Autor: Patricio Levenzon
Edición: Patricio Levenzon – Andrea Sanguinetti – CALFIK
Julio | 055-06-ACK-23
Este artículo hace referencia a cuatro ensayos realizados a conductores eléctricos de cobre con el fin de determinar el comportamiento del material aislante. El objetivo es indagar si, mediante una inspección visual y microscópica (40x), es posible detectar diferencias en la degradación térmica del aislante por efectos del calor, provenga éste del ambiente (por contacto con llama o radiación) o se origine por el sobrecalentamiento del conductor, en este caso por sobrecarga.
Existe una amplia gama tanto de conductores como de aislantes. Más abajo, se detallan las características del conductor y material aislante sometidos a ensayo.
En algunos casos, en la escena de un incendio se encuentran restos de material aislante demasiado dañados para que un examen sea de utilidad. Sin embargo, en otras oportunidades el material aislante con un grado menor de daño puede arrojar -en conjunto con otros elementos susceptibles de análisis – información útil.
Es importante tener presente que para efectos de este artículo nos estamos refiriendo a conductores (y material aislante respectivo) de uso común en instalaciones domiciliarias; no se consideran conductores para aplicaciones específicas, como tampoco los que componen algunos artefactos eléctricos y electrónicos, sistemas de alarma de incendios, entre otros.
Nota: Como es natural, las regulaciones (en América Latina) y/o códigos eléctricos difieren, pero básicamente se aplican conceptos técnicos similares. Por lo anterior, la información relativa a colores, materiales aislantes y su comportamiento podría variar.
Tipos de materiales aislantes y simbologías
Como su nombre lo indica, la principal función del recubrimiento de un conductor es aislarlo para evitar que se produzca una fuga de corriente hacia otro material conductor, objeto o persona, por lo que es necesario encapsularlo adecuadamente. El tipo de aislante y sus prestaciones dependerán primeramente de la “cantidad” de energía que transporte y su voltaje. Existen también aislantes para aplicaciones especiales, como son ambiente submarino, calor extremo, flexibilidad, entre otros.
Los conductores que se utilizan para instalaciones en viviendas, oficinas y comercios pueden estar rotulados como: THN, THW, THHW y THWN. Los significados de estas abreviaturas son los siguientes:
1 – T (Thermoplastic): Aislamiento termoplástico (presente en todos los cables).
2 – H (Heat resistant): Resistente al calor hasta 75°C (167°F).
3 – HH (Heat resistant): Resistente al calor hasta 90°C (194°F).
4 – W (Water resistant): Resistente al agua y la humedad.
5 – LS (Low smoke): Cable de baja emisión de humos y bajo contenido de gases contaminantes.
6 – SPT (Service parallel thermoplastic): Esta nomenclatura se utiliza para identificar un cordón compuesto de dos cables flexibles y paralelos, con aislamiento de plástico, unidos entre sí. También se denomina cordón dúplex.
Existen básicamente dos categorizaciones de aislamiento para los conductores tratados en este artículo:
- Aislamiento Termoplástico
Constituido por PVC (Policloruro de vinilo)
PE (Polietileno)
PCP (Policloropreno, Neopreno o Plástico)
- Aislamiento Termoestable
Constituido por XLPE (Polietileno reticulado)
EPR (Etileno-Propileno)
MICC (Fibra mineral)
La Tabla 1 a continuación muestra la medida del cable acorde a la nomenclatura americana, American Wire Gauge – AWG. En ella, se observan tres rangos de temperatura para cables de igual calibre: 60°C – 75°C – 90°C. Es importante señalar que los rangos de temperatura se refieren a la medición del calor al cual se ve expuesto el recubrimiento o aislante.
Diferencia entre cables retardantes de llama y cables resistentes a la llama con clasificación para incendios
En el primer caso, el cable no propagará la llama (su aislante) bajo condiciones de prueba estandarizadas, tanto en forma horizontal como vertical.
Por su parte, los cables clasificados como resistentes a la llama son aquellos que continúan prestando servicio en presencia de un incendio (Integridad de Circuito) durante al menos dos horas de exposición.
Los conductores sometidos a ensayos en nuestros laboratorios, analizados en este artículo, corresponden a aquellos de uso común en instalaciones domiciliarias y comerciales, bajo cumplimiento de la norma local, sin requerimientos específicos de prestación. En los ensayos, se expone el material aislante a distintas temperaturas. En dos de ellos, la fuente de calor es el mismo conductor, producto de la sobrecarga a la cual es sometido. En los otros dos ensayos, la fuente de calor es externa; en un caso, contacto directo de llama y en el otro, corriente de aire caliente, que en un escenario de incendio se puede producir por fenómenos convectivos y/o combinados (radiación/convección). Respecto de los rangos de temperatura, si no se explicita otro, se debe considerar un margen de variación de 20%.
