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ACCC. INTRODUCCION

El cable ACCC (conductor de aluminio con alma de composite) se alinea con los principios de la sostenibilidad y la reducción del impacto ambiental en el sector energético por los siguientes motivos:

1. Reducción de Pérdidas de Energía (y por tanto, de Emisiones Indirectas):

  • Mayor Eficiencia de Transmisión: La capacidad del cable ACCC para operar a temperaturas más altas permite transportar una mayor cantidad de energía con la misma sección transversal o incluso una menor en comparación con los cables convencionales (ACSR). Esto reduce las pérdidas de energía por efecto Joule (calentamiento del cable debido a la resistencia eléctrica) en la línea de transmisión.
  • Menor Necesidad de Generación Adicional: Al reducir las pérdidas en la transmisión, se necesita generar menos energía en las centrales eléctricas para cubrir la misma demanda en el punto de consumo. Esto se traduce directamente en una disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, NOx, SO2, partículas, etc.) asociadas a la generación de energía, especialmente si esta proviene de fuentes fósiles.

2. Mayor Capacidad de Transmisión en Infraestructura Existente (Evitando Nueva Construcción y su Impacto):

  • Optimización de la Red Existente: El cable ACCC permite aumentar significativamente la capacidad de transmisión de las líneas eléctricas existentes sin necesidad de construir nuevas torres o ampliar los derechos de vía. Esto evita el impacto ambiental asociado a la construcción de nuevas infraestructuras, que incluye:
    • Alteración del paisaje y del hábitat: La construcción de nuevas líneas implica la tala de vegetación, la fragmentación de ecosistemas y la alteración de corredores ecológicos.
    • Emisiones de gases de efecto invernadero: La fabricación de materiales de construcción (acero, hormigón, etc.), el transporte de equipos y materiales, y la propia construcción generan emisiones significativas.
    • Consumo de recursos naturales: La construcción requiere el uso de grandes cantidades de recursos naturales.
  • Menor Impacto Visual: Al evitar la construcción de nuevas líneas, se reduce el impacto visual en el paisaje.

3. Facilitación de la Integración de Energías Renovables:

  • Transporte Eficiente de Energía Limpia: Las fuentes de energía renovable (solar, eólica, hidroeléctrica) a menudo se encuentran ubicadas en zonas remotas, lejos de los centros de consumo. La mayor capacidad de transmisión del cable ACCC permite transportar eficientemente la energía limpia generada en estas áreas hacia los centros de demanda, minimizando las pérdidas en el camino y maximizando el aprovechamiento de estas fuentes de energía con bajas o nulas emisiones directas.
  • Reducción de la Necesidad de Almacenamiento Local: Una red de transmisión más robusta y con mayor capacidad, facilitada por el cable ACCC, puede reducir la necesidad de costosas y potencialmente impactantes soluciones de almacenamiento de energía a nivel local.

4. Mayor Resiliencia y Menor Mantenimiento (Impacto Ambiental a Largo Plazo):

  • Menor Expansión Térmica: La menor expansión térmica del cable ACCC reduce la tensión mecánica sobre las torres y los aisladores, lo que puede prolongar la vida útil de la infraestructura y disminuir la necesidad de mantenimiento y reemplazo de componentes.
  • Mayor Resistencia a la Corrosión: El núcleo de material compuesto es inherentemente resistente a la corrosión, a diferencia del acero en los cables convencionales. Esto reduce la necesidad de tratamientos anticorrosivos y el riesgo de fallos prematuros del cable, disminuyendo el impacto ambiental asociado a la fabricación y eliminación de repuestos.

TRATAMIENTO TERMICO ALEACIONES DE ALUMINIO

Tratamiento térmico de aleaciones de aluminio

Este tratamiento proporcionará al cable de aleación la combinación deseada de propiedades eléctricas y mecánicas. Estas propiedades pueden variar desde alta conductividad y resistencia a la tracción media hasta conductividad media y alta resistencia a la tracción, y la combinación resultante para una composición química y tamaño de alambre dados dependerá de la temperatura de envejecimiento y la duración del tiempo en el horno de envejecimiento.

