Cable reforzado con acero y conductor de aluminio

El núcleo de acero estándar utilizado para ACSR es acero galvanizado, pero también se encuentran disponibles aceros recubiertos de zinc, aleación de aluminio al 5% o 10% y trazas de mischmetal (a veces denominados comercialmente Bezinal o Galfan ), así como acero revestido de aluminio (a veces denominado comercialmente Alumoweld). También se puede utilizar acero de mayor resistencia.

En Estados Unidos, el acero más utilizado se denomina GA2 para el acero galvanizado (G) con recubrimiento de zinc de clase A (A) y resistencia estándar (2). Los recubrimientos de zinc de clase C son más gruesos que los de clase A y proporcionan mayor protección contra la corrosión a costa de una menor resistencia a la tracción. Un núcleo de acero galvanizado de resistencia estándar con recubrimiento de clase C se denominaría GC2. Los grados de acero de mayor resistencia se denominan alta resistencia (3), extra alta resistencia (4) y ultra alta resistencia (5). Un núcleo de acero galvanizado de ultra alta resistencia con recubrimiento de clase A se denominaría GA5. El uso de núcleos de acero de mayor resistencia aumenta la resistencia a la tracción del conductor, lo que permite mayores tensiones y, por consiguiente, una menor flecha.

Los recubrimientos de mischmetal de zinc-5% aluminio se designan con una "M". Estos recubrimientos ofrecen mayor protección contra la corrosión y resistencia al calor en comparación con el zinc solo. El acero de resistencia regular con recubrimiento de mischmetal de clase "A" se designaría como MA2.

El acero revestido de aluminio se denomina "AW". Este tipo de acero ofrece mayor protección contra la corrosión y conductividad, aunque a costa de una menor resistencia a la tracción. El acero revestido de aluminio se suele especificar para aplicaciones costeras.

IEC y CSA utilizan una nomenclatura diferente. El acero más comúnmente utilizado es el S1A, que corresponde al acero de resistencia regular S1 con recubrimiento de clase A. El acero S1 tiene una resistencia a la tracción ligeramente inferior a la del acero de resistencia regular utilizado en Estados Unidos. Según las normas canadienses CSA, el grado de resistencia S2A se clasifica como acero de alta resistencia. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA2, denominado acero de resistencia regular. El grado de resistencia CSA S3A se clasifica como acero de resistencia extra alta. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA3, denominado acero de alta resistencia. Las normas CSA actuales para conductores eléctricos aéreos aún no reconocen oficialmente los grados equivalentes ASTM GA4 o GA5. Las normas CSA actuales tampoco reconocen oficialmente la familia "M" de materiales de recubrimiento de aleación de zinc ASTM. Las empresas de servicios públicos canadienses utilizan conductores fabricados con aceros de mayor resistencia con recubrimiento de aleación de zinc "M".

La torsión de un conductor se determina mediante cuatro dedos extendidos; la dirección "derecha" o "izquierda" de la torsión se determina según coincida con la dirección de los dedos de la mano derecha o izquierda, respectivamente. Los conductores aéreos de aluminio (AAC, AAAC, ACAR) y ACSR en EE. UU. siempre se fabrican con la capa conductora exterior con torsión derecha. Hacia el centro, cada capa tiene torsión alterna. Algunos tipos de conductores (por ejemplo, conductor aéreo de cobre, OPGW , EHS de acero) son diferentes y tienen torsión izquierda en la capa conductora exterior. Algunos países sudamericanos especifican torsión izquierda para la capa conductora exterior en sus ACSR, por lo que estos se enrollan de manera diferente a los utilizados en EE. UU.

