© ABB Group June 8, 2015 | Slide 1 Transformadores secos Zaragoza Aluminium vs. Copper

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Transformadores secos ZaragozaAluminium vs. Copper


Índice

Base Histórica: ¿Por qué se usaba Cobre?

Próximo paso: ¿Por qué usar aluminio?

Razones comunes para elegir el material de los arrollamientos

Comparativa Cu / Al: Coeficiente de expansión de Conductores y Resina

Comparativa Cu / Al: Conductividad eléctrica

Comparativa Cu / Al: Capacidad calórica

Comparativa Cu / Al: Comportamiento mecánico bajo condiciones de cortocircuito

Comparativa Cu / Al: Tensiones térmicas bajo condiciones de cortocircuito

Arrollamientos con discos de hojas de aluminio: Resumen

Conclusiones


Antecedentes Históricos: ¿Por qué se usaba el Cobre?

Durante la 2º guerra mundial, el cobre (Cu) escaseaba y los fabricantes comenzaron a emplear Aluminio (Al) como una alternativa para la transmisión y distribución eléctrica.

Para transformadores, hasta hace 15 años, no existían fabricantes de cinta de Al, bandas ni cables.

No existían fabricantes especialistas en máquinas de bobinado.

Las bobinas de baja tensión tan solo se fabricaban en Aluminio.

Los fabricantes empleaban Los fabricantes empleaban Cu en la ATCu en la AT

Porque no existía Porque no existía otra otra opciónopción……


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Conclusiones


Próximo paso: ¿por qué usar aluminio?

El Aluminio es el segundo metal más abundante de la tierra, por ello no existen problemas de fabricación ni suministro.

Segunda densidad más baja.

Alta resistencia a la corrosión gracias a su capa protectora de aluminio.

Alta conductividad térmica y eléctrica.(Conductividad relativa mayor que en el cobre).

Precio bajo y estable.

……hasta que la opción apareció… hasta que la opción apareció… Varias razones condujeron al Varias razones condujeron al

cambiocambio


Comparativa Cu / Al

Razonamiento para la elección del Razonamiento para la elección del material de la bobinamaterial de la bobina

Coeficiente de expansiónCoeficiente de expansión

Conductividad eléctricaConductividad eléctrica

Capacidad caloríficaCapacidad calorífica

Comportamiento mecánico en Comportamiento mecánico en cortocircuitocortocircuito


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Conclusiones


Comparativa Cu / Al Razones comunes para elegir el material de los arrollamientos

1

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4

2

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5

Razones para la Elección Verdadero FalsoLos transformadores cuyas terminales son de aluminioson incompatibles con conexiones y los cables de cobreLa terminación y las conexiones son mayoresen los transformadores bobinados en aluminioLas conexiones a linea eléctrica y carga de los transformadores bobinados en cobre son más fiables que los bobinados en aluminioLos transformadores bobinados en aluminio son más ligeros que los equivalentes bobinados en cobreLos transformadores bobinados en aluminio tienen mayores pérdidasporque el cobre es mejor conductorLos transformadores bobinados en aluminio tienen mayores picos de temperatura porque la conductividad térmica del cobre es mejor que la del aluminioLos transformadores bobinados en cobre tienen un diseño más compactoque los equivalentes bobinados en aluminio


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Conclusiones


Comparativa Cu / Al Coeficiente de expansión de Conductores y Resina

Coeficiente de expansión de Aluminio 23( ºCx10-6 a 20ºC) Coeficiente de expansión de Cobre 16.6 (ºCx10-6 a 20ºC) Coeficiente de expansión de Resina 34(ºCx10-6 a 20ºC)

El aluminio tiene una expansión de una tercera parte más que el cobre. Existe el pensamiento de que ello crea problemas con las conexiones de

tornillería. Usando un dispositivo de apriete apropiado las terminaciones de aluminio son iguales que las del cobre.

Hexagonal Bolt DIN 933

Spring Waser DIN 6796

Busbar

Plain Waser DIN 7349

Hexagonal nut DIN 934

Primera ConclusionPrimera Conclusion::

Soluciones Soluciones adecuadas para adecuadas para

las terminales de las terminales de Aluminio con Aluminio con

conexiones de conexiones de cables de Cucables de Cu


Comparativa Cu / Al Coeficiente de expansión de Conductores y Resina

Punto crítico: La expansión térmica motivada por gradientes de temperatura, produce tensiones mecánicas en los sistemas compuestos por diferentes materiales, como ocurre en las bobinas de alta tensión.

Debido al proceso de fabricación, estas tensiones son críticas tras la etapa de encapsulado de los materiales en el momento de curado.