El endurecimiento por precipitación o envejecimiento artificial produce una combinación de propiedades mecánicas y eléctricas que el material no tenía antes del tratamiento térmico. El alambre o cable hecho de una aleación tratable térmicamente ha pasado por endurecimiento por deformación debido al proceso de estirado, así como por endurecimiento por precipitación debido al tratamiento térmico. La combinación de trabajo en frío seguido de envejecimiento artificial es particularmente efectiva para producir altos niveles de resistencia en aleaciones tratables térmicamente.

Aleaciones tratables térmicamente pueden ser;

  •         Series AA 1xxx
  •       Series AA 3xxx
  •       Series AA 4xxx
  •       Series AA 5xxx
  •       Series AA 6xxx
  •       Series AA 7xxx (en parte)
  •       Series AA 8xxx

Aleaciones endurecibles por deformación:

·         AA 1100, AA 1200, AA 1350 (también conocido como EC)

·         AA 5052, AA 5154, AA 5154A

·         AA 8030, conocido como NUAL® en Canadá, y como STABILOY® en EE. UU.

El procesamiento térmico está notablemente afectado por la historia termo-mecánica del alambre y cable que ha sido sometido previamente al procesamiento térmico.

1. Introducción

Las aleaciones de aluminio se pueden agrupar en dos categorías distintas: aleaciones endurecibles por deformación y aleaciones tratables térmicamente.

  •       Las aleaciones endurecibles por deformación se fortalecen o endurecen mediante el trabajo en frío, por ejemplo, mediante estirado o laminado. El endurecimiento por deformación o trabajo en frío puede revertirse mediante el recocido, ya sea un recocido parcial o un recocido completo. El recocido devuelve el alambre o cable, en parte o completamente, a las propiedades mecánicas y eléctricas que tenía antes de que se aplicara el trabajo en frío. 

  •       Las aleaciones tratables térmicamente se fortalecen o endurecen mediante el endurecimiento por precipitación o envejecimiento. Este tipo de endurecimiento puede revertirse mediante el tratamiento térmico a alta temperatura y posterior enfriamiento.

2. Envejecimiento artificial.


El envejecimiento artificial se lleva a cabo normalmente después de que se ha estirado el alambre AA 6101/6201 a su tamaño final, antes de que se fabrique el cable. Las aleaciones tratables térmicamente de la serie AA 6xxx son aleaciones de Al-Mg-Si, con una gama de composiciones químicas que pueden ser endurecidas por precipitación mediante envejecimiento artificial.

El endurecimiento se puede producir mediante procesos termo-mecánicos:

  •      Tratamiento térmico de solución, que se realiza calentando el metal por encima de       520ºC o utilizando metal fundido como material de partida.
  •      Enfriamiento, que se realiza a la salida del molino de laminado enfriando por               debajo     de 180ºC.
  •       Envejecimiento natural, que ocurre en las primeras 24 horas después de que se              produce la varilla.
  •       Trabajo en frío mediante el proceso de estirado.
  •       Endurecimiento por precipitación mediante envejecimiento artificial a                           temperaturas   moderadamente altas (150º-165ºC para el templado T81 o 180-               200ºC para el  templado T83).

3. Propiedades de las aleaciones tratables térmicamente.

      El envejecimiento natural a temperatura ambiente ocurre antes o después de las                    operaciones listadas para el templado T4. Así, las aleaciones AA 6101 y 6201                     aumentan en resistencia en aproximadamente 15 a 25 MPa (2 a 3.5 ksi) durante las             primeras 24 horas después del laminado de la varilla. Este aumento en la resistencia se         debe a la formación de precipitados que contribuyen a la resistencia del material.

       Las aleaciones tratables térmicamente se clasifican según las designaciones de                     templado básico. Estas designaciones indican el tipo de tratamiento térmico que ha             recibido el material. Por ejemplo, el T se refiere a productos que han sido tratados                 térmicamente para producir templados estables, diferentes de F, O o H. Esto se aplica          a productos que han sido tratados térmicamente, con o sin endurecimiento                             suplementario por deformación, para producir templados estables. La letra T siempre          va seguida de uno o más dígitos.