Para ayudar a evitar confusiones debido a las numerosas combinaciones de trenzado de los hilos de acero y aluminio, se utilizan palabras clave para especificar una versión específica del conductor. En Norteamérica se utilizan nombres de aves para las palabras clave, mientras que en otros lugares se utilizan nombres de animales. Por ejemplo, en Norteamérica, Grosbeak es unaConductor ACSR de 322,3  mm ² (636  kcmil) con trenzado de aluminio/acero 26/7, mientras que Egret tiene el mismo tamaño total de aluminio (322,3  mm² ^, conductor de 636  kcmil) pero con trenzado de aluminio/acero 30/19. Aunque el número de hilos de aluminio es diferente entre Grosbeak y Egret, se utilizan diferentes tamaños de hilos de aluminio para compensar el cambio en el número de hilos de modo que la cantidad total de aluminio permanezca igual. Las diferencias en el número de hilos de acero dan como resultado pesos variables de la parte de acero y también dan como resultado diferentes diámetros generales del conductor. La mayoría de las empresas de servicios públicos estandarizan en una versión específica del conductor cuando varias versiones de la misma cantidad de aluminio para evitar problemas relacionados con diferentes tamaños de hardware (como empalmes). Debido a los numerosos tamaños diferentes disponibles, las empresas de servicios públicos a menudo omiten algunos tamaños para reducir su inventario. Las diferentes versiones de trenzado dan como resultado diferentes características eléctricas y mecánicas.

Los fabricantes de ACSR suelen proporcionar tablas de capacidad de corriente para un conjunto definido de supuestos. Las compañías eléctricas suelen aplicar clasificaciones diferentes debido a que utilizan supuestos distintos (lo que puede resultar en clasificaciones de amperaje mayores o menores que las que proporcionan los fabricantes). Entre las variables importantes se incluyen la velocidad y la dirección del viento con respecto al conductor, la intensidad solar, la emisividad, la temperatura ambiente y la temperatura máxima del conductor.

El efecto pelicular disminuye el área de la sección transversal por donde viaja la corriente a través del conductor a medida que aumenta la frecuencia de CA. Para la corriente alterna , la mayor parte (63%) de la corriente eléctrica fluye entre la superficie y la profundidad de penetración, δ, que depende de la frecuencia de la corriente y de las propiedades eléctricas (conductividad) y magnéticas del conductor. Esta disminución del área provoca un aumento de la resistencia debido a la relación inversa entre la resistencia y el área de la sección transversal del conductor. El efecto pelicular beneficia el diseño, ya que hace que la corriente se concentre hacia el aluminio de baja resistividad en la superficie exterior del conductor. Para ilustrar el impacto del efecto pelicular, la norma de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) incluye la conductividad del núcleo de acero al calcular la resistencia de CC y CA del conductor, pero las normas IEC y CSA Group no lo hacen.

En un conductor (ACSR y otros tipos) que transporta corriente alterna, si la corriente fluye a través de uno o más conductores cercanos, la distribución de la corriente dentro de cada conductor se verá restringida a regiones más pequeñas. Esta concentración de corriente se denomina efecto de proximidad. Dicha concentración provoca un aumento en la resistencia efectiva de corriente alterna del circuito, siendo el efecto mayor a 60 Hz que a 50 Hz. La geometría, la conductividad y la frecuencia son factores que determinan la magnitud del efecto de proximidad.

El efecto de proximidad es resultado de un campo magnético variable que influye en la distribución de la corriente eléctrica que fluye dentro de un conductor eléctrico debido a la inducción electromagnética . Cuando una corriente alterna (CA) fluye a través de un conductor aislado, crea un campo magnético alterno asociado a su alrededor. Este campo magnético alterno induce corrientes parásitas en los conductores adyacentes, alterando la distribución general de la corriente que fluye a través de ellos.

El resultado es que la corriente se concentra en las zonas del conductor más alejadas de los conductores cercanos que transportan corriente en la misma dirección.

La histéresis en un conductor ACSR se debe a que los dipolos atómicos en el núcleo de acero cambian de dirección por la inducción de la corriente alterna de 60 o 50 hercios en el conductor. Las pérdidas por histéresis en los conductores ACSR son indeseables y pueden minimizarse utilizando un número par de capas de aluminio. Debido al efecto de cancelación del campo magnético de los conductores de capas opuestas (derecha e izquierda) en el caso de dos capas de aluminio, la pérdida por histéresis en el núcleo de acero es significativamente menor que en el caso de una o tres capas de aluminio, donde el campo magnético no se cancela.

