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

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

3 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 2 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

4 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 3 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 Cu en la AT Porque no existía otra opción…

5 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 4 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

6 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 5 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… Varias razones condujeron al cambio

7 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 6 Comparativa Cu / Al  Razonamiento para la elección del material de la bobina  Coeficiente de expansión  Conductividad eléctrica  Capacidad calorífica  Comportamiento mecánico en cortocircuito

8 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 7 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

9 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 8 Comparativa Cu / Al Razones comunes para elegir el material de los arrollamientos 1 6 4 2 3 7 5

10 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 9 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

11 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 10 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 Conclusion: Soluciones adecuadas para las terminales de Aluminio con conexiones de cables de Cu Soluciones adecuadas para las terminales de Aluminio con conexiones de cables de Cu

12 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 11 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:  Los esfuerzos mecánicos en la resina son más bajos para las bobinas de aluminio.

13 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 12 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

14 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 13 Comparativa Cu / Al Conductividad eléctrica  Aluminio (  Al): 36.6 10 6  - ¹m - ¹  Cobre (  Cu): 59.6 10 6  - 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. + - Conclusiones:  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  S Al = 1,63 S Cu

15 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 14 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

16 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 15 Comparativa Cu / Al Capacidad calórica Calor específico - Aluminio (c Al ): 0.220 cal/gºC Calor específico - Cobre (c Cu ): 0.092 cal/gºC  Un diseño en aluminio es 0.488 veces el del cobre:  Capacidad calorífica Al = M Al x c Al ; Capacidad calorífica Cu = M Cu x c Cu  Capacidad calorífica Al / Capacidad calorífica Cu = (M Al / M cu ) x (c Al / c Cu ) = = 0,488 x (0,220/0,092) = 1,167 16,7% más alto en Al. Conclusiones:  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.

17 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 16 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

18 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 17 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 Conclusiones:  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

19 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 18 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

20 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 19 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: Conclusiónes:  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.

21 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 20 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

22 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 21 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.

23 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 22 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

24 © ABB Group June 8, 2015 | Slide 23 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 Zaragoza …apuesta por él!!

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