4. Nomenclatura ASTM

Las subdivisiones del templado H indican endurecimiento por deformación. El primer dígito que sigue a la H indica la combinación específica de operaciones básicas, como sigue:

  • H1: endurecido por deformación solamente. Se aplica a productos que son  endurecidos por deformación para obtener la resistencia deseada sin tratamiento térmico suplementario.
  • H2: endurecido por deformación y luego tratado térmicamente. Esto implica que el material ha sido sometido a un tratamiento térmico adicional después del endurecimiento por deformación para mejorar aún más sus propiedades mecánicas.
  • H3: endurecido por deformación y luego envejecido. Esto significa que el material ha sido endurecido por deformación y posteriormente sometido a un proceso de envejecimiento para aumentar su resistencia y estabilidad.

Las subdivisiones del templado T indican tratamientos térmicos específicos. Por ejemplo:

  • T4: se refiere a productos que han sido sometidos a un tratamiento de solución térmica seguido de un enfriamiento rápido (quenching) y luego envejecimiento natural a temperatura ambiente. Este proceso mejora la resistencia y la ductilidad del material.
  • T8: implica que el material ha sido tratado térmicamente mediante un tratamiento de solución seguido de un enfriamiento rápido y luego envejecido artificialmente a temperaturas moderadamente altas. Este tratamiento proporciona una mayor resistencia en comparación con el T4.

De esta forma, las aleaciones de aluminio se clasifican en grados H y T, que indican el tipo de tratamiento recibido:

  • Grados H (Endurecimiento por Deformación): 
    • H1X: Endurecimiento por deformación sin tratamiento térmico adicional.
    • H12, H14, H16: Diferentes grados de endurecimiento que indican el nivel de trabajo en frío aplicado. Por ejemplo, H12 representa un nivel de endurecimiento moderado, mientras que H14 y H16 indican niveles más altos de endurecimiento.
    • H19 y superiores: Representan aleaciones que han sido sometidas a un mayor trabajo en frío y, por lo tanto, tienen propiedades mecánicas mejoradas.
  • Grados T (Tratamiento Térmico):
    • T1: Aleación que ha sido enfriada de un estado de solución y no ha sido tratada térmicamente.
    • T4: Tratamiento de solución seguido de enfriamiento rápido y envejecimiento natural.
    • T6: Tratamiento de solución seguido de enfriamiento y envejecimiento artificial.
    • T8: Incluye envejecimiento artificial a temperaturas moderadas.

Cada designación de templado cubre un rango de aproximadamente 35 MPa, y hay superposición entre los rangos, lo que es crucial para entender las propiedades mecánicas de las aleaciones.




CALCULO DEL TIPO DE ALAMBRÓN DE ALUMINIO.

Problema 1;

Necesitamos fabricar un conductor ACSR de aluminio y necesitamos comprar ó fabricar el alambrón de aluminio a partir del cual se van a trefilar los hilos. Tradicionalmente sabemos que para este diámetro de hilo tan reducido hay una alta incidencia de roturas en el cableado y en el pasado se obtuvieron reclamaciones de calidad por la tendencia del conductor a destrenzarse durante la instalación. El conductor es  ACSR Ostrich y la norma aplicable es ASTM.

Vamos a ver la composición y los datos del conductor en ASTM B 232M;

Composición; 26/2,72 + 7/2,12

 26 hilos de 2,72 mm de aluminio y 7 hilos de 2,12 mm de acero

Carga de rotura de los hilos de aluminio 180 MPa de media y 170 MPa de min.

Con estos datos vamos a ver el endurecimiento durante el trefilado según la tabla resultante del ensayo Endurecimiento

Calculamos la reducción de diámetro necesaria desde el alambrón de partida;

Esto es 91.80% en la tabla de reducción obtenemos un endurecimiento en el eje de ordenadas de 8,0 Kg/mm2.



Como conocemos la carga de rotura objetivo que 180 MPa ya podemos calcular la carga de rotura mínima del alambrón de aluminio de partida para el trefilado.

Teniendo en cuenta el planteamiento sugerido anteriormente la carga de rotura final del alambre seria:

CR Alambre = CR Alambrón + Endurecimiento estructural

Esto es ;

                                                          CRA = CRa - CRAc

Siendo;

CRa=Carga de rotura del alambre final
CRA=Carga de rotura del alambrón utilizado. 
CRAc=Incremento de Carga de rotura por la acritud.

