Cableado eléctrico

Los cables modernos con cubierta no metálica, como los tipos NMB y NMC (de EE. UU. y Canadá), constan de dos a cuatro conductores recubiertos con aislamiento termoplástico , además de un conductor para puesta a tierra (conexión equipotencial), todo ello rodeado por una cubierta flexible de plástico. En Norteamérica y el Reino Unido, este conductor suele ser de alambre desnudo, pero en el Reino Unido se exige que este conductor de puesta a tierra (PE) desnudo esté recubierto con un tubo aislante verde/amarillo cuando se ha retirado la cubierta del cable. La mayoría de las demás jurisdicciones exigen ahora que el conductor de puesta a tierra esté aislado con el mismo estándar que los conductores portadores de corriente, con aislamiento verde/amarillo.

En algunos cables, los conductores individuales se envuelven en papel antes de aplicar la cubierta de plástico.

Las versiones especiales de cables con cubierta no metálica, como el tipo UF estadounidense, están diseñadas para enterrarse directamente (a menudo con protección mecánica independiente) o para uso exterior en zonas donde existe la posibilidad de exposición a la radiación ultravioleta (UV). Estos cables se distinguen por su construcción resistente a la humedad, la ausencia de papel u otros materiales absorbentes y su formulación para resistir los rayos UV.

El aislamiento de polímero sintético similar al caucho se utiliza en cables industriales y cables de alimentación instalados bajo tierra debido a su excelente resistencia a la humedad.

Los cables aislados se clasifican según su tensión de funcionamiento admisible y su temperatura máxima de funcionamiento en la superficie del conductor. Un cable puede tener varias clasificaciones de uso para diferentes aplicaciones; por ejemplo, una para instalaciones en seco y otra para cuando está expuesto a la humedad o al aceite.

Por lo general, los cables de construcción de un solo conductor y de pequeño diámetro son de hilo sólido, ya que no se requiere que sean muy flexibles. Los conductores de cable de construcción de más de 10 AWG (o aproximadamente 5  mm² ⁾ son multifilares para mayor flexibilidad durante la instalación, pero no son lo suficientemente flexibles como para usarse como cable para electrodomésticos.

Los cables para edificios industriales, comerciales y residenciales pueden contener numerosos conductores aislados dentro de una cubierta general, con armadura de cinta helicoidal de acero o aluminio, o armadura de alambre de acero, y posiblemente también una cubierta general de PVC o plomo para protegerlos de la humedad y los daños físicos. Los cables destinados a un servicio muy flexible o para aplicaciones marinas pueden estar protegidos por alambres de bronce trenzado. Los cables de alimentación o comunicaciones (por ejemplo, redes informáticas) que se instalan dentro o a través de los espacios de manejo de aire (plenums) de los edificios de oficinas deben, según el código modelo de construcción, estar revestidos con conductos metálicos o tener una clasificación de baja producción de llama y humo.

Para ciertas aplicaciones industriales en acerías y entornos de altas temperaturas similares, ningún material orgánico ofrece un rendimiento satisfactorio. En ocasiones, se utilizan cables aislados con escamas de mica comprimidas . Otro tipo de cable para altas temperaturas es el cable con aislamiento mineral , cuyos conductores individuales se colocan dentro de un tubo de cobre y el espacio se rellena con polvo de óxido de magnesio . El conjunto se reduce de tamaño, comprimiendo así el polvo. Estos cables cuentan con una certificación de resistencia al fuego y son más costosos que los cables sin esta certificación. Tienen poca flexibilidad y se comportan más como conductos rígidos que como cables flexibles.

El entorno en el que se instalan los cables determina la cantidad de corriente que un cable puede soportar. Dado que los conductores múltiples agrupados en un cable no disipan el calor con la misma facilidad que los conductores aislados individuales, estos circuitos siempre tienen una capacidad de corriente menor . Las tablas de los códigos de seguridad eléctrica indican la corriente máxima permitida según el tamaño del conductor, el potencial de voltaje, el tipo y el grosor del aislamiento, y la temperatura nominal del cable. La corriente permitida también varía según el tipo de ubicación (húmeda o seca), así como las temperaturas (en el ático o bajo tierra). En un tendido de cable que atraviesa varias áreas, la sección con la menor capacidad nominal determina la capacidad nominal de todo el tendido.

