Seguridad en transformadores de distribución
5.ª Parte
Quinta parte Bobinados de aluminio en transformadores transform adores de distribución
E
l insuficiente desarrollo técnico de las aleaciones de aluminio, así como la deficiente tecnología en la soldadura de este metal, determinó inicialmente el uso del cobre en los bobinados de transformadores.
Sin embargo, durante la Primera Guerra Mundial (1914-1918), y ante las grandes dificultades para obtener cobre, se comenzó a utilizar el aluminio para la construcción de los bobinados de algunos transformadores, medida que, por el mismo motivo, se intensificó mucho durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Fue el imperativo de la escasez, en unas situaciones de guerra, el que precipitó e impuso la sustitución del cobre por el aluminio en la construcción de transformadores y en otros campos de la electrotecnia, pero la realidad es que ya para entonces se sentía la necesidad de poder utilizar a escala industrial como conductor eléctrico un substitutivo del cobre, debido principalmente a la inestabilidad del precio de este metal, que por ser de especial aplicación para usos militares, está supeditado a que su cotización en las bolsas mundiales experimente muy grandes oscilaciones en cuanto se produce un conflicto bélico o, simplemente, una situación política tensa. La necesidad de sustituir el cobre por otro metal más abundante y de precio más estable, impulsó el desarrollo de la tecnología de las aleaciones de aluminio, así como la técnica de su soldadura, haciendo de este metal el más idóneo para la fabricación de transformadores, por reunir el conjunto de características mecánico-eléctricas óptimas en relación a su coste y garantía de suministro. En el año 1950 el aluminio comenzó su evolución como conductor para la fabricación de transformadores eléctricos. Puede decirse que en Norteamérica el 95 % de la producción de transformadores de distribución se realiza con bobinados de aluminio, y únicamente conserva el empleo del cobre en aquellos casos de transformadores de pequeña potencia, en los que la reducida dimensión del diámetro del hilo impide el uso del aluminio. También en Europa tanto los fabricantes franceses, alemanes, italianos y suizos, como los de los países nórdicos, construyen por regla general, transformadores con bobinados en aluminio En España, General Eléctrica Española, Westinghouse (Cenemesa), Siemens, etc. construyeron los primeros transformadores en aluminio, durante los años de la Guerra Civil (1936-1939), debido a las dificultades en la adquisición del cobre. cobre. La fabricación en España del transformatransformador de distribución con bobinado en aluminio comienza a normalizarse a partir del año 1972, desde entonces miles de transformadores han sido manufacturados para el mercado de la exportación y para el mercado nacional.
El aluminio en los transformadores de distribución El diseño y proyecto de un transformador evidentemente viene condicionado por una serie de características técnicas que que debe cumplir: cumplir: potencia, relación relación de transformación, transformación, pérdidas inintensidad de vacío, impedancia, etc., siendo en definitiva los factores determinantes del dimensionamiento de los bobinados bien las exigencias térmicas o bien las solicitaciones dinámicas. MERLIN GERIN
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En aquellas ocasiones en que las solicitaciones dinámicas son el factor determinante del dimensionamiento de los bobinados, se utiliza en la fabricación de éstos una aleación especial de aluminio de características mucho más elevadas de cuyas propiedades se derivan otras ventajas, entre las que destacan, su límite de elasticidad que es tres veces superior al del aluminio electrolítico normal.
PROPIEDADES FÍSICAS En la tabla siguiente se comparan las principales características mecánico-eléctricas del aluminio electrolítico normal, del aluminio especial y del cobre electrolítico, utilizados como conductores para la fabricación de bobinados de transformadores. Esta diferencia de características conduce a dos realidades importantísimas: Los transformadores con bobinados de aluminio exigen un proyecto especial, totalmente diferente al de los transformadores con bobinados de cobre.