Tenemos por tanto que 180 MPa- 80 MPa = 100 MPa por tanto utilizaremos una alambrón de aluminio clase H-12 con carga de rotura entre 95-115 MPa.

Clase (H-xx)

Resistencia a la Tracción (MPa)

H-11

80-105

H-12

95-115

H-13

115-135

H-14

135-150

Problema 2;

Necesitamos fabricar un conductor ACSR de aluminio. El conductor es ACSR Penguin y la norma aplicable también es ASTM.

Sabemos que para este diámetro de hilo hay riesgo de no llegar a la carga de rotura mínima exigida por la norma y en el pasado se han dado rechazos debido a este incumplimiento en los alambres antes de cableado final.

El conductor es ACSR Penguin y la norma aplicable también es  también la ASTM B 232M

La composición ; 6/4.77 + 1/ 4.77 según tabla 

 6 hilos de 4.77 mm de aluminio y 1 hilos de 4.77 mm de acero

Carga de rotura de los hilos de aluminio 165 MPa de media y 160 MPa de min según ASTM B-230.

El endurecimiento durante el trefilado según la tabla resultante del articulo  Endurecimiento por trefilación y obtenemos 74.78% en la tabla de reducción obtenemos un endurecimiento en el eje de ordenadas de 6 Kg/mm2.

Tenemos por tanto que 165 MPa- 40 MPa = 125 MPa por tanto utilizaremos una alambrón de aluminio clase H-13 con carga de rotura entre 115-135 MPa según la tabla de clasificación de alambrónes de aluminio de ASTM.

METALURGIA DEL ALUMINIO. ESTRUCTURA CRISTALINA

Los átomos de aluminio están organizados en una matriz cristalina de estructura periódica 3-D específica como se muestra en las figuras 1 y 2 a continuación. El Al (y en Cu), los átomos están dispuestos en una estructura cúbica o cubica de caras centradas, que es también una estructura de empaquetamiento compacta. Puede ser descrito por una celda unitaria (un cubo), en la que los átomos se encuentran en las esquinas de cubo y en el centro de cada cara del cubo. Esta celda unitaria se repite periódicamente en las tres direcciones a lo largo de los ejes del cubo.

Las tres caras del cubo son visibles: las líneas de trazos se utilizan para indicar las posiciones de los átomos en las otras caras no visibles. Sólo se muestra el centro de cada átomo. (ref.1)





Fig.1 Estructura cristalina cúbica de caras centradas (ccc).





 En realidad, los átomos se tocan entre sí. (ref.1)








Fig.2 Representación de la estructura esférica de átomos en la red de aluminio.

Los materiales reales nunca tienen una estructura cristalina perfecta, y contienen varios tipos de defectos que alteran la disposición periódica o sistemática de los átomos. Existen tres categorías diferentes de defectos: 

Defectos

1. Puntual: vacíos, átomos de sustitución, átomos intersticiales.
2. Defectos de línea: la dislocación de borde, dislocaciones mixtas...
3. Los defectos planares: fallas de apilamiento.

ENDURECIMIENTO POR TREFILACION. ENSAYO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS

Aunque en realidad existen variaciones de composición química, velocidad y temperatura habitualmente, siempre podemos hablar de valores medios de forma que la variabilidad mayor está en la reducción de sección que aplicamos para cada diámetro distinto a fabricar.
Mediante ensayos de resistencia mecánica a diferentes diámetros se contrasta la resistencia mecánica original frente a la final después de trefilado con objeto de conocer qué se obtendrá en el futuro si se utiliza una u otra clase de alambrón de aluminio.
Se han realizado ensayos en laboratorio de carga de rotura de los alambrones de partida de calidad 1350 a diámetro 9,5 mm y se ha calculado la carga de rotura unitaria por peso para compararla posteriormente con la carga de rotura unitaria del alambre a diámetro final después del trefilado. 
La diferencia de la carga de rotura unitaria del alambre respecto de la obtenida inicialmente en su alambrón, es lo que hemos llamado en el eje Y "Endurecimiento del aluminio".
La "reducción de sección" es la que hemos representado en en eje Y calculada en % de forma que podemos valorar el endurecimiento para cada diámetro a fabricar previamente y predecir la calidad de aluminio que necesitamos para trefilarlo al diámetro final

De esta tabla podemos decir que para reducciones de 74% tenemos un endurecimiento mínimo de cerca de 4 kg/ mm2 y para reducciones de sección máximas tenemos un endurecimiento mínimo de unos 9 kg/mm2
Con este resultado puede calcularse con bastante precisión la resistencia mecánica mínima
que se obtendría si se parte de una u otra calidad de alambrón.