Los cables suelen fijarse con accesorios especiales en los puntos de entrada a los aparatos eléctricos; estos pueden ser simples abrazaderas de tornillo para cables con cubierta en lugares secos, o conectores con junta de polímero que se acoplan mecánicamente a la armadura del cable y proporcionan una conexión resistente al agua. Se pueden utilizar accesorios especiales para evitar la fuga de gases explosivos en el interior de los cables con cubierta, especialmente cuando el cable atraviesa zonas con presencia de gases inflamables. Para evitar que se aflojen las conexiones de los conductores, los cables deben estar sujetos cerca de su entrada a los dispositivos y a intervalos regulares a lo largo de su recorrido. En edificios altos, se requieren diseños especiales para sujetar los conductores de los tendidos verticales. Generalmente, solo se permite un cable por accesorio, a menos que este esté homologado para varios cables.

Para los cables instalados en buques, se requieren construcciones y técnicas de terminación especiales. Estos conjuntos están sometidos a condiciones ambientales y mecánicas extremas. Por lo tanto, además de las consideraciones de seguridad eléctrica y contra incendios, estos cables también deben ser resistentes a la presión en los puntos donde atraviesan los mamparos del buque. Asimismo, deben resistir la corrosión causada por el agua salada o la niebla salina , lo cual se logra mediante el uso de revestimientos más gruesos y especialmente diseñados, y mediante el estañado de los hilos conductores.

En la práctica norteamericana, para edificios residenciales y comerciales ligeros alimentados con un servicio monofásico dividido de 120/240 V , se instala un cable aéreo desde un transformador en un poste eléctrico hasta el punto de entrada del servicio. El cable es un cable trenzado de tres conductores tipo "triple", con un neutro desnudo y dos conductores aislados, sin cubierta exterior. ^{[ 1 ]} El conductor neutro suele ser un cable de acero de soporte, que se utiliza para sostener los conductores de línea aislados.

Los dispositivos eléctricos suelen utilizar conductores de cobre debido a sus propiedades, entre las que se incluyen su alta conductividad eléctrica , resistencia a la tracción , ductilidad , resistencia a la fluencia , resistencia a la corrosión , conductividad térmica , coeficiente de dilatación térmica , soldabilidad , resistencia a sobrecargas eléctricas , compatibilidad con aislantes eléctricos y facilidad de instalación. El cobre se utiliza en muchos tipos de cableado eléctrico. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El cableado de aluminio fue común en las instalaciones eléctricas residenciales de Norteamérica desde finales de la década de 1960 hasta mediados de la de 1970 debido al aumento del precio del cobre. Debido a su mayor resistividad , el cableado de aluminio requiere conductores de mayor calibre que el de cobre. Por ejemplo, en lugar de un cable de cobre de calibre 14 AWG ( American Wire Gauge ), el cableado de aluminio debería ser de calibre 12 AWG en un circuito de iluminación típico de 15 amperios, aunque los códigos de construcción locales varían.

Los conductores de aluminio macizo se fabricaron originalmente en la década de 1960 a partir de una aleación de aluminio de uso general que presentaba propiedades indeseables para el cableado de edificios, y se utilizaban con dispositivos de cableado diseñados para conductores de cobre. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Se descubrió que estas prácticas causaban conexiones defectuosas y riesgos de incendio. A principios de la década de 1970 se introdujo un nuevo cable de aluminio fabricado con una de varias aleaciones especiales, y todos los dispositivos —disyuntores, interruptores, tomacorrientes, conectores de empalme , tuercas de cable , etc.— se diseñaron específicamente para este fin. Estos nuevos cables de aluminio y diseños especiales resuelven los problemas de las uniones entre metales diferentes, la oxidación en las superficies metálicas y los efectos mecánicos que se producen cuando los distintos metales se expanden a diferentes velocidades con el aumento de la temperatura.

A diferencia del cobre, el aluminio tiende a deformarse o fluir en frío bajo presión, por lo que las conexiones antiguas de acero simple sujetas con tornillos podrían aflojarse con el tiempo. Los dispositivos eléctricos más modernos diseñados para conductores de aluminio incorporan características destinadas a compensar este efecto. A diferencia del cobre, el aluminio forma una capa de óxido aislante en su superficie. Esto se soluciona a veces recubriendo los conductores de aluminio con una pasta antioxidante (que contiene polvo de zinc en una base de polibuteno de bajo residuo ^{[ 6 ]} ) en las uniones, o aplicando una terminación mecánica diseñada para romper la capa de óxido durante la instalación.

