Bobinas de alumínio em transformadores 1

www.koeeng.com.br Juarez Koehler (22 out 2015)

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Bobinas de alumínio em transformadores1 O desenvolvimento técnico insuficiente das ligas de alumínio, assim como a tecnologia deficiente na soldagem deste metal, determinou inicialmente o uso somente de cobre nas bobinas dos transformadores. Contudo, durante a Primera Guerra Mundial (1914-1918), e frente as grandes dificuldades de obtenção de cobre, iniciou-se o uso de alumínio para a fabricação das bobinas de alguns transformadores, medida que, pelo mesmo motivo, se intensificou muito durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945).

Foi o imperativo da escassez, nas situações de guerra, o que precipitou e impulsionou a substituição do cobre por alumínio na fabricação de transformadores e em outros campos da eletrotécnica, mas a realidade é que já se sentia a necessidade de utilizar em escala industrial, como condutor elétrico, um substituto do cobre, devido à instabilidade do preço deste metal, que, por ser empregado em produtos especiais de uso militar, está sujeito a que sua cotação nas bolsas de valores mundiais sofra enormes oscilações cada vez que ocorre um conflito bélico, ou simplesmente uma situação política tensa. A necessidade de substituir o cobre por outro metal mais abundante e de preço mais estável impulsionou o desenvolvimento das ligas de alumínio, assim como sua tecnologia de soldagem, fazendo deste metal o mais confiável para a fabricação de transformadores, por reunir um conjunto de características eletromecânicas ótimas em relação a seu custo e garantia de fornecimento. No ano de 1950 o alumínio iniciou sua evolução como condutor para a fabricação de transformadores elétricos. Pode se dizer que nos Estados Unidos 95 % da produção de transformadores de distribuição é feita com bobinas de alumínio, e somente continuam empregando o cobre nos casos de transformadores de pequena potência, nos quais o diâmetro reduzido do fio impede o uso de alumínio. Também na Europa tanto os fabricantes franceses, alemães, italianos e suíços, como os dos países nórdicos, fabricam como regra geral transformadores com bobinas de alumínio. Na Espanha a General Eléctrica Española, Westinghouse (Cenemesa), Siemens e etc. fabricaram os primeiros transformadores em alumínio durante os anos da Guerra Civil (1936-1939), devido às dificuldades de aquisição de cobre. A fabricação na España do transformador de distribuição e de média potência com bobinas de alumínio começou a ser

1 Este texto é uma tradução do artigo “Bobinados de aluminio en Transformadores” publicado

por Andrés Granero no site http://imseingenieria.blogspot.com.br/2015/09/bobinados-de-aluminio-en-

transformadores.html


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normalizada a partir de 1972, e desde então milhares de transformadores foram produzidos para o mercado externo e para o mercado nacional. O alumínio nos transformadores de distribuição de média potência O projeto de um transformador evidentemente está condicionado a uma série de características técnicas que ele deve atender: potência, relação de transformação, perdas, corrente de excitação, impedância, etc., sendo em última instância que os fatores determinantes do bom dimensionamento das bobinas são tanto o atendimento das exigências térmicas como das solicitações dinâmicas. Nas situações em que as solicitações dinâmicas são o fator determinante do dimensionamento das bobinas, utiliza-se na fabricação uma liga especial de alumínio com algumas características melhores do que as do alumínio eletrolítico normal, e entre elas um limite de elasticidade três vezes maior. Propriedades físicas Na tabela 1 são comparadas as principais características eletromecânicas do alumínio eletrolítico normal, do alumínio eletrolítico especial e do cobre eletrolítico, utilizados na fabricação de bobinas de transformadores.

