Seguridad en transformadores de distribución 5.ª Parte

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Quinta parte

Bobinados de aluminio en transformadoresde distribución

l insuficiente desarrollo técnico de las aleaciones de aluminio, así como la deficientetecnología en la soldadura de este metal, determinó inicialmente el uso del cobre en losbobinados de transformadores.

Sin embargo, durante la Primera Guerra Mundial (1914-1918), y ante las grandes dificultadespara obtener cobre, se comenzó a utilizar el aluminio para la construcción de los bobinados dealgunos transformadores, medida que, por el mismo motivo, se intensificó mucho durante laSegunda Guerra Mundial (1939-1945).

Fue el imperativo de la escasez, en unas situaciones de guerra, el que precipitó e impuso lasustitución del cobre por el aluminio en la construcción de transformadores y en otros camposde la electrotecnia, pero la realidad es que ya para entonces se sentía la necesidad de poderutilizar a escala industrial como conductor eléctrico un substitutivo del cobre, debido principal-mente a la inestabilidad del precio de este metal, que por ser de especial aplicación para usosmilitares, está supeditado a que su cotización en las bolsas mundiales experimente muy gran-des oscilaciones en cuanto se produce un conflicto bélico o, simplemente, una situación políti-ca tensa.

La necesidad de sustituir el cobre por otro metal más abundante y de precio más estable, im-pulsó el desarrollo de la tecnología de las aleaciones de aluminio, así como la técnica de susoldadura, haciendo de este metal el más idóneo para la fabricación de transformadores, porreunir el conjunto de características mecánico-eléctricas óptimas en relación a su coste y ga-rantía de suministro.

En el año 1950 el aluminio comenzó su evolución como conductor para la fabricación detransformadores eléctricos. Puede decirse que en Norteamérica el 95 % de la producción detransformadores de distribución se realiza con bobinados de aluminio, y únicamente conservael empleo del cobre en aquellos casos de transformadores de pequeña potencia, en los que lareducida dimensión del diámetro del hilo impide el uso del aluminio.

También en Europa tanto los fabricantes franceses, alemanes, italianos y suizos, como los delos países nórdicos, construyen por regla general, transformadores con bobinados en aluminio

En España, General Eléctrica Española, Westinghouse (Cenemesa), Siemens, etc. construye-ron los primeros transformadores en aluminio, durante los años de la Guerra Civil (1936-1939),debido a las dificultades en la adquisición del cobre. La fabricación en España del transforma-dor 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 laexportación 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 decaracterísticas técnicas que debe cumplir: potencia, relación de transformación, pérdidas in-tensidad de vacío, impedancia, etc., siendo en definitiva los factores determinantes del dimen-sionamiento de los bobinados bien las exigencias térmicas o bien las solicitaciones dinámicas.

E

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En aquellas ocasiones en que las solicitaciones dinámicas son el factor determinante del di-mensionamiento de los bobinados, se utiliza en la fabricación de éstos una aleación especialde aluminio de características mucho más elevadas de cuyas propiedades se derivan otrasventajas, entre las que destacan, su límite de elasticidad que es tres veces superior al del alu-minio electrolítico normal.

PROPIEDADES FÍSICAS

En la tabla siguiente se comparan las principales características mecánico-eléctricas del alu-minio electrolítico normal, del aluminio especial y del cobre electrolítico, utilizados como con-ductores 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 dife-rente al de los transformadores con bobinados de cobre.

c Los transformadores con bobinados de aluminio presentan unas ventajas indudablessobre los bobinados de cobre.

MAGNITUD Unidad Aluminio Aluminio Cobre electrolítico especial electrolítico

normal

Límite de elasticidad (alargamientoPermanente = 0,2%)......................................... kg/mm2 2,5 - 3 7 - 10 11 - 12Pérdida del límite elástico a 180 ºC................ % 17 1,5 0,5Resistencia a la tracción (límite de rotura)--. kg/mm2 7 9 - 13 20 - 23Pérdida del límite de rotura a 180 ºC............. % 15 3 0,2Envejecimiento en 100 horas a 150 ºC(cambio de valor del límite de rotura)........... % 10 0 0Conductividad eléctrica a 20 ºC...................... m/ΩΩ mm2 36 35,4 57Coeficiente de temperatura de la resistividada 20 ºC............................................................... ºC 0,004 0,004 0,0039