Algunos terminales de cableado diseñados únicamente para cable de cobre se sobrecalentaban bajo cargas de corriente elevadas y provocaban incendios al utilizarse con conductores de aluminio. Se desarrollaron normas revisadas para materiales y dispositivos de cableado (como la designación CO/ALR , "cobre-aluminio revisado") para mitigar estos problemas. Si bien aún se utilizan calibres mayores para alimentar paneles eléctricos y dispositivos de gran tamaño, el cableado de aluminio para uso residencial ha adquirido mala fama y ha caído en desuso.

Los conductores de aluminio siguen utilizándose ampliamente para la transmisión de energía eléctrica a gran escala , la distribución de energía eléctrica y los grandes circuitos de alimentación con altas cargas de corriente, debido a las diversas ventajas que ofrecen sobre el cableado de cobre. Los conductores de aluminio son más económicos y ligeros que los de cobre, por lo que se puede utilizar una sección transversal mucho mayor con el mismo peso y precio. Esto compensa la mayor resistencia y la menor resistencia mecánica del aluminio, lo que significa que se necesita una sección transversal mayor para lograr una capacidad de corriente y otras características comparables. Los conductores de aluminio deben instalarse con conectores compatibles y se debe tener especial cuidado para evitar la oxidación de la superficie de contacto.

El primer método estandarizado de cableado en edificios, de uso común en Norteamérica desde aproximadamente 1880 hasta la década de 1930, fue el cableado con aisladores de porcelana y tubos (K&T): los conductores individuales se pasaban a través de cavidades entre los elementos estructurales de paredes y techos, con tubos cerámicos que formaban canales protectores a través de las vigas y aisladores cerámicos fijados a los elementos estructurales para proporcionar aire entre el cable y la madera y para sostener los cables. Dado que el aire podía circular libremente sobre los cables, se podían usar conductores más pequeños que los requeridos en los cables convencionales. Al disponer los cables en lados opuestos de los elementos estructurales del edificio, se proporcionaba cierta protección contra los cortocircuitos que pueden producirse al clavar un clavo en ambos conductores simultáneamente.

En la década de 1940, el costo de mano de obra para instalar dos conductores en lugar de un solo cable provocó una disminución en las nuevas instalaciones de cableado con aisladores de porcelana. Sin embargo, el código estadounidense aún permite nuevas instalaciones de cableado con aisladores de porcelana en situaciones especiales (algunas aplicaciones rurales e industriales).

En el Reino Unido, una forma temprana de cable aislado, ^{[ 9 ]} introducida en 1896, consistía en dos conductores con aislamiento de papel impregnado dentro de una cubierta de plomo. Las uniones se soldaban y se utilizaban accesorios especiales para portalámparas e interruptores. Estos cables eran similares a los cables subterráneos de telégrafo y teléfono de la época. Los cables con aislamiento de papel resultaron inadecuados para instalaciones de cableado interior, ya que se requería una mano de obra muy cuidadosa en las cubiertas de plomo para garantizar que la humedad no afectara el aislamiento.

Un sistema inventado posteriormente en el Reino Unido en 1908 empleaba un cable aislado con caucho vulcanizado, recubierto por una funda metálica en forma de tira. Esta funda metálica se unía a cada dispositivo de cableado metálico para garantizar la continuidad de la conexión a tierra.

Un sistema desarrollado en Alemania, denominado «cable Kuhlo», utilizaba uno, dos o tres conductores con aislamiento de caucho dentro de un tubo de chapa de hierro recubierto de latón o plomo, con una costura engarzada. La carcasa también podía utilizarse como conductor de retorno. El cable Kuhlo podía instalarse a la vista sobre superficies pintadas o empotrado en yeso. Se fabricaban cajas de empalme y de salida especiales para lámparas e interruptores, de porcelana o chapa de acero. La costura engarzada no se consideraba tan estanca como el cable Stannos utilizado en Inglaterra, que tenía una cubierta soldada. ^{[ 10 ]}

Un sistema algo similar, denominado "cableado concéntrico", se introdujo en Estados Unidos alrededor de 1905. En este sistema, un cable eléctrico aislado se envolvía con cinta de cobre y luego se soldaba, formando así el conductor de retorno (conectado a tierra) del sistema de cableado. La cubierta metálica desnuda, a potencial de tierra, se consideraba segura al tacto. Si bien empresas como General Electric fabricaron accesorios para este sistema y algunos edificios se cablearon con él, nunca se incorporó al Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos. Las desventajas del sistema eran que requería accesorios especiales y que cualquier defecto en la conexión de la cubierta la energizaría. ^{[ 11 ]}

Los cables blindados con dos conductores aislados con caucho y recubiertos con una funda metálica flexible se utilizaban ya en 1906 y, en aquel entonces, se consideraban un método mejor que el cableado abierto con aisladores de porcelana y tubos, aunque mucho más caros.