Los transformadores con bobinados de aluminio presentan unas ventajas indudables sobre los bobinados de cobre. c
PROPIEDADES FÍSICAS AL - CU MAGNITUD
Unidad
Límite de elasticidad (alargamiento Permanente = 0,2%)......................................... Pérdida del límite elástico a 180 ºC................ Resistencia a la tracción (límite de rotura)--. Pérdida del límite de rotura a 180 ºC............. Envejecimiento en 100 horas a 150 ºC (cambio de valor del límite de rotura)........... Conductividad eléctrica a 20 ºC...................... Coeficiente de temperatura de la resistividad a 20 ºC...............................................................
Aluminio electrolítico normal
Aluminio especial
Cobre electrolítico
kg/mm % kg/mm2 % -1
2,5 - 3 17 7 15
7 - 10 1,5 9 - 13 3
11 - 12 0,5 20 - 23 0,2
% m/Ω mm
10 36
0 35,4
0 57
ºC
0,004
0,004
0,0039
Conductividad térmica....................................
cal/ cm ºC seg
0,570
0,570
0,941
Temperatura de fusión...................................... Calor específico................................................. Peso específico...................................................
ºC cal / g ºC kg/dm3
655 0,220 2,7
658 0,220 2,7
1,083 0,092 8,9
LA BANDA DE ALUMINIO Una de las grandes oportunidades que ofrece el aluminio al fabricante de transformadores de distribución, es la posibilidad de realizar el bobinado de Baja Tensión con banda de aluminio, con las extraordinarias ventajas que de la misma se derivan. En la figura 2 se ve claramente la disposición esquemática de los conductores elementales en tres tipos de bobinados: H - Bobinado clásico de hilo, de muchas espiras por capa. P - Bobinado clásico de pletina, de múltiples espiras por capa. B - Bobinado de banda de aluminio, de una sola espira por capa.
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El bobinado de banda de aluminio consiste en el arrollamiento simultáneo sobre sí mismos de una lámina de aluminio del ancho de la propia bobina y el papel aislante correspondiente, de jando los canales necesarios para la circulación del líquido refrigerante, de lo que resulta una bobina de una espira por capa, extremadamente robusta, de gran compaticidad y con un mejor aprovechamiento del espacio ocupado por el conductor que compensa en parte el mayor volumen que tiene el bobinado de aluminio respecto al de cobre.
Bobinados clásicos de hilo (H), pletina (P) y bobinado en banda de aluminio (B) a
b
P
a=b
B
VENTAJAS DE LOS TRANSFORMADORES DE ALUMINIO Los transformadores construidos con bobinados de aluminio, además de poder proporcionar las mismas características eléctricas y de servicio que los de bobinados en cobre, presentan una serie de ventajas, que se traducen en un mejor comportamiento ante situaciones anormales y mayor duración de vida. Estas ventajas proceden de dos orígenes distintos:
POR SER LOS BOBINADOS DE ALUMINIO 1.º Mejor comportamiento térmico en caso de sobrecargas o cortocircuito. A igualdad de características y garantías técnicas, y debido al mayor calor específico del aluminio y a su menor conductividad, se cumple siempre que:
Masa Al . Calor espec. Al > Masa Cu . Calor espec. Cu lo que significa que la capacidad calorífica de un bobinado de aluminio es siempre superior a la de un bobinado de cobre del transformador equivalente, y lo es en un 17% aproximadamente, como se demuestra mediante este sencillo cálculo: Sean dos transformadores equivalentes, uno con bobinado de aluminio y otro con bobinado de cobre, que proporcionen, por tanto, la misma potencia, relación de transformación, pérdidas en vacío, pérdidas en carga, tensión de cortocircuito, etc.
