Comparativo del diseño de cables “UL vs IEC”

Edwin W. Márquez
Gerente de Ingeniería en Southwire Company
Ingeniero Eléctrico
Instituto Politécnico Nacional (IPN)
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME – Zacatenco)
Correo electrónico: edwin.marquez@southwire.com

Resumen – este documento presenta las principales diferencias en el diseño de cables de energía utilizando las normas UL e IEC.

¿Que son las normas?

Las normas son documentos técnicos que incluyen los pasos detallados para la fabricación de productos, especificaciones que deben cumplir los productos y las pruebas que se deben aplicar al producto final para garantizar la seguridad del usuario. La normalización solo es una parte del proceso donde también se debe tener interacción con las regulaciones locales, internacionales y un proceso definido para la evaluación de la conformidad; con esto se puede tener un proceso completo que garantice que los productos son seguros.

Organizaciones de Normalización

Existen dos grandes organizaciones a nivel mundial con fuerte presencia respecto a normalización:

• UL – Underwriters Laboratories
• Illinois EUA,

• IEC – International Electrotechnical Commission
• Ginebra Suiza,

Figura 1 – Logos de UL e IEC

Principales Normas UL para Cables de Energía

• UL 83 Thermoplastic insulated wires and cables
• UL 44 Thermoset insulated wires and cables
• UL 1277 Electrical Power and Control Cable
• UL 1569 Metal-Clad Cables
• UL 1072 Medium-Voltage Power Cables

Las normas UL 83, UL 44, UL 1277 y UL 1569 son para cables diseñados para baja tensión o para tensión de operación menor a 2.4 kV. La norma UL 1072 es para cables de media tensión es decir para cables con tensiones de operación mayores de 2.4 kV y hasta 35 kV.

Figura 2 – Normas UL

En las normas UL los conductores son diseñados en AWG o kcmil, pero también se incluye información correspondiente en mm², se incluye información acerca del numero de alambres que deben incluir los conductores y el paso de cableado.

Figura 3 – Información de la formación del conductor en las normas UL

Denominaciones de cables fabricados de acuerdo con normas UL

Para instalaciones residenciales y comerciales

• THHN/THWN
• THW/THHW
• THW/THHW – LS –

Los más usados para instalaciones industriales, pero no los únicos.

• THHN/THWN
• XHHW-2
• RHH/RHW

Figura 4 – Cable tipo XHHW-2 de acuerdo con UL 44

Principales Normas IEC para Cables de Energía

Las principales normas IEC utilizadas en el diseño de cables de energía son:

• IEC 60502-1 Cables for rated voltages of 1 kV (Um = 1,2 kV) and 3 kV (Um = 3,6 kV)
• IEC 60502-2 Cables for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)
• IEC 60228 Conductors of insulated cables

Figura 5 – Normas IEC

Los cables diseñados bajo normas IEC siguen tamaños de cables o secciones en mm² y existen símbolos con letras para identificar el grado de flexibilidad, como, por ejemplo:

Clase 1: conductor rígido de un solo alambre (símbolo -U)

Clase 2: conductor rígido de varios alambres cableados (símbolo -R)

Clase 5: conductor flexible de varios alambres finos no apto para usos móviles (símbolo -K) y apto para usos móviles (símbolo -F)

El diseño del conductor esta basado en normas IEC, es imperativo cumplir con los valores máximos permitidos de resistencia eléctrica indicados en la norma IEC 60228.

Figura 6 – Requerimientos del conductor incluidos en la norma IEC 60228

Algunas de las denominaciones de cables fabricados de acuerdo con normas IEC

Instalaciones viviendas, locales comerciales y oficinas

• H07V-U o H07V-R
• H07V-K

Instalaciones Industriales

• RV-K
• RV-U

Figura 7 – Cable tipo H07V-U y H07V-R diseñado de acuerdo con la norma IEC 60502-1

“Comparativo del diseño de cables UL vs IEC”

Los cables electricos básicamente se componen de dos elementos el conductor y el aislamiento.

Conductor

La principal función del conductor en los cables eléctricos es la de transmitir la corriente eléctrica en amperes basada en el movimiento del flujo de electrones. Los cables bajo normas UL son diseñados en AWG o kcmil y los cables IEC son designados en mm².

Las normas UL e IEC indican que no existe relación o correspondencia entre los calibres de cables diseñados en AWG/kcmil con los diseñados en mm². Las normas UL incluyen información en referencia a los calibres más cercanos en mm^2, pero no indican o reconocen equivalencia. La norma IEC 60228 indica claramente que el comité IEC TC 20 no prescribe cables en calibres de AWG o kcmil.

Figura 8 – Información en las normas UL e IEC respecto a las designaciones AWG/kcmil o mm²

La figura 9 muestra los valores de resistencia eléctrica de los conductores de cobre cuando son fabricados de acuerdo con las normas UL 44 e IEC 60228. En este caso los conductores fabricados de acuerdo con UL contienen mayor cantidad de cobre lo que significa menor resistencia eléctrica.

Figura 9 – Valores de resistencia eléctrica para cables diseñados de acuerdo con UL 44 e IEC 60228, UL con mayor área de cobre

En la figura 10 se muestras los valores de resistencia eléctrica de los conductores de cobre fabricados de acuerdo con las normas UL 44 e IEC 60228, pero con IEC teniendo mayor cantidad de área lo que significa tener valores de resistencia eléctrica menores con IEC.

