Bobinas de alumínio em transformadores1

Koeeng
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 (19391945).
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.
Grandeza
Limite de elasticidade
(alongamento permanente
= 0,2%)
Perda do limite elástico a
180 ºC
Resistência à tração
(Limite de ruptura)
Perda do limite de
ruptura a 180 ºC
Envelhecimento em 100
horas a 150 ºC (altera o
valor do limite de
ruptura)
Condutividade eléctrica a
20 ºC
Coeficiente de
temperatura da
resistividade a 20 ºC
Condutividade térmica
Temperatura de fusão
Calor específico
Peso específico
Unidade
Al umínio
eletrolítico
normal
Al umínio
especial
99,5
Cobre
eletrolítico
kg.mm-2
2,5-3
7-10
11-12
%
17
1,5
0,5
kg.mm-2
7
9-13
20-23
%
15
3
0,2
%
10
0
0
m.Ω-1.mm-2
36
35,4
57
ºC
0,004
0,004
0,0039
Cal.cm-1.ºC-1.s-1
ºC
Cal.g-1.ºC-1
kg.dm-3
0,570
655
0,220
2,7
0,57
658
0,092
2,7
0,941
1,083
0,092
8,9
Tabela 1: Propriedades físicas do Al – 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.
Fig. 1: Bobina clássica com fio redondo (H), condutor retangular (P), e
bobina com lâmina de alumínio (B)
Na figura 1 se vê claramente a disposição esquemática dos condutores elementares em
três tipos de bobinas:
H - Bobina c l á s s i c a c o m f i o r e d o n d o e v á r i a s e s p i r a s p o r c a m a d a .
P - Bobina clássica com condutor retangular e várias espiras por camada.
B - Bobina com lâmina de alumínio e somente uma espira por camada.
Figura 2: Fabricação de uma bobina de BT com lâmina de alumínio
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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.
Es tas vant agens or i gin am - s e de duas c aus as dis tintas :
• Por s er em as bobinas em alum ínio
• Pela pos s ibi lid ade de f abr ic ar as bobi nas de baix a tens ã o c om lâm ina em
lugar d e c ondut or r eta ngular
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
=
=
= 1,61
35,4
As massas das bobinas são, respectivamente:
= $ %
= $ %
Sendo:
L = comprimento do condutor
δ = peso específico
e sua relação será:
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%
2,7
=
×
= 1,61 × = 0,488
%
8,9
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++
0,220
=
×
= 0,488 × 2,3 = 1,167
í++ 0,092
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++ = 311
4
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:
Limite de elasticidade
Condutividade
Alumínio eletrolítico normal
3
36
Alumínio 99,5
10
35,4
Cobre
12
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 0 C para o alumínio e de 250 0 C 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.
2.
3.
F.
Bobina de AT
Bobina de BT em hélice
Bobina de BT em lâmina
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
Condutor de cobre
Resina epóxi + endurecedor sem carga
24
16
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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