En pruebas previas a los ensayos, no se observó diferencia en el comportamiento del material aislante si el conductor correspondía a alambre o cable de trenzado multifilar. Se utilizaron, como se señala, conductores de alambre de 1.5 mm2.
Las especificaciones del espécimen son las mismas para todos los ensayos:
Espécimen | Conductor de cobre electrolítico de temple blando (Alambre) |
Aislante | Termoplástico: Policloruro de vinilo (PVC) |
Clasificación/Tipo | HO7V-U (NYA) |
Color | Blanco |
Calibre | 1.5 mm2 |
Tensión nominal | 450/750 VCA |
Temperatura máxima | En servicio permanente: 70°C |
Temperatura máxima | En caso de cortocircuito: 160°C (5 segundos máx.) |
ENSAYO N° 1
Equipo utilizado: Sensotrak-60 (P-1 y P-2)
Se aplica corriente al conductor hasta observar el inicio de alteración del material aislante por efectos del calor, lo que sucede al alcanzar 234°C en el conductor. La temperatura máxima aplicada fue 250°C.
Observaciones por microscopía
Las fotografías F-1 y F-2 muestran en corte longitudinal la cobertura aislante del conductor previo al ensayo. Se aprecia bien delineado el canal de alojamiento y el material envolvente, el cual presenta un grado de porosidad.
La fotografía F-3 muestra en corte transversal la cobertura aislante del conductor y el canal de alojamiento previo al ensayo.
La fotografía F-4 muestra restos del material aislante adherido al conductor. En esta etapa, se produjo una contracción por efectos del calor generado por el conductor.
La retracción por efectos del calor es una característica del PVC, Polietileno, Elastómero de silicona y otros. Este fenómeno ocurre normalmente entre los 140°C y 250°C. La contracción del material puede alcanzar hasta el 50% de su volumen/longitud y permanece adherido, en este caso al conductor. Las fotografías F-5 a F-6 muestran la sección del cable donde se alcanzó menor temperatura.
Para la toma de las fotografías F-5, F-6 y F-7, se removió una sección del material aislante del conductor.
La fotografía F-8 muestra la cobertura aislante (parte externa) del conductor posterior al ensayo. Se observa un grado de deformación lineal menor (producto del inicio del proceso de contracción), como asimismo el aumento moderado de la porosidad.
En la ampliación de la fotografía F-8, se aprecia que la granulación o porosidad es superficial y no afecta todo el material del aislante.
Las fotografías F-9 y F-10 muestran el interior de la cobertura aislante con el canal de alojamiento del conductor, con afectación por efectos del calor.
La fotografía F-11 muestra en detalle la degradación térmica del material aislante y la afectación del canal de alojamiento del conductor.
Nota: El proceso de degradación severa del PVC se revela inicialmente por un cambio de color a amarillo e inclusive marrón obscuro, lo que se podrá apreciar en los ensayos posteriores.
ENSAYO N° 2
Equipo utilizado: Sensotrak-60 (P-1 y P-2)
Se aplica corriente al conductor, elevándose la temperatura hasta obtener desprendimiento de humo y un deterioro severo del material aislante. Lo anterior se produce al alcanzar el rango de temperatura de 340°C. La temperatura máxima aplicada fue 680°C.
Observaciones por microscopía
La fotografía F-14 muestra en corte transversal la cobertura aislante. Al costado izquierdo se puede apreciar el conductor de cobre (alambre).
Alrededor del conductor, se aprecia el material pirolizado. La parte externa (color blanco en la fotografía) muestra restos del material aislante. En este caso, el conductor se desprende fácilmente del resto de material.
Nótese que al referirnos a material pirolizado, se hace mención al proceso por combustión natural de la mayoría de los sólidos y no al proceso de pirolización que se aplica hoy en día para la reconversión y reciclaje de plásticos y diferentes polímeros, lo que se efectúa mediante un proceso con ausencia de oxígeno.
La fotografía F-15 muestra el canal de alojamiento del conductor (en el círculo), que fue removido después del ensayo. Se observa también en la periferia del material aislante la decoloración amarillenta mencionada en la nota previa.
La fotografía F-16 muestra la parte externa del material aislante del conductor. La abundante presencia de protuberancias con apariencia de “ventosas” son el resultado de la expulsión de gases producto de la descomposición y pirólisis del material. Esto último resulta relevante como análisis macroscópico dado que, como se verá en las fotografías del Ensayo N° 4, en el que también se muestra material pirolizado, no hay presencia de ventosas producto de la evacuación de los gases.