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Esto implica que la resistencia de los bobinados será igual, que la longitud del conductor será la misma (para mantener los mismos amperios-vuelta) y, como consecuencia, las secciones de ambos bobinados deberán ser inversamente proporcionales a las conductividades respectivas del Al y del Cu, o sea, que:
S Al
Conduc.Cu
=
=
Conduc.Al
S Cu
57
=
35,4
1,61
Las masas de los bobinados son, respectivamente:
Masa Al = LAl . SAl . δAl Masa Cu = LCu . SCu .δCu y su relación será:
Masa Al
=
Masa Cu
S Al S Cu
⋅
δ Al
=
δ Cu
1 ,61 ×
2,7 8 ,9
=
0 ,488
Es decir, que la masa del bobinado de aluminio es, aproximadamente, la mitad de la masa del bobinado de cobre del transformador equivalente :
Masa aluminio ≈ 0,5 × Masa cobre La capacidad calorífica de un bobinado es igual a su masa multiplicada por el calor específico del metal utilizado como conductor para su elaboración. Por tanto:
Capacidad cal. bobinado Al = Masa Al × calor espec. Al Capacidad cal. bobinado Cu = Masa Cu × calor espec. Cu y su relación será:
Capac . calor.BobinadoAl Capac .calor.BobinadoCu
=
Masa Al Masa Cu
×
0 ,220 0 ,09 2
=
0 ,488 × 2 ,39
=
1, 167
Lo que quiere decir que la capacidad calorífica de un bobinado de aluminio es, aproximadamente, un 17% superior a la capacidad calorífica del bobinado de cobre del transformador equivalente:
Capacidad calorífica del bobinado aluminio ≈ 1,17 bobinado cobre Esto hace que los bobinados de aluminio resistan más tiempo la corriente de cortocircuito o cualquier sobrecarga transitoria, antes de alcanzar una temperatura peligrosa para el aislamiento.
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El gráfico de la figura 3 aclara esta idea sobre el comportamiento térmico de los transformadores de aluminio. Trazando las dos curvas que representan el calentamiento de los bobinados de cobre y de aluminio, respectivamente, en una situación de cortocircuito, se observa que:
Cuando dispara el interruptor, la temperatura alcanzada por el bobinado de aluminio es menor que la del bobinado de cobre. c
Figura 3 Si el interruptor no actuase por un fallo del sistema de protección, se alcanzaría antes en el bobinado de cobre la temperatura de ignición de los aislamientos que destruye el transformador . c
2.º Mejor comportamiento dinámico en caso de cortocircuito Dada la menor conductividad del aluminio respecto al cobre la sección del conductor del aluminio, y por tanto sus dimensiones, son considerablemente superiores que cuando se utiliza cobre, y ello conduce a módulos resistentes muy superiores, proporcionales al cubo de la relación de dimensiones, que compensan ampliamente el menor límite elástico del aluminio respecto del cobre, ofreciendo por ello los conductores de aluminio muy superior resistencia a los esfuerzos radiales y axiales derivados de un cortocircuito. Efectivamente, suponiendo como hemos hecho al estudiar el comportamiento térmico, dos transformadores equivalentes, con bobinados de aluminio y de cobre respectivamente, y admitiendo que las secciones del conductor son semejantes para poder realizar el estudio comparativo, se tiene que:
a b
a
Al
=
a' b'
Cu a’ b’
b Aluminio Al 99,5
Cobre
Sección................... Conductividad.........
S Al = a. b C Al = 35,4
SCu = a’ . b’ CCu = 57
Módulo resistente....
R Al =
1 6
a ⋅b2
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RCu
=
1 6
a'⋅b' 2
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La relación entre módulos es, por lo tanto,
1 R cu
6 1 a.b 6
=
R Al
2
a'.b'
a'.b'
=
a.b
2
2 2
y siendo semejantes las dos secciones, resulta que:
r =
a’ b’ a
=
b
=→
Rcu R Al
=
3
r
(1)
Por otra parte, las secciones de conductor son inversamente proporcionales a las conductividades respectivas, es decir:
S Al
=
Scu
a. b
=
1 2
=
a' . b' r
1
C cu
→
C Al
r = C Al /C cu
2
y substituyendo en (1) obtenemos:
Rcu
3
=
R Al
C Al /C cu
2
Cuando se produce el cortocircuito se origina un momento flector M, que actúa sobre el conductor, desarrollando un esfuerzo máximo de trabajo σ l, función de las dimensiones del conductor, cumpliéndose: σ
l (esfuerzo de trabajo) =
M (Momento flector) R (Módulo resistente)
Estableciendo la relación en ambos casos, resulta:
M σ σ
l Al l
Cu
R Al = M
=
RCu R Al
3
=
[ C Al / C Cu ]
2
RCu lo que quiere decir que para una determinada situación de cortocircuito, los esfuerzos a que trabajan los conductores, según sea el bobinado de cobre o de aluminio, están en la misma relación que sus conductividades elevadas a 3/2.