Los primeros cables con aislamiento de caucho para instalaciones eléctricas en Estados Unidos se introdujeron en 1922 con la patente estadounidense 1458803 , de Burley, Harry y Rooney, Henry, "Cable eléctrico aislado", emitida el 12 de junio de 1923 y asignada a Boston Insulated Wire and Cable  . Estos cables consistían en dos o más conductores de cobre macizo con aislamiento de caucho, además de una tela de algodón tejida sobre cada conductor para proteger el aislamiento, con una cubierta tejida general, generalmente impregnada con alquitrán para protegerla de la humedad. Se utilizaba papel encerado como relleno y separador.

Con el tiempo, los cables con aislamiento de caucho se vuelven quebradizos debido a la exposición al oxígeno atmosférico, por lo que deben manipularse con cuidado y generalmente se reemplazan durante las renovaciones. Al reemplazar interruptores, enchufes o luminarias, el simple hecho de apretar las conexiones puede provocar que el aislamiento endurecido se desprenda de los conductores. El aislamiento de caucho en el interior del cable suele estar en mejores condiciones que el expuesto en las conexiones, debido a su menor exposición al oxígeno.

El azufre presente en el aislamiento de caucho vulcanizado atacaba los cables de cobre desnudo, por lo que los conductores se estañaban para evitarlo. Los conductores volvieron a estar sin recubrimiento cuando se dejó de usar caucho.

Hacia 1950, se introdujeron los aislamientos y revestimientos de PVC , especialmente para el cableado residencial. Casi al mismo tiempo, se popularizaron los conductores individuales con un aislamiento de PVC más delgado y un revestimiento de nailon fino (por ejemplo, los tipos THN y THHN de EE. UU.).

El tipo más sencillo de cable consta de dos conductores aislados trenzados entre sí para formar una unidad. Estos cables sin cubierta, con dos (o más) conductores, se utilizan únicamente para aplicaciones de control y señalización de muy baja tensión , como el cableado de timbres.

Otros métodos de fijación de cables que ahora están obsoletos incluyen:

• Reutilización de las tuberías de gas existentes al convertir las instalaciones de alumbrado de gas a alumbrado eléctrico. Se pasaron conductores aislados a través de las tuberías que antes alimentaban las lámparas de gas. Si bien se utilizaba ocasionalmente, este método conllevaba el riesgo de dañar el aislamiento debido a los bordes afilados dentro de la tubería en cada junta.
• Molduras de madera con ranuras cortadas para cables conductores individuales, cubiertas por una tira de madera. Estas fueron prohibidas en los códigos eléctricos norteamericanos en 1928. Las molduras de madera también se usaron en cierta medida en el Reino Unido, pero nunca fueron permitidas por las normas alemanas y austriacas. ^{[ 12 ]}
• En Europa, a principios del siglo XX, se utilizaba un sistema de cordones gemelos flexibles sostenidos por botones de vidrio o porcelana, pero pronto fue reemplazado por otros métodos. ^{[ 13 ]}
• Durante los primeros años del siglo XX, se utilizaron varios sistemas de cableado patentados, como los tubos Bergman y Peschel, para proteger el cableado; estos utilizaban tubos de fibra muy delgados o tubos metálicos que también se usaban como conductores de retorno. ^{[ 14 ]}
• En Austria, los cables se ocultaban insertando un tubo de goma en una ranura de la pared, enyesándolo , luego retirando el tubo y pasando los cables a través de la cavidad. ^{[ 15 ]}

Los sistemas de canalización metálica, con una sección ovalada aplanada compuesta por una tira base y un canal de tapa a presión, eran más costosos que el cableado a la vista o la canalización de madera, pero se podían instalar fácilmente en las superficies de las paredes. Actualmente, todavía se encuentran disponibles sistemas de canalización de superficie similares.