Figura 10 – Valores de resistencia eléctrica para cables diseñados de acuerdo con UL 44 e IEC 60228, IEC con mayor área de cobre

En ambas graficas de las figuras 9 y 10se observa que no existe una equivalencia directa entre los valores de resistencia eléctrica de los cables en AWG/kcmil con los diseñados en mm2, por lo cual hacer una conversión directa de cables AWG/kcmil a mm² involucra un riesgo elevado y debe ser revisado a detalle por un ingeniero que conozca las necesidades de carga eléctrica del sistema. Incluso en valores donde se puede observar que las líneas se sobreponen con valores equivalentes al hacer zoom en la gráfica con detalle profundo nunca se sobreponen las líneas.

Aislamiento

La función principal del aislamiento es confinar el campo eléctrico dentro del cable y evitar corrientes circulantes en la superficie del cable que puedan ser peligrosas para usuarios u operadores. En la figura 11 se observan los espesores de aislamientos que deben cumplir los cables cuando son fabricados con aislamiento termoplástico bajo las normas UL 83 THW y THHN para 600 V, así como para IEC con PVC de 0.6/1kV e IEC con PVC 1.8/3kV. Se observa que los cables tipo THW de calibres de 300 kcmil (150 mm²) y mayores tienen un espesor mayor de aislamiento que incluso los diseñados bajo IEC para 1.8/3kV. Los cables con menor espesor de aislamiento son los tipos THHN, pero esto es debido a que la capa de nylon que incluyen estos cables no está considerada para fines de esta grafica.

Figura 11 – Espesores de aislamiento para cables de baja tensión UL 83 e IEC 60502-1

Para los cables diseñados con aislamiento termofijos en UL se utiliza la norma UL 44 para cables tipo XHHW-2 de 600 V. Para IEC es la norma 60502-1 para cables de 0.6/1 kV. Los cables diseñados bajo UL hasta secciones de 800 kcmil (400 mm²) el espesor de aislamiento siempre es mucho mayor al de IEC como se observa en la figura 12; es decir aun cuando los cables UL están diseñados para operar a 600 V y los IEC hasta 1 kV, los espesores de aislamiento de los cables diseñados de acuerdo con UL son mayores.

Figura 12 – Espesores de aislamiento para cables de baja tensión UL 44 e IEC 60502-1

Continuando con los cables con aislamiento termofijo, pero para tensiones superiores de 1 kV, la figura 13 nos muestra que los cables tipo RHH, RHW y RHW-2 para 600 V y 2 kV incluyen un espesor de aislamiento superior a los de IEC para 1 kV o 3 kV, únicamente para cables con secciones menores de 50 mm² los cables IEC para 3 kV tiene un espesor de aislamiento más grueso.

Figura 13 – Espesores de aislamiento para cables de baja tensión UL 44 e IEC 60502-1 para voltajes mayores a 1000 V

Para los cables de media tensión de 15 kV de acuerdo con UL 1072 los espesores de aislamiento se definen en función del nivel de aislamiento 100% o 133% y también está determinado por el tiempo de operación del sistema para liberación de falla y el método de aterrizamiento del mismo. Para IEC existen tres tipos de categorías, pero el espesor de aislamiento es el mismo.

Los cables de media tensión de IEC se designan en función del voltaje de fase a tierra y el voltaje entre fases por ejemplo 8.7/15kV, el numero 8.7 significa el voltaje de fase a tierra y 15 es el voltaje entre líneas.

En la figura 14 se puede observar que los espesores de aislamiento de los cables IEC 8.7/15kV son un poco superiores que los cables UL 15 kV 100% pero inferiores a los cables UL 15 kV 133%.

Figura 14 – Espesores de aislamiento para cables de media tensión 15 kV

Para los cables de UL 35 kV existen los mismos dos niveles de aislamiento 100% y 133%, pero el diseño de IEC más cercano son los designados para operar a 18/30kV, es decir con voltaje de operación entre líneas de 30 kV. En este caso si se hace una equivalencia o correspondencia el espesor de aislamiento de IEC 18/30 kV es inferior a los cables UL 35 kV 100% y UL 35 kV 133% como se ve en la figura 15.

Figura 15 – Espesores de aislamiento para cables de media tensión 35 kV

CONCLUSION:

Basados en lo que hemos observado podemos concluir que no existe una relación o equivalencia directa entre cables con calibres AWG/kcmil con cables diseñados en mm², incluso las mismas normas de producto de cables no reconocen estas equivalencias. Revisando los espesores de aislamientos de los cables también observamos que no hay equivalencia entre lo indicado en las normas UL con lo indicado en las normas IEC.

Otro punto importante que se debe considerar es que si el ingeniero eléctrico está diseñado usando como referencia el código eléctrico NEC (National Electrical Code) se recomienda ampliamente usar productos UL; pero si está realizando el diseño de acuerdo con IEC 60364 se recomienda usar productos IEC; lo más importante es evitar mezclar por ejemplo diseñar de acuerdo con NEC y usar productos IEC o diseñar bajo IEC y usar productos UL.

Existen otras variables que influyen en los diseños de los cables como el tipo de material conductor cobre o aluminio, el tipo de compuestos usados en aislamientos y cubiertas o las armaduras, así como también las pruebas que se deben cumplir de rutina, calificación y diseño, los procesos de manufactura, etc. Ambos diseños de cables son seguros solo se recomienda evitar mezclar los tipos de normas y códigos eléctricos.

Referencias:

1. NFPA 70, Código Eléctrico Nacional, 2017
2. UL 83 Thermoplastic insulated wires and cables
3. UL 44 Thermoset insulated wires and cables
4. UL 1072 Medium-Voltage Power Cables
5. IEC  60364 Instalaciones eléctricas de baja tensión
6. IEC 60502-1 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV(Um = 36 kV) – Part 1: Cables for rated voltages of 1 kV (Um = 1,2 kV) and 3 kV (Um = 3,6 kV)
7. IEC 60502-2 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV) – Part 2: Cables for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)
8. http://industrial.southwire.com/en/
9. https://www.ul.com/
10. www.iec.ch