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Comparación numérica:
Límite de elasticidad........... Conductividad......
Aluminio electrolítico normal
Aluminio 99,5
3 36
10 35,4
Cobre electrolítico
12 57
3
σl Al 99 .5 σ l Al
=
σlCu
normal =
×
σ l Cu
35.4/57 ×
2 =
36 / 57
σl Cu
3 2 =
×
σ l cu
0,489 ×
0 , 502
Teniendo en cuenta los valores absolutos del límite de elasticidad se llega a la conclusión de que, si se quiere que el conductor de aluminio trabaje en condiciones no inferiores a las del conductor de cobre desde el punto de vista de los esfuerzos dinámicos, utilizando aluminio 99,5 no hace falta sobredimensionarlo pero sí, en cambio, si se empleara el aluminio electrolítico normal. Efectivamente, suponiendo que la σ l del cobre fuera la correspondiente al limite elástico, la que obtendríamos en el aluminio seria:
l
σ
Límites de elasticidad
σ
lAl99.5
σ
l A lnormal
=
σ
=
l má σ
× xcu .
l m á
0 , 489
× xcu .
=
0 ,502
12 × 0 , 489 =
=
12 × 0 ,502
5,87 =
<
6 ,02
10 >
3
lo que nos indica que el conductor de aluminio 99,5 trabaja muy por debajo de su límite elástico, debiendo por el contrario sobredimensionarse los bobinados si se utiliza el aluminio normal. La conclusión que a que nos conduce este análisis numérico es que si partimos de un proyecto básico en cobre, al plantear su conversión a proyecto en aluminio, automáticamente y por las exigencias térmicas, la sección del conductor se incrementa en 1,6 veces aproximadamente, y a partir de este momento, el condicionamiento dinámico impone la selección del tipo de aluminio, existiendo un valor crítico del esfuerzo de trabajo, σl, a partir del cual hemos de acudir al aluminio 99,5, para evitar la necesidad de un nuevo sobredimensionamiento del conductor, que elevaría el coste del transformador. Por otro lado, el mayor dimensionamiento del conductor de aluminio, hace que tenga una mayor superficie de contacto con la capa de aislamiento sobre la que se apoya, con lo que se obtiene, por causa de la adherencia, una resistencia al deslizamiento de las espiras en sentido axial muy superior a la de un bobinado de cobre equivalente.
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Menor envejecimiento de los aislamientos: más larga vida
Las Normas internacionales de construcción de transformadores, CEI, AINSI, etc., señalan como temperatura máxima transitoria alcanzable por el conductor en caso de cortocircuito, 200 ºC para el aluminio y 250 ºC para el cobre. Esta limitación de temperatura, y la mayor capacidad calorífica de los bobinados de aluminio, favorece un menor envejecimiento de los aislamientos, que son los que determinan la vida del transformador, por lo que puede afirmarFigura 4 se rotundamente que, en igualdad de circunstancias, la vida de un transformador con bobinados de aluminio es más dilatada que la de otro equivalente con bobinados de cobre. c
Menor envejecimiento del aceite
El aluminio no tiene efecto catalítico sobre el aceite, es decir, que no reacciona químicamente con él, como lo hace el cobre, Por lo que el envejecimiento del aceite es más lento, reduciéndose los gastos de entretenimiento y conservación.