G r a n d e z a U n i d a d e Al u m í n i o

e l e t r o l í t i c o n o r m a l

Al u m í n i o e s p e c i a l

9 9 , 5

C o b r e e l e t r o -l í t i c o

L i m i t e d e e l a s t i c i d a d e ( a l o n g a m e n t o p e r m a n e n t e = 0 , 2 % )

k g . m m - 2 2 , 5 - 3 7 - 1 0 1 1 - 1 2

P e r d a d o l i m i t e e l á s t i c o a 1 8 0 º C % 1 7 1 , 5 0 , 5

R e s i s t ê n c i a à t r a ç ã o ( L i m i t e d e r u p t u r a ) k g . m m - 2 7 9 - 1 3 2 0 - 2 3

P e r d a d o l i m i t e d e r u p t u r a a 1 8 0 º C % 1 5 3 0 , 2

E n v e l h e c i m e n t o e m 1 0 0 h o r a s a 1 5 0 º C ( a l t e r a o v a l o r d o l i m i t e d e r u p t u r a )

% 1 0 0 0

C o n d u t i v i d a d e e l é c t r i c a a 2 0 º C m .Ω - 1 . m m - 2 3 6 3 5 , 4 5 7

C o e f i c i e n t e d e t e m p e r a t u r a d a r e s i s t i v i d a d e a 2 0 º C

º C 0 , 0 0 4 0 , 0 0 4 0 , 0 0 3 9

C o n d u t i v i d a d e t é r m i c a C a l . c m - 1 . º C - 1 . s - 1 0 , 5 7 0 0 , 5 7 0 , 9 4 1 T e m p e r a t u r a d e f u s ã o º C 6 5 5 6 5 8 1 , 0 8 3 C a l o r e s p e c í f i c o C a l . g - 1 . º C - 1 0 , 2 2 0 0 , 0 9 2 0 , 0 9 2 P e s o e s p e c í f i c o k g . d m - 3 2 , 7 2 , 7 8 , 9

Tabe la 1 : Propr iedades f ís icas do A l – Cu . Estas diferenças de características conduzem a duas realidades importantíssimas:

- Os transformadores com bobinas de alumínio exigem um projeto especial totalmente diferente ao dos transformadores com bobinas de cobre. - Os transformadores com bobinas de alumínio possuem algumas vantagens inegáveis sobre as bobinas de cobre.


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A bobina com lâmina de alumínio Uma das grandes oportunidades que o alumínio oferece ao fabricante de transformadores de distribuição é a possibilidade de realizar a bobina de baixa tensão com lâmina de alumínio, com as vantagens extraordinárias que ela oferece. A bobina com lâmina de alumínio consiste na bobinagem sobre si mesma de uma chapa de alumínio com a largura da própria bobina e do papel isolante correspondente, e com canais necessários para a circulação do líquido refrigerante, do que resulta uma bobina com uma espira por camada extremamente robusta, muito compacta e com melhor aproveitamento do espaço ocupado pelo condutor, o que compensa em parte o maior volume de uma bobina de alumínio com relação a uma de cobre.

F ig . 1 : Bob ina c láss ica com f io redondo (H ) , condu tor re tangu la r (P) , e

bob ina com lâm ina de a lum ín io (B ) Na figura 1 se vê claramente a disposição esquemática dos condutores elementares em três tipos de bobinas: H - Bobina c láss ica com f io r edondo e vár ias esp i r as po r cam ada . P - Bobina clássica com condutor retangular e várias espiras por camada. B - Bobina com lâmina de alumínio e somente uma espira por camada.

F igura 2 : Fabr icação de um a bob ina de BT com lâm ina de a lum ín io


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Vantagens dos transformadores com bobinas de alumínio Os transformadores construidos com bobinas de alumínio, além de fornecerem as mesmas características elétricas e de operação que os com bobinas em cobre, possuem uma série vantagens que se traduzem em melhor comportamento ante situações anormais e maior vida útil. Estas vantagens or iginam-se de duas causas dist intas:

• Por serem as bobinas em alumínio • Pela possibi l idade de fabr icar as bobinas de baixa tensão com lâmina em

lugar de condutor retangular Por serem as bobinas de alumínio 1º Melhor comportamento térmico em caso de sobrecargas ou curtos-circuitos Em equipamentos com idênticas características e garantias técnicas, e devido ao maior calor específico do alumínio e a sua menor condutividade, sempre será verdade que:

í > í O que significa que a capacidade calorífica de uma bobina de alumínio é sempre superior à de uma bobina de cobre de um transformador equivalente, e na ordem de 17%, como se demonstra através do seguinte cálculo simples:

Sejam dois transformadores equivalentes, um com bobinas de alumínio e outro com

bobinas de cobre, com mesma potência, relação de transformação, perdas a vazio,

perdas em carga, tensão de curto-circuito, etc.