En el siguiente post vamos a poner un ejemplo de cálculo del tipo de alambrón que
necesitamos para fabricar un conductor determinado minimizando el riesgo de que no
alcancemos la carga de rotura deseada por la norma ó de que el excesivo endurecimiento
produzca roturas de alambre en el proceso de cableado posterior. Ver ejemplos

CALCULO DE LA ACRITUD

En nuestro caso podemos decir que este endurecimiento depende de varios factores y está en función de ellos.

La fórmula matemática a considerar sería;
                                           Ac = f (C,T,V,R,M)

Ac= Acritud ó endurecimiento.
C= Composición química.
T= Temperatura.
V= Velocidad trefilado.
R= Reducción de sección.
M=tipo de máquina y condiciones de proceso.

Este resultado arroja una ecuación con múltiples variables y su resolución nos abriría la puerta a la predicción de las características mecánicas del alambre final. Esta predicción es de interés para conocer el grado del alambrón de aluminio que se debe de utilizar (H-11, H14,etc.) para fabricar un determinado conductor en función del diámetro y la norma.
Teniendo en cuenta el planteamiento sugerido anteriormente la carga de rotura final del alambre seria:
CR Alambre = CR Alambrón + Endurecimiento estructural
 Esto es ;
                                                          CRa = CRA + CRAc

Siendo;

CRa=Carga de rotura del alambre final
CRA=Carga de rotura del alambrón utilizado. 
CRAc=Incremento de Carga de rotura por la acritud.

El problema reside por tanto en acotar el valor del endurecimiento (CRAc) para poder predecir la carga de rotura del alambre final.
De las variables que afectan al endurecimiento podemos decir que para un mismo tipo de alambrón de partida, en unas mismas condiciones de trefilado la variabilidad debido a estos parámetros se minimiza. 
Aunque en realidad existen variaciones de composición química, velocidad y temperatura habitualmente, siempre podemos hablar de valores medios de forma que la variabilidad mayor está relacionada en la reducción de sección que aplicamos para cada diámetro distinto a fabricar.

ENDURECIMIENTO DEL ALUMINIO.ACRITUD

Lacritud es una propiedad mecánica que adquieren los metales como consecuencia de la deformación en frío, también conocida como proceso de endurecimiento por deformación, que aumenta su dureza, fragilidad y resistencia, aunque los hace perder, al mismo tiempo, su ductilidad o maleabilidad.
Este endurecimiento debido a la deformación es mucho mayor cuando ocurre a temperaturas inferiores a la de recristalización del metal en cada caso.
Para el aluminio la temperatura de recristalización que se considera en la mayoría de publicaciones de metalurgia es de 350°C.

En aplicaciones de deformación  como el trefilado es posible predecir la carga de rotura del hilo final obtenido en función de los materiales empleados teniendo en cuenta la reducción total aplicada.
En nuestro caso podemos decir que este endurecimiento depende de varios factores y está en función de todos ellos.


La idea de plantear un método para predecir las características mecánicas del alambre final partiendo de las que tiene el alambrón de partida surge constantemente cuando se definen los procesos de fabricación de cables con diámetros muy dispares y de los requisitos mínimos planteados por las normas a aplicar.
Por lo general la carga unitaria exigida por las normas aumenta a medida que disminuye el diámetro. El problema habitualmente surge en los diámetros mayores.
Si observamos los valores límite de norma para la fabricación de cables aéreos UNE-EN 60899 podemos ver que este requisito en menor cuanto mayor es el diámetro del alambre requerido




El valor de la carga de rotura unitaria disminuye a medida que el diámetro es mayor aunque como es normal la carga de rotura total aumenta con el valor del diámetro.
De las variables que afectan al endurecimiento podemos decir que para un mismo tipo de alambrón de partida, en unas mismas condiciones de trefilado la variabilidad debido a todos estos parámetros se minimiza. 