Conductividad térmica.................................... cal/ cm ºC seg 0,570 0,570 0,941

Temperatura de fusión...................................... ºC 655 658 1,083Calor específico................................................. cal / g ºC 0,220 0,220 0,092Peso específico................................................... kg/dm3 2,7 2,7 8,9

-1

PROPIEDADES FÍSICAS AL - CU

LA BANDA DE ALUMINIO

Una de las grandes oportunidades que ofrece el aluminio al fabricante de transformadores dedistribución, 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 entres 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 deuna 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 unabobina de una espira por capa, extremadamente robusta, de gran compaticidad y con un mejoraprovechamiento del espacio ocupado por el conductor que compensa en parte el mayor vo-lumen que tiene el bobinado de aluminio respecto al de cobre.

VENTAJAS DE LOS TRANSFORMADORES DE ALUMINIO

Los transformadores construidos con bobinados de aluminio, además de poder proporcionarlas mismas características eléctricas y de servicio que los de bobinados en cobre, presentanuna serie de ventajas, que se traducen en un mejor comportamiento ante situaciones anorma-les 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 alu-minio 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 ala de un bobinado de cobre del transformador equivalente, y lo es en un 17% aproximada-mente, como se demuestra mediante este sencillo cálculo:

Sean dos transformadores equivalentes, uno con bobinado de aluminio y otro con bobinado decobre, que proporcionen, por tanto, la misma potencia, relación de transformación, pérdidas envacío, pérdidas en carga, tensión de cortocircuito, etc.

P B

a b a = b

Bobinados clásicos de hilo (H), pletina (P) ybobinado en banda de aluminio (B)

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Esto implica que la resistencia de los bobinados será igual, que la longitud del conductor será lamisma (para mantener los mismos amperios-vuelta) y, como consecuencia, las secciones deambos bobinados deberán ser inversamente proporcionales a las conductividades respectivasdel Al y del Cu, o sea, que:

SS

Conduc CuConduc Al

Al

Cu

= = =.

. ,,

57

35 41 61

Las masas de los bobinados son, respectivamente:

Masa Al = LAl . SAl . δδAl

Masa Cu = LCu . SCu .δδCu

y su relación será:

MasaMasa

SS

Al

Cu

Al

Cu

Al

Cu

= ⋅ = × =δδ

1 612 7

8 90 488,

,

,,

Es decir, que la masa del bobinado de aluminio es, aproximadamente, la mitad de la masa delbobinado 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 específicodel 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 BobinadoAlCapac calor BobinadoCu

MasaMasa

Al

Cu

. .

. .

,

,, , ,= × = × =

0 220

0 09 20 488 2 39 1 167

Lo que quiere decir que la capacidad calorífica de un bobinado de aluminio es, aproximada-mente, un 17% superior a la capacidad calorífica del bobinado de cobre del transformadorequivalente:

Capacidad calorífica del bobinado aluminio ≈≈ 1,17 bobinado cobre

Esto hace que los bobinados de aluminio resistan más tiempo la corriente de cortocircuito ocualquier sobrecarga transitoria, antes de alcanzar una temperatura peligrosa para el aisla-miento.

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El gráfico de la figura 3 aclaraesta idea sobre el comporta-miento térmico de los transfor-madores de aluminio.

Trazando las dos curvas querepresentan el calentamiento delos bobinados de cobre y de alu-minio, respectivamente, en unasituación de cortocircuito, se ob-serva que:

c Cuando dispara el interruptor,la temperatura alcanzada por elbobinado de aluminio es menorque la del bobinado de cobre.

Figura 3c Si el interruptor no actuase por un fallo del sistema de protección, se alcanzaría antes en elbobinado de cobre la temperatura de ignición de los aislamientos que destruye el transforma-dor.

2.º Mejor comportamiento dinámico en caso de cortocircuito

Dada la menor conductividad del aluminio respecto al cobre la sección del conductor del alu-minio, y por tanto sus dimensiones, son considerablemente superiores que cuando se utilizacobre, y ello conduce a módulos resistentes muy superiores, proporcionales al cubo de la rela-ción de dimensiones, que compensan ampliamente el menor límite elástico del aluminio res-pecto del cobre, ofreciendo por ello los conductores de aluminio muy superior resistencia a losesfuerzos radiales y axiales derivados de un cortocircuito.