Isto implica que a resistência das bobinas será igual, que o comprimento do condutor (L)

será o mesmo (para manter os mesmos ampère-espiras) e, como consequência,

as seções das bobinas deverão ser inversamente proporcionais às condutividades

respectivas do Al e do Cu, ou seja, que:

=

=57

35,4= 1,61

As massas das bobinas são, respectivamente:

= $%

= $%

Sendo:

L = comprimento do condutor

δ = peso específico

e sua relação será:


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=

×%

%

= 1,61 × 2,7

8,9= 0,488

Ou seja, a massa de uma bobina de alumínio é, aproximadamente, a metade da

massa de uma bobina de cobre de um transformador equivalente:

Massa alumínio ≈ 0,5 x Massa cobre

A capacidade calorífica de uma bobina é igual a sua massa multiplicada pelo calor

específico do metal utilizado como condutor para sua elaboração. Portanto:

Capacidade calorífica = Massa x Calor específico

E sua relação será:

í++

í++

=

×0,220

0,092= 0,488 × 2,3 = 1,167

O que quer dizer que a capacidade calorífica da bobina de alumínio é

aproximadamente 17% maior que a capacidade calorífica da bobina de cobre

de um transformador equivalente:

í++ = 1,17 í++

Isto faz com que as bobinas de alumínio resistam mais tempo à corrente curto-circuito ou a qualquer sobrecarga transitória, antes de alcançar uma temperatura perigosa para o isolamento. O gráfico da figura 3 deixa mais clara esta ideia sobre o comportamento térmico dos transformadores com bobinas de alumínio. Traçando as duas curvas que representam o aquecimento das bobinas de cobre e alumínio, respectivamente, em uma situação de curto-circuito, se observa que: - Quando o disjuntor atua a temperatura alcançada pela bobina de alumínio é menor que a da bobina de cobre. - Se o disjuntor não atuasse por uma falha no sistema de proteção, se alcançaria antes na bobina de cobre a temperatura de ignição dos isolamentos.


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2.º Melhor comportamento dinámico em caso de curto-circuito Como condutividade do alumínio é menor do que a do cobre, a seção do condutor do alumínio tem que ser consideravelmente maior do que nos projetos com cobre, e consequentemente também as suas dimensões serão maiores. Isto leva a módulos resistentes muito superiores, pois são proporcionais ao cubo da relação das dimensões, que compensam amplamente o menor limite elástico do alumínio com relação do cobre, e assim aos condutores de alumínio possuem uma maior resistência aos esforços radiais e axiais derivados de um curto-circuito.

Fig. 4: Seções equivalentes Cu – Al

+=

′

+′ →

′

=

+′

+=

A relação entre módulos é, portanto:

Sendo equivalentes as duas seções teremos:

Por outro lado as seções dos condutores são inversamente proporcionais às condutividades respectivas, os seja:


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Substituindo em (1) teremos:

Quando ocorre um curto-circuito se origina um momento fletor M, que atua sobre o condutor, gerando um esforço máximo σ.l, que é função das dimensões do condutor:

.. = ç1á1++ = 3114

531ó4

Estabelecendo a relação em ambos casos, resulta:

O que significa que, para uma determinada situação de curto-circuito, os esforços a que são submetidos os condutores, conforme seja a bobina de cobre ou alumínio, estão na mesma relação que suas condutividades elevadas a 3/2. Comparação numérica:

Alumínio eletrolítico normal Alumínio 99,5 Cobre Limite de elasticidade 3 10 12 Condutividade 36 35,4 57

Tendo em conta os valores absolutos do limite de elasticidade se chega à conclusão de que, caso se queira que o condutor de alumínio trabalhe em condições não inferiores às do condutor de cobre, com relação aos esforços dinâmicos, quando usado alumínio 99,5 não há necessidade de superdimensioná-lo, mas sim quando se emprega alumínio eletrolítico normal.


