Corriente alterna (CA) frente a corriente continua (CC): cómo afecta el tipo de corriente al diseño de cables.

La electricidad viaja de dos formas principales:Corriente alterna (CA)yCorriente continua (CC)La corriente alterna (CA) invierte su dirección constantemente (50 o 60 veces por segundo), mientras que la corriente continua (CC) fluye de forma constante en una sola dirección. Podría pensarse que un cable es simplemente un cable, pero el tipo de corriente influye drásticamente en su diseño. Desde el conductor hasta el aislamiento y el blindaje, los ingenieros toman decisiones muy diferentes para los sistemas de CA y CC. Este artículo explica por qué.

1. La diferencia fundamental: constante frente a pulsante

En un cable de CC, los electrones se mueven a una velocidad constante y unidireccional. La densidad de corriente es uniforme a lo largo de la sección transversal del conductor. En un cable de CA, los electrones oscilan de un lado a otro. Este campo magnético cambiante creaefecto pielyefecto de proximidad– fenómenos que no existen en Washington D.C.

Estos efectos obligan a que la corriente alterna fluya principalmente cerca de la superficie del conductor, y no a través de toda su sección transversal. Esto cambia radicalmente la forma en que debe construirse el conductor.

2. Efecto piel: ¿Por qué los cables de corriente alterna necesitan hilos más delgados?

Efecto en la pieles la tendencia de la corriente alterna de alta frecuencia a concentrarse en la superficie exterior de un conductor. A 50/60 Hz, el efecto es moderado, pero no despreciable, especialmente en conductores de gran tamaño.

Para CC, se puede usar una barra de cobre sólida y gruesa. Para CA, una barra sólida desperdiciaría material interno (transportando poca corriente). En cambio, los cables de CA utilizanconductores trenzados– muchos hilos delgados, aislados individualmente. Esto aumenta la superficie y reduce las pérdidas por efecto pelicular. Los cables de CA muy grandes pueden utilizarConstrucción Milliken(filamentos aislados y transpuestos) para mitigar aún más el efecto en la piel.

En cambio, los cables de CC pueden utilizar sin problemas conductores sólidos o de hilos gruesos sin ningún inconveniente.

3. Efecto de proximidad: Cuando los cables se agrupan

Cuando los cables de CA se extienden muy cerca unos de otros, los campos magnéticos de los conductores adyacentes empujan la corriente hacia el otro extremo de cada conductor, un efecto llamadoefecto de proximidadEsto aumenta la resistencia y el calentamiento, especialmente en cables muy juntos.

En los sistemas de corriente continua (CC), el efecto de proximidad no existe porque el campo magnético es constante.

Para combatir el efecto de proximidad, los diseñadores de cables de CA:

• Mantenga la distancia entre los cables.

• Utilice la transposición de fases en sistemas trifásicos.

• Elija patrones de trenzado de conductores que minimicen la inductancia mutua.

En el caso de las barras conductoras de CA de alta corriente, suelen ser huecas o estar divididas en múltiples láminas delgadas, un diseño que nunca ha sido necesario para la CC.

4. Tensión de aislamiento: CC frente a CA

El aislamiento debe soportar el voltaje sin dañarse. Pero la corriente alterna y la corriente continua someten al aislamiento a tensiones diferentes.

• C.A.El voltaje oscila entre picos positivos y negativos. El aislamiento se somete a tensión en ambas direcciones. Se producen pérdidas dieléctricas (calentamiento del aislamiento), especialmente a frecuencias más altas o con materiales polares (por ejemplo, papel, algunos polímeros).

• corriente continuaEl voltaje es constante. No hay pérdidas dieléctricas por inversión de polaridad. Sin embargo, con el tiempo pueden acumularse cargas espaciales dentro del aislamiento, lo que podría provocar una intensificación local del campo eléctrico.

Paracorriente continua de alto voltaje (HVDC)cables, el aislamiento a menudo está hecho depolietileno reticulado (XLPE)opapel impregnado en masa– Materiales seleccionados por su baja acumulación de carga espacial y alta rigidez dieléctrica en CC. Los cables de CA utilizan materiales similares, pero también deben tener en cuenta la tangente de pérdidas (tan δ), que es irrelevante para CC.

Curiosamente, un cable diseñado para corriente alterna (CA) puede tener una tensión nominal de corriente continua (CC) superior (normalmente entre 1,5 y 2 veces la tensión eficaz de CA) porque la tensión máxima de CA ya incluye un margen de seguridad. Sin embargo, esta no es una regla sencilla; el aislamiento debe estar homologado para la tensión específica de CC.