Efectivamente, suponiendo como hemos hecho al estudiar el comportamiento térmico, dostransformadores equivalentes, con bobinados de aluminio y de cobre respectivamente, y ad-mitiendo que las secciones del conductor son semejantes para poder realizar el estudio com-parativo, se tiene que:

a

b

a'

b'=

a Al Cu a’

b’ b

Aluminio Al 99,5 Cobre

Sección................... SAl = a. b SCu = a’ . b’Conductividad......... CAl = 35,4 CCu = 57

Módulo resistente.... R a bAl = ⋅1

62 RCu = ⋅

1

6a' b'2

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La relación entre módulos es, por lo tanto,

RR

cu

Al

= =

16

a'.b'

16

a.b

a'.b'

a.b

2

2

2

2

y siendo semejantes las dos secciones, resulta que:

rRR

rcu

Al

= = =→ =a’

a

b’

b3 (1)

Por otra parte, las secciones de conductor son inversamente proporcionales a las conductivi-dades respectivas, es decir:

SS r

CC

r C CAl

cu

cu

AlAl cu= = = → =

a . b

a' . b'

12

1

2/

y substituyendo en (1) obtenemos:

RR

C Ccu

AlAl cu= /

3

2

Cuando se produce el cortocircuito se origina un momento flector M, que actúa sobre el con-ductor, desarrollando un esfuerzo máximo de trabajo σ l, función de las dimensiones del con-ductor, cumpliéndose:

σ l (esfuerzo de trabajo) =M (Momento flector)

R (Módulo resistente)

Estableciendo la relación en ambos casos, resulta:

[ ]σσ

l

l Al

Cu

= = =

MRM

R

RR

C CAl

Cu

Cu

AlAl Cu/

3

2

lo que quiere decir que para una determinada situación de cortocircuito, los esfuerzos a quetrabajan los conductores, según sea el bobinado de cobre o de aluminio, están en la mismarelación que sus conductividades elevadas a 3/2.

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Comparación numérica:

Aluminio Aluminio Cobreelectrolítico 99,5 electrolíticonormal

Límite deelasticidad........... 3 10 12Conductividad...... 36 35,4 57

σ σ σl l lAl Cu Cu99 5

3235 4 57 0 489. . / ,= × = ×

σ σ σl l lAl Cu cu no r mal = × = ×36 57 0 50232/ ,

Teniendo en cuenta los valores absolutos del límite de elasticidad se llega a la conclusión deque, si se quiere que el conductor de aluminio trabaje en condiciones no inferiores a las delconductor de cobre desde el punto de vista de los esfuerzos dinámicos, utilizando aluminio99,5 no hace falta sobredimensionarlo pero sí, en cambio, si se empleara el aluminio electrolí-tico normal.

Efectivamente, suponiendo que la σ l del cobre fuera la correspondiente al limite elástico, la σ lque obtendríamos en el aluminio seria:

Límites de elasticidad

σ σ

σ σ

Al99.5

normal

l l

l l

má xcu

Al má xcu

= × = × = <

= × = × = >

.

.

, , ,

, , ,

0 489 12 0 489 5 87 10

0 502 12 0 502 6 02 3

lo que nos indica que el conductor de aluminio 99,5 trabaja muy por debajo de su límite elásti-co, 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 proyectobásico en cobre, al plantear su conversión a proyecto en aluminio, automáticamente y por lasexigencias térmicas, la sección del conductor se incrementa en 1,6 veces aproximadamente, ya partir de este momento, el condicionamiento dinámico impone la selección del tipo de alumi-nio, existiendo un valor crítico del esfuerzo de trabajo, σl, a partir del cual hemos de acudir alaluminio 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 ma-yor superficie de contacto con la capa de aislamiento sobre la que se apoya, con lo que seobtiene, por causa de la adherencia, una resistencia al deslizamiento de las espiras en sentidoaxial muy superior a la de un bobinado de cobre equivalente.

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MERLIN GERIN46

c Menor envejecimiento de los aislamientos: más larga vida

Las Normas internacionales deconstrucción de transformadores,CEI, AINSI, etc., señalan comotemperatura máxima transitoriaalcanzable por el conductor encaso de cortocircuito, 200 ºC parael aluminio y 250 ºC para el co-bre.