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Efetivamente, supondo que σ.l do cobre fosse correspondente ao σ.l obtido no alumínio teríamos:

Limites de elasticidade

O que nos indica que o condutor de alumínio 99,5 trabalha muito abaixo do seu limite elástico, devendo-se por outro lado superdimensionar as bobinas quando utilizado alumínio normal. A conclusão desta análise numérica é que se partimos de um projeto básico em cobre, ao convertê-lo para um projeto em alumínio, automáticamente e pelas exigências térmicas, a seção do condutor é aumentada aproximadamente 1,6 vezes, e, a partir deste momento, a condição dinâmica impõe a seleção do tipo de alumínio, existindo um valor crítico de esforço σ.l, a partir do qual temos que usar o alumínio 99,5, para evitar a necessidade de um novo sobredimensionamento do condutor, que elevaría o custo do transformador. Por outro lado, o maior dimensionamento do condutor de alumínio, faz com que tenha uma maior superfície de contato com a camada isolante sobre a qual se apoia, com o que se obtém, por causa da aderência, uma resistência ao deslizamento das espiras em sentido axial muito superior à de uma bobina de cobre equivalente. 3º Menor envelhecimento dos isolamentos: maior vida útil A temperatura máxima transitória, especificada pelas normas internacionais de fabricação de transformadores CEI, ANSI, etc., é de 200 0C para o alumínio e de 250 0C para o cobre.

Fig. 5: Comparação das superfícies de contato axial nas bobinas de alumínio e cobre

Esta limitação de temperatura, e a maior capacidade calorífica das bobinas de alumínio, favorece um menor envelhecimento dos isolamentos, que são os que determinam a vida útil do transformador, assim pode-se afirmar que em igualdade de condições a vida de um transformador com bobinas de alumínio é maior que a de outro equivalente com bobinas de cobre. 4º Menor envelhecimento do óleo


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O alumínio não tem efeito catalítico sobre o óleo, ou seja, não há reação química com ele, como ocorre com o cobre. Por isto o envelhecimento do óleo é mais lento, reduzindo os custos de manutenção e conservação. Pela possibilidade de fabricar as bobinas de baixa tensão com lâmina em lugar de

condutor retangular 1º Maior robustez mecânica A propria forma construtiva descrita evidencia sua extraordinaria robustez mecânica. Muito superior à de uma bobina clássica com condutor em hélice. 2º Melhor comportamento ante os esforços axiais de curto-circuito Na bobina de lâmina os esforços axiais derivados de um curto-circuito ficam minimizados pela perfeita compensação dos ampères/espiras entre cada espira de AT com uma espira ideal de BT na massa continua da lâmina e, além disto, tais esforços são absorvidos pela própria coesão do material, o que não ocorre com a bobina de condutor em hélice. A consequência é que não há deslocamento axial da bobina no curto-circuito.

1. Bobina de AT 2. Bobina de BT em hélice 3. Bobina de BT em lâmina F. Forças axiais

Fig. 6: Comparação de uma bobina de BT em hélice submetida a esforços axiais, com outra com lâmina de alumínio não submetida a tais esforços. 3º Ausência de pontos quentes na bobina As espiras superpostas tem uma grande superficie de contato mútuo com um isolamento delgado, que somente tem que resistir à tensão por espira, o que proporciona uma rápida dissipação de calor no sentido radial, evitando-se totalmente a produção de calor no seu interior. Esta condição contribue também para o retardamento da elevação de temperatura durante os regimes de curto-circuito.


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4º O alumínio não tem efeito catalítico sobre o óleo Ou seja, não reage quimicamente com ele, como ocorre com o cobre. Por isto o envelhecimento do óleo é mais lento, reduzindo os custos de manutenção e conservação. O alumínio em transformadores secos encapsulados No caso dos transformadores secos encapsulados com resina epóxi, se observa igualmente que as diferenças de dilatação térmica entre os sistemas de recobrimento e o alumínio (veja tabela abaixo) são sempre menores que com relação ao cobre, pelo que se reduzirão proporcionalmente a estas diferenças os esforços internos produzidos pelas variações de temperatura geradas pelo ambiente, sobrecargas ou curtos-circuitos, evitando-se ao mesmo tempo a formação de fissuras no material aislante e, portanto, a geração de descargas parcais que levariam a destruição prematura do transformador. Menores esforços devidos à dilatação térmica nos sistemas de recobrimento dos

transformadores secos encapsulados ao utilizar bobinas de alumínio

Coeficiente de dilatação em mm.m-1.K-1 10-6

Sistema de recobrimento de resina epóxi 40

Condutor de alumínio 24 Condutor de cobre 16 Resina epóxi + endurecedor sem carga 80