Se debe tener en consideración que la fuente de calor, en este caso, el conductor, que se encuentra encapsulado en el material aislante y fuertemente adherido a él, lo está por una acción mecánica. Al generarse calor al interior, vale decir en el canal de alojamiento, el proceso de degradación térmica se inicia en esa zona, con la consecuente generación de gases y aumento de presión; gases que se liberan hacia el exterior del material aislante, lo que no ocurre cuando la fuente de calor es externa.
La fotografía F-17 muestra en corte longitudinal la cobertura aislante del conductor (PVC) posterior al ensayo, en su parte externa (misma muestra de las fotografías F-12 y F 13).
Se mencionaba en el análisis del Ensayo N° 1 el fenómeno de contracción que experimenta el PVC por efectos de su exposición al calor. Como se puede apreciar en el video y en razón de la geometría del material aislante (en tanto circunscribe una pieza cilíndrica; en este caso, el conductor de cobre), esta contracción lineal en el eje del cilindro generará necesariamente un aumento del volumen circunferencial.
ENSAYO N° 3
Equipo utilizado:
Sensotrak-60 (P-2)
Termosoplador eléctrico
Se aplica calor por radiación mediante aire caliente, lo que implica también, aunque en menor grado, un efecto convectivo. Se produce la degradación del material aislante en términos de una pirólisis casi en forma inmediata al alcanzar 263°C. Cabe destacar que, aunque en este caso la temperatura alcanzada fue solamente 29°C (superior a la temperatura registrada en el Ensayo N° 1, en el cual el aislante sólo presentó una degradación menor), la pirólisis produjo la total degradación de la superficie del material aislante. Básicamente, esto se debe al oxígeno disponible en la superficie del material afectado. Se debe tener presente que cuando la fuente de calor es el conductor de cobre, al cual está adherido (en forma mecánica) el material aislante, se generan gases de descomposición del PVC, principalmente CO2, CO y HCI. Estos elementos, como se ilustra en las imágenes 1, 2 y 3, permanecen en un principio relativamente encapsulados y la presencia de oxígeno es escasa; por ello, se retarda la pirolisis.
Las fotografías F-18 y F-19 muestran el material aislante del conductor afectado por la pirólisis y la formación incipiente de “ventosas de ventilación”, que no obstante aún no permiten el intercambio de gases con el ambiente. Se observa además la coloración amarillenta, que representa la primera fase de la degradación por calor.
En la fotografía F-20 (corte transversal del conductor), se aprecia la porción pirolizada del material aislante, que representa menos de un tercio del radio de la circunferencia que rodea el conductor (la zona pirolizada ocupa mayormente volumen hacia el exterior del círculo del material aislante F-20a). La zona delimitada con flechas representa la parte de material aislante aparentemente no afectada.
La fotografía F-21 muestra el corte axial en el material aislante del conductor (Ensayo N° 3).
A pesar que, como se aprecia en las fotografías F-18, F-19 y F-20, la degradación por pirólisis fue relativamente superficial, el canal de alojamiento del conductor muestra una coloración amarillenta, indicativa del inicio del proceso de degradación por calor. La fotografía F-2, por su parte, muestra en el corte longitudinal la cobertura aislante previo al ensayo. Se observa bien delineado el canal de alojamiento del material envolvente, de un color claro y homogéneo.
Las fotografías F-22 y F-23 muestran el aislante una vez removida la capa de material carbonizado producto de la pirólisis. Se aprecia en ambas imágenes la decoloración amarillenta bajo el material pirolizado.
En la fotografía F-24, se aprecia la afectación relativamente superficial del material aislante.
ENSAYO N° 4
Equipo utilizado:
Sensotrak-60 (P-2)
Antorcha de gas propano
Se aplica calor al material aislante del conductor por contacto de llama (Flame Impingement) durante 7 segundos. La temperatura medida en el instrumento al producirse la pirólisis fue 230°C.
Nota: Dado que se trata de un “impacto de llama”, es probable que el sensor del equipo registrara la temperatura con algún grado de retardo, por lo que se debe considerar un margen de alrededor de 80°C por sobre la medición.
La fotografía F-25 muestra la porción del conductor que recibió el contacto de llama. En el extremo derecho, es posible observar que se produjo una rápida contracción del material aislante, lo que ocasionó la exposición parcial del conductor de cobre. Al extremo izquierdo, se aprecia material pirolizado parcialmente, sin contracción aparente del aislante.
