada de nylon.

H) POLIETILENO (PE)
Es un material termoplástico constituido por cadenas lineales o ramificadas de monómetros de etileno. Fue originalmente desarrollado en 1937 y abundantemente fabricado en los Estados Unidos a partir de 1940.

Eléctricamente, el polietileno posee el mejor conjunto de cualidades que se pueden esperar en un aislamiento sólido: alta rigidez dieléctrica, bajo factor de potencia y constante dieléctrica, alta resistividad volumétrica. Sus propiedades mecánicas son buenas, sin embargo sus limitaciones principales son su pobre resistencia a la flama, su termoplasticidad, su deterioro por la acción de los rayos ultravioleta y su poca resistencia a la ionización.

El polietileno convencional está normalizado como aislamiento para conductores para 600 ó 1,000 volts, cuya temperatura de operación en el conductor no exceda de 75°C. El polietileno natural de baja densidad está formado por la polimerización de moléculas de etileno en forma lineal simple, pero si el proceso de polimerización se conduce a baja presión se obtienen cadenas con ramificaciones resultando un compuesto más duro y rígido y especialmente resistente a la abrasión, que si se pigmenta con negro de humo especial proporciona un material excelente para cables tipo intemperie o para distribución aérea de baja tensión.

Por sus buenas propiedades mecánicas y su alta resistencia a la humedad, también se emplea para cubiertas exteriores de algunos cables de energíay en cables de comunicaciones subterráneos o aéreos. Es el material por excelencia para fabricar los aislamientos de cables telefónicos.

I) POLIETILENO DE CADENA CRUZADA (XLPE o XLP)
El polietileno de cadena cruzada, polietileno reticulado o simplemente XLPE, se produce por la combinación de un polietileno termoplástico y un peróxido orgánico adecuado, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura.

El aislamiento resultante es de color natural o café claro dependiendo del tipo de antioxidante que se emplee en la preparación. La resina de polietileno reticulada se puede emplear pura o mezclada con negro de humo o cargas minerales que le mejoran sus propiedades físicas, pero disminuyen sus cualidades eléctricas, por lo que esta combinación solo se emplea como aislamiento para cables hasta 5,000 volts, sin cubierta exterior.

Después de la extrusión, el cable aislado con polietileno vulcanizable pasa a través de una línea de vulcanización con gas o vapor a alta presión y temperatura con lo que el material se convierte de termoplástico en termo fijo, es decir el aislamiento ya no se funde o escurre a altas temperaturas.

Los aislamientos de polietileno reticulado para altas tensiones tienen buenas cualidades mecánicas, poseen buena resistencia a la compresión y deformación térmicas y tienen una excelente resistencia al envejecimiento por altas y bajas temperaturas. Sus cualidades eléctricas como rigidez dieléctrica, factor de potencia, constantes dieléctricas y de aislamiento, así como su estabilidad eléctrica en agua son sobresalientes.

Es altamente resistente al ozono, a la humedad y productos químicos. El polietileno vulcanizado es un aislamiento para temperaturas de 90° C en operación normal, 130° C en condiciones de emergencia y 250° C enondiciones de cortocircuito y se ha llegado a emplear en cables de energía para tensiones de: 69, 115, 230 y 525 kV.

J) ETILENO PROPILENO (EPR o EP)
El aislamiento de etileno propileno comúnmente conocido como EPR, es un material elastomérico obtenido a partir del etileno y del propileno.

Un aislamiento típico de EPR para alta tensión es un compuesto que se prepara mezclando la resina de etilenopropileno con varios ingredientes más, como por ejemplo cargas minerales, antioxidantes, plastificantes, agentes de vulcanización, etc. y al igual que en el XLPE el cable aislado con el compuesto de EPR, se somete a un proceso de vulcanización obteniéndose un material termo fijo.

Los aislamientos de EPR debidamente formulados y procesados poseen muy buenas cualidades eléctricas y físicas; sobresaliente resistencia térmica y al ozono así como una excelente estabilidad eléctrica en agua. Los cables aislados con etileno propileno poseen una muy buena flexibilidad que permite un adecuado manejo durante la instalación. Los rangos térmicos de trabajo son los mismos que se mencionan para el XLPE.

Debe recordarse que un material aislante es toda substancia de tan baja conductividad que el paso de la corriente eléctrica a través de ella es prácticamente despreciable. En relación con la idea anterior, se tiene en cada aislamiento eléctrico una cierta cantidad de características o parámetros que permiten estudiar, evaluar y comparar estos materiales.

 

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