Note como neste caso a resina epóxi ocupa um lugar de destaque uma vez que ambos os materiais (resina epóxi - alumínio) têm os coeficientes de dilatação mais próximos.


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Perguntas e respostas sobre bobinas de alumínio em transformadores

Questão 1ª: Os transformadores com bobinas em alumínio têm maiores perdas ou menor rendimento que os de cobre? Falso! Quando a norma europeia (EN 50464-1) mostra as tabelas de perdas com relação à potência em transformadores de distribuição, o faz sem especificar o material das bobinas, ou seja, as perdas para uma determinada potência devem ser as mesmas para transformadores com bobinas em alumínio ou cobre. Em transformadores de maior potência ocorre o mesmo. É certo que o alumínio tem menor condutividade, mas esta característica se leva em conta no projeto aumentando a seção transversal do condutor para suprir esta carência. Questão 2ª: Os transformadores com bobinas de alumínio não são compatíveis com cabos

de cobre? Absolutamente falso! A utilização de conexões bimetálicas (alumínio-estanho) nos terminais de BT dos transformadores evita os problemas do contato alumínio-cobre Questão 3ª: Têm menos capacidade para suportar esforços de curto-circuito? Dado a menor condutividade do alumínio com relação ao cobre, a seção do condutor de alumínio, e portanto suas dimensões, são consideravelmente superiores àquelas quando se utiliza cobre, e isto conduz a módulos resistentes muito maiores, proporcionais ao cubo da relação de dimensões, que compensam amplamente o menor limite elástico do alumínio com relação do cobre, proporcionando assim aos condutores de alumínio resistência radiais e axiais muito superior aos esforços derivados de um curto-circuito. Além disto, para massas iguais, o alumínio tem uma capacidade de dissipar o calor aproximadamente 39% maior que a do cobre. Assim se comportará melhor ante correntes de sobrecarga e esforços de curto-circuito. Isto faz com que as bobinas de alumínio resistam mais tempo às correntes de curto-circuito ou a qualquer sobrecarga transitória, antes de alcançar uma temperatura perigosa para o isolamento. Questão 4ª: Os transformadores com bobinas de alumínio se aquecem mais que os de

cobre?


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Ao contrário, o calor específico do alumínio é na ordem de duas vezes maior que o do cobre, ou seja, é necessário fornecer duas vezes mais energia para elevar um grau numa massa de 1 kg. Além disto as temperaturas nos transformadores sempre são limitadas no projeto de acordo com as especificações. Devido a maior resistividade do alumínio, as correntes de parasitas são sensivelmente menores às encontradas no cobre, razão pela qual é o material mais aconselhável quando se tem instalações que operam com alto conteúdo de harmônicos, causadores de aumento de temperatura nos transformadores. Questão 5ª. O material das bobinas pode influir no surgimento de descargas parciais na

resina dos transformadores secos? Na verdade, o alumínio contribui para eliminar os riscos de fissuras no material de encapsulamento. O coeficiente de dilatação do alumínio é muito próximo à temperatura do sistema de encapsulamento e muito próximo a temperatura de funcionamento do transformador, por isto as tensões mecânicas nos enrolamentos são mínimas. Isto permite eliminar as tensões mecânicas que poderiam dar lugar a fissuras no material de encapsulamento e, em consequência, aumentar as descargas parciais. Entre outras vantagens, os transformadores com tecnologias em alumínio se destacam sem dúvida por seu baixo preço e menor peso, o que facilita as atividades de transporte. Além disto, não tem efeito catalítico sobre o óleo, ou seja, não reage quimicamente com ele, como faz o cobre, e com isto o envelhecimento do óleo é mais lento.

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