La fotografía F-26 corresponde a un acercamiento del extremo izquierdo de la fotografía
F-25. La fotografía F-27 corresponde a un acercamiento del extremo derecho de la fotografía F-25.
La reacción de un material al contacto directo de llama obedece a múltiples factores. Si bien no se analizarán en este artículo, a modo de ejemplo es posible mencionar: el tipo de material afectado; el calor radiante transferido desde la fuente, lo que permite calcular el flujo de calor medido normalmente en kW; el calor latente de vaporización, entre otros. En el caso de los materiales sólidos, inciden: la inercia térmica, la temperatura de ignición, el flujo crítico de calor, la forma, densidad y posición de la(s) superficie(s) expuesta(s), entre otras muchas variables.
Resulta interesante observar en la fotografía F-28 (acercamiento y ampliación de la fotografía F-26) cómo la rápida contracción del material aislante expone parcialmente el conductor de cobre y, producto que se retiró la fuente de calor, no se generó la pirolización de la superficie en esa zona. La fotografía F-29 (corte transversal del conductor) muestra que en la zona donde no se produjo contracción térmica, el conductor permanece adherido (mecánicamente) al material aislante. Las flechas indican la generación de canales que, al tomar contacto con el conductor y la superficie del material aislante (cosa que no ocurrió en este caso), permiten la generación completa de “ventosas”, por las cuales se liberan los gases, facilitando el intercambio de oxígeno (F-16).
La fotografía F-30 muestra una leve decoloración amarillenta por efectos del calor.
La zona más obscura es producto de la incidencia de la luz del microscopio.
RESULTADOS POR ENSAYO
Se efectuaron cuatro ensayos en las condiciones descritas más arriba. En dos de ellos (N° 1 y N° 2), la fuente de calor es interna y proviene del conductor. En los otros dos, el calor proviene de una fuente externa (N° 3 y N° 4).
ENSAYO N° 1
Parámetros
- Temperatura generada en el conductor, a la cual se inicia la reacción del material: 234°C.
- Temperatura generada en el conductor, a la cual se finaliza la reacción del material: 250°C (en ensayos de control, se observa que sobre esa temperatura se inicia una descomposición más severa).
- Tiempo de exposición: No se registra[1].
Resultados
El primer estadio de degradación del material consiste en su contracción (en este caso, lineal). En razón de ello, se producen abultamientos de material en el sentido del eje del conductor. No obstante la contracción (desplazamiento longitudinal del material aislante por sobre el conductor), parte del material queda adherido al conductor. Es importante considerar que sobre 250°C el material pierde adherencia. La simple observación de este fenómeno y la comparación del daño del canal de alojamiento con el estado en que queda el resto del material aislante (hacia la superficie), permiten determinar desde dónde provino la fuente de calor.
1. En este ensayo, el objetivo es registrar la temperatura a la cual se produce la reacción inicial del material. La temperatura máxima aplicada dice relación al inicio de una fase más severa, independiente del tiempo transcurrido. ↑
ENSAYO N° 2
Parámetros
- Temperatura generada en el conductor, a la cual se produce la reacción del material (desprendimiento de humo y gases, afectación del material aislante en su parte externa, formación de ventosas y pirólisis de las zonas en contacto con el conductor): 340°C.
- Temperatura generada en el conductor, a la cual se finaliza el ensayo para evitar la destrucción total del espécimen: 680°C.
- Tiempo de exposición: No se registra[2].
Resultados
Se produce la pirolización completa del material aislante en contacto y más cercano al conductor. En algunos tramos, se observa el deterioro por pirólisis también en la parte externa del material aislante. El hallazgo más característico es la formación de “ventosas” en gran parte de la superficie. Estos orificios se forman cuando la presión de los gases que se generan por descomposición (al interior del material aislante) logra “penetrar” a través del aislante, lo que ocurre por la pérdida de resistencia mecánica a causa del calor que le afecta.
2. En este ensayo, el objetivo es registrar la temperatura a la cual se produce la reacción del material (desprendimiento de humo y gases, afectación del material aislante en su parte externa, formación de ventosas y pirólisis de las zonas en contacto con el conductor). La temperatura máxima aplicada dice relación al inicio de la fase de destrucción total del material, independiente del tiempo transcurrido.
ENSAYO N° 3
Parámetros
- Calor aplicado al material aislante del conductor (impacto de aire). Se produce la degradación del material aislante en términos de pirólisis al alcanzar 263°C (temperatura medida en el aire que impacta la superficie del material aislante).