ALEACIONES ALUMINIO MAGNESIO SILICIO FAMILIA 6000

Las aleaciones 6101 y 6201 son utilizadas principalmente en la fabricación de conductores eléctricos aéreos debido a sus propiedades mecánicas y eléctricas equilibradas. Estas aleaciones son de la serie 6xxx, compuestas principalmente por aluminio con magnesio y silicio, lo que les otorga buena resistencia mecánica, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión.


Aleación 6101

  • Composición típica:
    • Aluminio (Al): 98% o más
    • Magnesio (Mg): 0.35 - 0.8%
    • Silicio (Si): 0.3 - 0.7%
  • Normas aplicables:
    • EN 50183: Conductores para lineas eléctricas aéreas.
  • Aplicaciones:
    • Usado para conductores de líneas de transmisión de energía y distribución aérea, donde se requiere buena conductividad (aproximadamente 52-56% IACS).
    • Conductores tipo AAC (All Aluminum Conductor) y AAAC (All Aluminum Alloy Conductor).

Aleación 6201

  • Composición típica:
    • Aluminio (Al): 97-98%
    • Magnesio (Mg): 0.6 - 0.9%
    • Silicio (Si): 0.5 - 0.9%
  • Normas aplicables:
    • ASTM B399: Especificaciones para conductores AAAC con aleación 6201.
    • EN 50182: Normas europeas para conductores desnudos de aluminio.
  • Aplicaciones:
    • Adecuado para conductores AAAC, con una resistencia mecánica superior a la 6101 y buena conductividad (aproximadamente 50% IACS).
    • Se utiliza en redes de media y alta tensión y es preferido en áreas donde la resistencia a la corrosión es crítica.

Alloy

%Si

%Fe

%Cu

%Mn

%Mg

%Cr

%Zn

%B

%Ga

%Ti+V

%Al min

AA 6101

0.3 a 0.7

0.5

0.1

0.03

0.35 to 0.8

0.03

0.1

0.06

-

0.003

98.0

AA 6201

0.5 a 0.9

0.5

0.1

0.03

0.6 to 0.9

0.03

0.1

0.06

-

0.003

98.0

Conductor de Aleación 6101 y 6201

  • Resistencia mecánica:
    • 6101: Resistencia superior a la del aluminio puro, ideal para soportar esfuerzos mecánicos moderados.
    • 6201: Resistencia aún mayor que la 6101, útil para entornos de alta tensión o líneas largas donde se necesita mayor resistencia estructural.
  • Durabilidad estructural:
    Las aleaciones tienen mejor resistencia a la fatiga y son menos propensas a la deformación bajo carga mecánica, lo que aumenta su vida útil en instalaciones aéreas.
  • Estabilidad térmica:
    Mejor comportamiento frente a la expansión térmica, reduciendo el riesgo de alargamiento en líneas de transmisión a altas temperaturas.
  • Aplicaciones en ambientes adversos:
    Las aleaciones, especialmente la 6201, son más resistentes en entornos de alta tensión, cargas mecánicas elevadas y condiciones climáticas adversas.

 Comparación y utilidad

  • 6101 es preferida para conductores donde la conductividad eléctrica es la prioridad.
  • 6201 se usa donde es necesaria una mayor resistencia mecánica sin sacrificar demasiado la conductividad.
    Ambas aleaciones permiten una operación confiable en entornos expuestos, reduciendo el peso de las líneas de transmisión en comparación con el cobre.

Propiedad

Aluminio Puro (99,7%)

Aleación 6101

Aleación 6201

Conductividad

61-63% IACS

52-56% IACS

50% IACS

Resistencia mecánica

Baja

Media

Alta

Costo

Más bajo

Moderado

Moderado

Peso

Ligero

Ligero

Ligero

Resistencia a la corrosión

Alta

Alta

Alta

Aplicaciones

Baja tensión y redes urbanas

Media tensión, líneas aéreas

Alta tensión, líneas de gran extensión