Por la posibilidad de fabricar los bobinados de baja tensión con banda en lugar de pletina c
Mayor robustez mecánica
La propia forma constructiva descrita evidencia su extraordinaria robustez mecánica, muy superior a la de un bobinado clásico de conductor en hélice. c
Mejor comportamiento ante los esfuerzos axiales de cortocircuito
En el bobinado de banda, los esfuerzos axiales derivados de un cortocircuito quedan minimizados por la perfecta compensación de los amperios/vuelta que se consigue al poder enfrentar, a cada espira de AT, una espira ideal de BT en la masa continua de la banda y, además, tales esfuerzos son absorbidos por la propia cohesión del material, lo que no puede ocurrir con el bobinado de conductor en hélice. La consecuencia es que no hay desplazamiento axial de la bobina en el cortocircuito.
Figura 5 46
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Ausencia de puntos calientes en el bobinado
Las espiras superpuestas tienen una gran superficie de contacto mutuo a través de un aislamiento delgado, que tan sólo ha de soportar la tensión por espira, lo que proporciona una rápida evacuación de calor en sentido radial, evitándose totalmente la producción de puntos calientes en su interior. Esta condición contribuye también a retardar la elevación de temperatura durante los regímenes de cortocircuito. c
El aluminio no tiene efecto catalítico sobre el aceite
Es decir, que no reacciona químicamente con el, como lo hace el cobre, Por lo que el envejecimiento del aceite es más lento, reduciendo aún más los gastos de entretenimiento y conservación.
EL ALUMINIO EN TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS En el caso de los transformadores secos encapsulados con resina epoxi, se observa igualmente que las diferencias de dilatación térmica entre los sistemas de recubrimiento y el aluminio (véase tabla inferior) son siempre menores que con relación al cobre, por lo que se reducirán proporcionalmente a dichas diferencias los esfuerzos internos producidos por la variaciones de temperatura motivadas por el ambiente, sobrecargas o cortocircuitos (véase Ensayos climáticos: Choque térmico), evitándose al mismo tiempo la formación de fisuras en el seno del material aislante y, por lo tanto, la generación de descargas parciales que degenerarían en la destrucción prematura del transformador .
Coeficientes de dilatación en mm/m/k 10 -6 Sistema de recubrimiento Trihal (alúmina trihidratada) Conductor de aluminio Conductor de cobre Resina epoxi + endurecedor sin carga c
40 24 16 80
Menores esfuerzos debidos a la dilatación térmica en los sistemas de recubrimiento
de los transformadores secos encapsulados al utilizar el aluminio Obsérvese cómo en este caso, la alúmina trihidratada (componente fundamental del recubrimiento aislante e ignífugo del transformador Trihal), ocupa el lugar preferente ya que ambos materiales (alumina-aluminio) tienen los coeficientes de dilatación más parecidos, efectivamente, ambos son materiales de la misma composición.
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ANEXO Separata correspondiente a uno de los Ensayos climáticos realizados sobre un transformador seco encapsulado Trihal (*) en los Laboratorios KEMA
Choque térmico Laboratorio K EMA en Holanda Protocolo de ensayo n.º 31882.00-HSL 94-1259
Modalidades de ensayo Las bobinas del transformador Trihal han sido introducidas alternativamente en dos cubas, una conteniendo agua hirviendo > 96 ºC, y otra conteniendo agua helada < 5 ºC. La operación ha sido repetida 3 veces. Cada inmersión ha durado 2 horas. El paso de una cuba a otra se ha realizado en menos de 2 minutos. Foto KEMA
Evaluación de los resultados El transformador Trihal ha superado con éxito un examen visual seguido de los ensayos dieléctricos (ensayos de resistencia a la tensión aplicada y a la tensión inducida al 75% de los valores normalizados) y las medidas de las descargas parciales. El nivel de descargas parciales es determinante para la duración de vida de un transformador seco encapsulado. Los niveles máximos impuestos por las distintas normas europeas las sitúan entre los 20 y 50 pC. La medida realizada en el transformador Trihal después de este ensayo ha dado como resultado < 1 pC. Foto KEMA
Durante los ensayos dieléctricos, no se han producido contorneamientos ni desperfecto alguno.
(*) Trihal, marca registrada por France Transfo (Schneider Electric).
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