Cuanto más similares sean los coeficientes de expansión térmica menores son las tensiones mecánicas.

Segunda Conclusion:Segunda Conclusion: Los esfuerzos mecánicos en la resina son más bajos para las bobinas de

aluminio.


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Conclusiones


Comparativa Cu / Al Conductividad eléctrica

Aluminio (Al): 36.6 106 -¹m-¹

Cobre (Cu): 59.6 106 -¹m-¹

El Aluminio tiene solo un 61% de conductividad en cobre, Entonces…¿mayores pérdidas?

Para dos transformadores idénticos (misma resistencia de arrollamientos y misma longitud) (A / Vueltas), la sección de conducto será la inversa a la de la conductividad eléctrica.

+

-ConclusionesConclusiones:: El incrementos de la sección del conductor implica que el resultado en pérdidas de energía sea el mismo. Comparación en costes: Menores pérdidas en carga resultan más económicas con bobinas de aluminio.

Esta sección sería…

RCu = LCu/SCu x Cu ;RAl = LAl /SAl x Al

SAl /SCu = Cu / Al = 59.6/36.6 = 1,63

SAl = 1,63 SCu


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Conclusiones


Comparativa Cu / Al Capacidad calórica

Calor específico - Aluminio (cAl): 0.220 cal/gºCCalor específico - Cobre (cCu): 0.092 cal/gºC

Un diseño en aluminio es 0.488 veces el del cobre:

Capacidad calorífica Al = MAl x cAl ; Capacidad calorífica Cu = MCu x cCu

Capacidad calorífica Al / Capacidad calorífica Cu = (MAl / Mcu) x (cAl / cCu) =

= 0,488 x (0,220/0,092) = 1,167

16,7% más alto en Al.

ConclusionesConclusiones:: Las bobinas de aluminio resisten mejor picos y sobrecargas de corriente.

Mejor comportamiento térmico bajo condiciones de cortocircuitos en el caso del aluminio.

Los materiales aislantes tienen mayor ciclo de vida.


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Conclusiones


Comparativa Cu / Al Comportamiento mecánico bajo condiciones de cortocircuito

Punto crítico: Localizado en la baja tensión.

Bobinas de alta tensión: No sufren esfuerzos mecánicos en cortocircuito debido al refuerzo de la resina epoxi.

En una simulación de ensayo tipo viga, considerando que la conductividad del aluminio es 63% de cobre y desde momentos de inercia.

Curva de presión: = Mxt / 2I

ConclusionesConclusiones:: El aluminio es una alternativa muy segura en comparación con el cobre, con

respecto a las tensiones mecánicas bajo condiciones de corto circuito.

De acuerdo con esto, la curva de tensiones/esfuerzos para conductores de aluminio es 2.54 veces más baja que el de los conductores de cobre.

Aluminio Al = 2.34 M / t

Cobre Cu = 6M / t


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Conclusiones


Comparación Cu / Al Tensiones térmicas bajo condiciones de cortocircuito

Punto crítico: Localizados en la baja tensión.

Bajo condiciones de cortocircuito, la densidad de corriente en las bobinas de B.T se incrementa varias veces de manera inversa a la impedancia de la tensión por unidad, asumida la impedancia de la red como cero.

Como marca la norma IEC, la temperatura en cortocircuito está calculada con la siguiente fórmula:

ConclusiónesConclusiónes::Para las mismas pérdidas, el comportamiento de los arrollamientos de aluminio es más seguro que en los de cobre, frente a las tensiones térmicas producidas por un cortocircuito.


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Conclusiones


Arrollamientos con discos de hojas de aluminio Resumen

Diseño simple y seguro.

Distancia de aislamiento fácil de mantener.

Menores esfuerzos mecánicos debidos a diferencias de voltaje.

La expansión sísmica del Al y la resina es muy similar, por lo que se registran tensiones mínimas.

A una conductividad equivalente el diseño del peso del Al es más ligero. Esto es muy útil para aquellos transformadores que se instalan en edificios o lugares con accesibilidad limitada.

Los arrollamientos en aluminio son más compactos: Mejor comportamiento ante cortocircuitos.


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Conclusiones


Conclusiones Las bobinas de Al tienen las siguientes ventajas

Mejor comportamiento térmico y dinámico a los cortocircuitos en los arrollamientos de aluminio.

Los arrollamientos de aluminio soportan mejor los aumentos y sobrecargas.

Materiales aislantes con mayor ciclo de vida.

Diseño mecánico más fuerte

Precios más bajos.

Este es el estándar de ABB ZaragozaEste es el estándar de ABB Zaragoza……apuesta por élapuesta por él!!!!

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