Esta limitación de temperatura, yla mayor capacidad calorífica delos bobinados de aluminio, favo-rece un menor envejecimiento delos aislamientos, que son los quedeterminan la vida del transfor-mador, por lo que puede afirmar-se rotundamente que, en igualdadde circunstancias, la vida de un transformador con bobinados de aluminio es más dilatada quela 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 químicamentecon él, como lo hace el cobre, Por lo que el envejecimiento del aceite es más lento, reducién-dose 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 mecánicaLa propia forma constructiva descrita evidencia su extraordinaria robustez mecánica, muysuperior a la de un bobinado clásico de conductor en hélice.

c Mejor comportamiento ante los esfuerzos axiales de cortocircuitoEn el bobinado de banda, los esfuerzos axiales derivados de un cortocircuito quedan minimi-zados por la perfecta compensación de los amperios/vuelta que se consigue al poder enfren-tar, 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 conel bobinado de conductor en hélice.

La consecuencia es que no hay desplazamiento axial de la bobina en el cortocircuito.

Figura 4

Figura 5

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c Ausencia de puntos calientes en el bobinado

Las espiras superpuestas tienen una gran superficie de contacto mutuo a través de un aisla-miento delgado, que tan sólo ha de soportar la tensión por espira, lo que proporciona una rápi-da evacuación de calor en sentido radial, evitándose totalmente la producción de puntos ca-lientes en su interior.

Esta condición contribuye también a retardar la elevación de temperatura durante los regíme-nes 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 enveje-cimiento del aceite es más lento, reduciendo aún más los gastos de entretenimiento y conser-vación.

EL ALUMINIO EN TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS

En el caso de los transformadores secos encapsulados con resina epoxi, se observa igual-mente que las diferencias de dilatación térmica entre los sistemas de recubrimiento y el alumi-nio (véase tabla inferior) son siempre menores que con relación al cobre, por lo que se reduci-rán proporcionalmente a dichas diferencias los esfuerzos internos producidos por la variacio-nes de temperatura motivadas por el ambiente, sobrecargas o cortocircuitos (véase Ensayosclimáticos: Choque térmico), evitándose al mismo tiempo la formación de fisuras en el senodel material aislante y, por lo tanto, la generación de descargas parciales que degenerarían enla destrucción prematura del transformador.

c Menores esfuerzos debidos a la dilatación térmica en los sistemas de recubrimientode los transformadores secos encapsulados al utilizar el aluminio

Obsérvese cómo en este caso, la alúmina trihidratada (componente fundamental del recubri-miento aislante e ignífugo del transformador Trihal), ocupa el lugar preferente ya que ambosmateriales (alumina-aluminio) tienen los coeficientes de dilatación más parecidos, efectiva-mente, ambos son materiales de la misma composición.

Coeficientes de dilatación en mm/m/k 10 -6

Sistema de recubrimiento Trihal (alúmina trihidratada) 40Conductor de aluminio 24Conductor de cobre 16Resina epoxi + endurecedor sin carga 80

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ANEXOSeparata correspondiente a uno de los Ensayos climáticos realizados sobre un

transformador seco encapsulado Trihal (*) en los Laboratorios KEMA

Choque térmicoLaboratorio KEMA en Holanda

Protocolo de ensayo n.º 31882.00-HSL 94-1259

Modalidades de ensayo

Las bobinas del transformador Trihal han sido introducidasalternativamente en dos cubas, una conteniendo agua hir-viendo > 96 ºC, y otra conteniendo agua helada < 5 ºC.La operación ha sido repetida 3 veces. Cada inmersión hadurado 2 horas. El paso de una cuba a otra se ha realizadoen menos de 2 minutos.

Foto KEMA

Evaluación de los resultados

El transformador Trihal ha superado con éxito un examen visual se-guido de los ensayos dieléctricos (ensayos de resistencia a la tensiónaplicada y a la tensión inducida al 75% de los valores normalizados) ylas medidas de las descargas parciales.

El nivel de descargas parciales es determinante para la duración devida de un transformador seco encapsulado. Los niveles máximosimpuestos por las distintas normas europeas las sitúan entre los 20 y50 pC.

La medida realizada en el transformador Trihal después de esteensayo 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).