El efecto de histéresis es despreciable en conductores ACSR con un número par de capas de aluminio, por lo que no se considera en estos casos. Sin embargo, para conductores ACSR con un número impar de capas de aluminio, se utiliza un factor de magnetización para calcular con precisión la resistencia de CA. El método de corrección para conductores ACSR de una sola capa es diferente al utilizado para conductores de tres capas. Debido a la aplicación del factor de magnetización, un conductor con un número impar de capas presenta una resistencia de CA ligeramente superior a la de un conductor equivalente con un número par de capas.

Debido a las mayores pérdidas por histéresis en el acero y al calentamiento asociado del núcleo, un diseño de capas impares tendrá una capacidad de corriente nominal inferior (hasta un 10 % menos) que un diseño equivalente de capas pares.

Todos los conductores ACSR estándar más pequeños que Partridge (135,2  mm ² {266,8  kcmil} 26/7 Aluminio/Acero) tienen solo una capa debido a sus pequeños diámetros, por lo que no se pueden evitar las pérdidas por histéresis.

El alambre de forma trapezoidal (TW) se puede utilizar en lugar del alambre redondo para "rellenar los huecos" y tener un diámetro total entre un 10 % y un 15 % menor para la misma área de sección transversal o un área de sección transversal entre un 20 % y un 25 % mayor para el mismo diámetro total.

Ontario Hydro (Hydro One) introdujo en la década de 1980 diseños de conductores ACSR de alambre trapezoidal para reemplazar los diseños ACSR de alambre redondo existentes (los denominaron conductores compactos; estos tipos de conductores ahora se denominan ACSR/TW). Los diseños de alambre trapezoidal (TW) de Ontario Hydro utilizaban el mismo núcleo de acero, pero aumentaban el contenido de aluminio del conductor para igualar el diámetro total de los diseños anteriores de alambre redondo (de esta manera, podían utilizar los mismos accesorios de hardware tanto para los conductores redondos como para los TW). Los diseños de Hydro One para sus conductores ACSR/TW trapezoidales solo utilizan un número par de capas de aluminio (dos o cuatro capas). No utilizan diseños con un número impar de capas (tres capas) debido a que dicho diseño genera mayores pérdidas por histéresis en el núcleo de acero. También en la década de 1980, Bonneville Power Administration (BPA) introdujo diseños TW en los que se aumentó el tamaño del núcleo de acero para mantener la misma relación aluminio/acero.

El conductor autoamortiguado (ACSR/SD) es una tecnología prácticamente obsoleta y rara vez se utiliza en nuevas instalaciones. Se trata de un conductor trenzado concéntrico, autoamortiguado, diseñado para controlar la vibración eólica en líneas de transmisión aéreas mediante amortiguación interna. Los conductores autoamortiguados constan de un núcleo central de uno o más hilos de acero redondos rodeado por dos capas de hilos de aluminio trapezoidales. Se pueden añadir más capas de hilos de aluminio redondos según sea necesario.

El conductor SD se diferencia del ACSR convencional en que los hilos de aluminio de las dos primeras capas tienen forma trapezoidal y están dimensionados de tal manera que cada capa de aluminio forma un tubo trenzado que no se colapsa sobre la capa inferior al estar bajo tensión, sino que mantiene un pequeño espacio anular entre capas. Las capas de hilo trapezoidal están separadas entre sí y del núcleo de acero por dos pequeños espacios anulares que permiten el movimiento entre las capas. Las capas de hilo de aluminio redondo están en contacto estrecho entre sí y con la capa de hilo trapezoidal subyacente.

Bajo vibración, el núcleo de acero y las capas de aluminio vibran con frecuencias diferentes, lo que produce amortiguación de impacto. Esta amortiguación es suficiente para mantener cualquier vibración eólica a un nivel bajo. El uso de hilos trapezoidales también reduce el diámetro del conductor para una resistencia de CA determinada por milla.