- Temperatura aplicada al material aislante, a la cual se finaliza el ensayo para evitar la destrucción total del espécimen: 263°C.
- Tiempo de exposición: 9,66 seg.
Resultados
Se produce la pirolización de la superficie del material aislante. Dado el tiempo de exposición al calor, la degradación del material por pirólisis -aunque se produce rápidamente- es superficial. Si bien se inicia la formación muy incipiente e incompleta de ventosas, no existen en esta etapa canales de comunicación al interior del material.
ENSAYO N° 4
Parámetros
- Calor aplicado al material aislante del conductor mediante antorcha de gas propano. Se produce la degradación del material aislante en términos de pirólisis al alcanzar 230°C.
- Temperatura aplicada al material aislante, a la cual se finaliza el ensayo para evitar la destrucción total del espécimen: 230°C.
Resultados
Parte de la porción del aislante del conductor que recibió el contacto de llama se contrajo rápidamente. La porción del extremo izquierdo de la imagen F-25 muestra la superficie afectada por pirólisis con un aspecto similar al daño del Ensayo N° 3 (F-19 y F-20). Si se observa con detención el video del Ensayo N° 4, se aprecia que el impacto de llama fue similar a ambos lados (entendiendo por lado la porción de material aislante dividida por la termocupla del sensor de temperatura del equipo Sensotrak-60). No obstante, las fotografías F-25, F-26 y F-27 muestran una diferencia en la reacción del material aislante. Al observar el lado derecho superior de las imágenes F-25 y F-27, es posible notar que el material aislante contraído, que se muestra como una protuberancia, está también pirolizado en el exterior (ver F-27 Ampliación).
CONCLUSION
En el material aislante de un conductor, en este caso PVC, los patrones de daño se traducen principalmente en la degradación del material plástico (contracción en su mayoría lineal y pirólisis). Como en la mayor parte de los sólidos, la energía calórica a la que son expuestos (sólo para estos efectos, se hablará de temperatura) definirá en gran medida la intensidad del daño. No obstante, como ocurre en los demás casos, la variable tiempo de exposición resultará siempre determinante. En el Ensayo N° 4, por ejemplo, el calor aportado por la llama es constante. Sin embargo, la temperatura alcanzada a objeto de detectar el inicio del proceso de degradación fue solamente 230°C. La temperatura de la antorcha es mucho mayor; por lo tanto, la variable tiempo de exposición resulta gravitante y es un elemento distorsionador al momento de evaluar los daños en casi cualquier material sólido. En otras palabras, se puede generar un patrón de daño de cierta intensidad y extensión a una temperatura constante, variando solamente el tiempo de exposición. Esta aseveración, no obstante, es una verdad relativa que se debe analizar en detalle.
Como resulta natural, al analizar los patrones de daño por calor (en materiales sólidos), el nivel de destrucción del objeto en cuestión será directamente proporcional a la dificultad de obtener información de interés forense. Los aislantes de los conductores y los conductores propiamente tal no son la excepción. Teniendo en consideración lo anterior, dado el nivel de daño que presentan los especímenes de los Ensayos N° 1 y N° 2, es posible señalar que una observación simple por microscopía (40x) permitirá determinar en forma aproximada los rangos de temperatura a los que fueron expuestos; en este caso, no menos de 230°C ni más de 250°C.
Las fotografías F-5, F-6, F-7, F-9 y F-10 permiten concluir que ésta provino del conductor y por ende del interior del canal de alojamiento.
Cabe señalar que el hecho de determinar que el calor que afectó el material aislante de un conductor proviene del metal que lo constituye (Alambre o Cable) y, por tanto, se observa una afectación desde el interior del material aislante (canal de alojamiento) no implica que necesariamente se deba a la actividad eléctrica; en este caso, a una sobrecarga en el conductor. Se debe considerar que en un escenario de incendio, el tendido del circuito eléctrico, independiente de la causa del siniestro, puede verse expuesto al calor generado en el entorno o directamente al contacto con las llamas, lo que, por efecto de la transmisión de calor por conducción, generará patrones de daño desde la zona de canalización del material aislante hacia el exterior de éste.
Finalmente, un aspecto relevante a considerar en el deterioro del material aislante de un conductor es que el sobrecalentamiento prolongado, ya sea continuo o intermitente, por sobre los rangos normales de temperatura de operación, genera también cambios en las características del material aislante (degradaciones menores). Esto se observa más comúnmente en los conductores que forman parte de circuitos de tableros de distribución o alimentación. En un próximo artículo, se analizará la afectación de los aislantes por procesos de degradación de menor intensidad y la factibilidad de generarse arcos (en tendidos de 380V o más).