5. Campos magnéticos y blindaje

Los cables de corriente alterna generan un campo magnético variable en el tiempo. Este campo puede:

• Inducir corrientes en las estructuras metálicas cercanas (calentamiento, pérdidas).

• Interfiere con los cables de señal adyacentes (interferencia electromagnética – EMI).

Para controlar esto, los cables de CA a menudo requierencribado(por ejemplo, cinta de cobre o trenza de alambre) para contener el campo. Los cables de CA trifásicos a menudo están blindados conno magnéticomateriales (aluminio) para evitar el calentamiento por corrientes parásitas.

Los cables de CC producen unestáticoCampo magnético. No induce corrientes en objetos estacionarios y causa poca interferencia. Por lo tanto, los cables de CC generalmente no necesitan blindaje magnético. Sin embargo, pueden afectar a brújulas magnéticas o instrumentos sensibles si se instalan muy cerca unos de otros.

6. Armaduras y fundas metálicas

En el caso de los cables de corriente alterna, el blindaje o las cubiertas metálicas deben tratarse con cuidado:

• Armadura de alambre de acero (SWA)está bien para CA de un solo núcleo solo si la armadura esno magnético(aluminio) o el cable es de tres conductores, por lo que los campos magnéticos se cancelan. Con corriente alterna de un solo conductor, la armadura de acero se sobrecalentaría debido a las corrientes parásitas.

• Armadura de alambre de aluminio (AWA)Se prefiere para CA de un solo núcleo.

Para cables de CC, el blindaje de acero funciona a la perfección: no genera corrientes parásitas ni calentamiento. Esto simplifica y reduce el coste de los cables de CC para aplicaciones ferroviarias, de parques solares o de transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC).

7. Pérdidas y eficiencia

Para la transmisión a larga distancia, la corriente continua (CC) presenta menores pérdidas debido a la ausencia de efectos peliculares o de proximidad, así como a la falta de flujo de potencia reactiva. Por ello, la corriente continua de alta tensión (HVDC) es la preferida para cables submarinos y líneas aéreas de gran longitud, a pesar del mayor coste de las estaciones convertidoras.

8. Ejemplos prácticos

Ejemplo 1: Cableado doméstico (230 V CA)
Los cables son multifilares para reducir el efecto pelicular. No están blindados (el acero sería adecuado, ya que los circuitos trifásicos cancelan los campos magnéticos, pero los monofásicos aún generan cierto calentamiento). El aislamiento es de PVC o XLPE, apto para tensión alterna.

Ejemplo 2: Cables de cadena de CC para parque solar (1500 V CC)
Los cables utilizan trenzado fino (para mayor flexibilidad, no para evitar el efecto piel). No se requiere blindaje. El refuerzo de alambre de acero permite su instalación subterránea sin problemas de calentamiento. El aislamiento es de polietileno reticulado (XLPE) con clasificación de corriente continua (CC).

Ejemplo 3: Tracción ferroviaria de corriente continua (750 V / 1500 V CC)
Los cables suelen utilizar armadura de acero para protección mecánica. Los conductores pueden ser sólidos o multifilares gruesos. No se requiere blindaje magnético.

9. El auge de la transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC) y sus implicaciones para el diseño de cables.

La transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC) está creciendo rápidamente (energía eólica marina, interconexiones). Estos cables deben soportar tensiones muy altas (hasta 600 kV). Entre sus características de diseño especiales se incluyen:

• Aislamiento de papel impregnado en masa o XLPEOptimizado para el control de la tensión de CC y la carga espacial.

• Conductores de retorno(retorno metálico o retorno a tierra) – a menudo integrado.

• Conductores segmentadospara reducir las fuerzas de flexión durante la colocación.

• Doble armadurapara protección en aguas profundas.

Muchos de estos diseños difieren significativamente de los cables de corriente alterna de la misma clase de voltaje.

Tanto la corriente alterna (CA) como la corriente continua (CC) pueden fluir a través del cobre, pero el cable que lo rodea debe diseñarse de forma muy diferente. La CA obliga a los diseñadores a combatir los efectos de la piel y la proximidad, gestionar los campos magnéticos y seleccionar cuidadosamente los materiales de blindaje. La CC los libera de estas dificultades, pero introduce desafíos relacionados con la carga espacial en el aislamiento.

Comprender la diferencia ayuda a los ingenieros a elegir el cable adecuado para cada tarea, y también nos ayuda a todos a entender por qué un cable para un parque eólico tiene un aspecto diferente al de un cable ferroviario, aunque ambos transporten electricidad. La próxima vez que vea un cable de corriente alterna grueso y trenzado o un cable de corriente continua sólido y blindado con acero, lo sabrá: el tipo de cable actual ha moldeado cada capa interna.

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