Las principales ventajas de ACSR/SD son:

• La alta capacidad de autoamortiguación permite el uso de niveles de tensión sin carga más altos, lo que resulta en una flecha máxima reducida y, por lo tanto, en una altura de estructura reducida y/o menos estructuras por kilómetro [o por milla].
• Diámetro reducido para una resistencia de CA determinada, lo que resulta en una menor carga transversal de viento y hielo en la estructura.

Las principales desventajas de ACSR/SD son:

• Es muy probable que aumenten los costes de instalación y fijación debido a los requisitos especiales de hardware y a los métodos de encordado especializados.
• El diseño del conductor siempre requiere el uso de un núcleo de acero, incluso en zonas de baja carga.

El conductor de aluminio con núcleo de acero reforzado (ACSS) visualmente se asemeja al ACSR estándar, pero sus hilos de aluminio están completamente recocidos. El recocido reduce la resistencia del conductor compuesto, pero tras la instalación, la elongación permanente de los hilos de aluminio provoca que el núcleo de acero soporte un porcentaje mucho mayor de la tensión del conductor que en el caso del ACSR estándar. Esto, a su vez, reduce la elongación térmica del compuesto y aumenta su amortiguación propia.

Las principales ventajas de ACSS son:

• Dado que los hilos de aluminio son "muy blandos" desde el principio, el conductor puede funcionar a temperaturas superiores a 200 °C (392 °F) sin pérdida de resistencia.  
• Dado que la tensión en los hilos de aluminio suele ser baja, la autoamortiguación de la vibración eólica por parte del conductor es alta y puede instalarse con altos niveles de tensión sin carga sin necesidad de amortiguadores separados del tipo Stockbridge.

Las principales desventajas del ACSS son:

• En zonas con una fuerte acumulación de hielo, la menor resistencia de este conductor en comparación con el ACSR estándar puede hacerlo menos deseable.
• La blandura de los filamentos de aluminio recocido y la posible necesidad de un pretensado antes del enganche y el descolgado pueden aumentar los costes de instalación.

El conductor de par trenzado (TP) (a veces denominado con los nombres comerciales T-2 o VR) tiene los dos subconductores trenzados (generalmente con una torsión a la izquierda) entre sí, con una longitud de torsión de aproximadamente tres metros (nueve pies). ^{[ 7 ] [ 6 ]}

La sección transversal del conductor del TP tiene forma de "ocho" giratorio. Los subconductores pueden ser de cualquier tipo de conductor ACSR estándar, pero deben coincidir entre sí para garantizar el equilibrio mecánico.

Las principales ventajas del conductor TP son:

• El uso del conductor TP reduce la propensión al galope del hielo/viento que se inicia en la línea. En una tormenta de hielo, cuando los depósitos de hielo comienzan a acumularse a lo largo del conductor, el perfil retorcido del conductor impide la formación de una forma aerodinámica uniforme. Con un conductor redondo estándar, la forma aerodinámica provoca la elevación del conductor y el inicio del movimiento de galope. El perfil del conductor TP y esta ausencia de una forma aerodinámica uniforme inhiben el inicio del movimiento de galope. La reducción del movimiento durante los eventos de hielo ayuda a evitar que los conductores de fase entren en contacto entre sí, lo que causaría una falla y la consiguiente interrupción del circuito eléctrico. Con la reducción de movimientos de gran amplitud, se puede utilizar un espaciado de fase más cercano o tramos más largos. Esto, a su vez, puede resultar en un menor costo de construcción. El conductor TP generalmente se instala solo en áreas que normalmente están expuestas a condiciones de velocidad del viento y temperaturas bajo cero asociadas con la acumulación de hielo.
• La forma no circular de este conductor reduce la amplitud de la vibración eólica y las tensiones que provocan fatiga cerca de las uniones y las abrazaderas de fijación. Los conductores TP pueden girar suavemente para disipar la energía. Como resultado, se pueden instalar con mayores niveles de tensión y menor flecha.

Las principales desventajas del conductor TP son:

• La sección transversal no circular produce cargas de viento y hielo que son aproximadamente un 11 % superiores a las de un conductor estándar de la misma resistencia de CA por milla.
• La instalación y el hardware para este conductor pueden resultar algo más caros que los de un conductor estándar.