Comparação enrolamento Cu x Al para transformadores

MSARAIVA CONSULTORIA LTDA Engenharia de Equipamentos Elétricos

Belo Horizonte, 29 de janeiro de 2010. DALBEN Consultoria em Engenharia Elétrica e Treinamento Ltda. Avenida Álvares Cabral, 344 – Sala 1405. 30170-000 – Belo Horizonte – MG. Assunto: Resposta a solicitação da VALE referente à comparação entre enrolamentos de cobre e alumínio para transformadores. At.: Ademir A. Dalben Em resposta a solicitação da VALE, conforme e-mail de 29/01/10, referente às diferenças construtivas e de desempenho de transformadores de 2000 kVA com enrolamentos de cobre e alumínio, seguem alguns comentários sobre o assunto baseado na prática corrente dos fabricantes e usuários de transformadores. Esses comentários se aplicam a transformadores da classe de 15 a 34,5 kV, com potência até 5000 kVA, para uso externo ou interno, de uso industrial. Estamos supondo também que o referido transformador trabalhará com um fator de carga de 50%. Outro ponto importante a ser considerado na comparação entre enrolamentos de cobre e alumínio é o tipo de isolação do transformador, isto é, seco ou imerso em óleo. No caso da isolação do tipo seco, é necessário considerar uma série de outros fatores, tais como: local da instalação (abrigada ou ao tempo), grau de poluição do local (atmosfera úmida, poeira, fumos, vapores químicos, atmosfera com gases explosivos, etc.), temperatura ambiente e variação da mesma, altitude, elevação de temperatura do material isolante, tipo do material isolante, isto é, . Os transformadores secos com enrolamento em alumínio são bastante usados pelas industrias e concessionárias norte americanas. Para a nossa comparação vamos considerar apenas o caso dos transformadores imersos em óleo isolante. A discussão da escolha entre enrolamentos de Cu e Al é um assunto cercado de muita polêmica e má informação. Vamos deixar de lado este aspecto do problema e vamos nos concentrar apenas nos fatos mais objetivos sobre o assunto. A elevação de temperatura dos enrolamentos conforme as normas é o fator determinante para se dimensionar os condutores dos enrolamentos de um transformador. Na tabela abaixo listamos alguns fatores importantes que adotaremos como critério para fazer a comparação entre enrolamento de Cu e Al em transformadores para uso industrial. Estes critérios também valem para transformadores de força e distribuição, dentro de certos limites. As propriedades físicas do Cu e Al indicadas na tabela abaixo dependem do tipo da liga usada. Critérios usados para a comparação Resistência à tração – kgf/mm2 Resistência à tração para a mesma ampacidade (kgf/mm2) Massa para a mesma condutividade (kg) Seção reta para a mesma condutividade (%) Condutividade elétrica em % IAS a 20 ºC Condutividade térmica em BTU/ft/hr/ft2/°F at 20°C Coeficiente de dilatação térmica (por °C x 10-6) Seção reta e peso dos condutores para a mesma corrente, potência e elevação de temperatura Diferença de perdas em carga e em vazio, rendimento (1) Diferença de Impedância e regulação Suportabilidade aos esforços das correntes de c. circuito (2) Dimensões da parte ativa (3) Dilatação térmica nos condutores do enrolamento (4) Diferença de custo de aquisição (5)

NOTAS:

Cobre 35,2 35,2 45,4 100 101 222 16,6 menor

Alumínio 22,5 35,2 24,5 156 61 126 23 maior

Pouca influência Não Boa menor menor maior (6 a 10%)

Pouca influência Não Boa Maior Maior Menor

MSARAIVA CONSULTORIA LTDA Engenharia de Equipamentos Elétricos

(1) – Para a mesma elevação de temperatura, 55 ºC ou 65 ºC sobre a temperatura ambiente máxima a 40 ºC, o enrolamento de alumínio deverá ter uma seção reta maior e inversamente proporcional a diferença de condutividade entre a liga de Cu e de Al usada. Conforme se pode ver a condutividade do Cu é 65,6 maior que a do Al. Desta forma pode-se fazer o enrolamento de Al com as mesmas perdas bastando escolher para o Al uma seção cerca de 61% maior. Outro ponto a ser considerado é a estratégia de projeto do fabricante em função da penalização das perdas capitalizadas impostas pelo comprador. (2) - A propriedade mais importante nesta comparação é a resistência à tração. O que interessa aqui é a capacidade do condutor suportar as forças resultantes das correntes passantes de curto-circuito e os efeitos acumulativos das mesmas. Pode-se ver também que, embora o Al tenha uma menor resistência à tração que o cobre, ele tem a mesma resistência mecânica a tração para a mesma ampacidade (35,2 kgf/mm2).Com um dimensionamento adequado os enrolamentos podem ter a mesma suportabilidade mecânica. (3) - Do ponto de vista das dimensões do transformador podemos ver pela Tabela que o alumínio tem uma seção reta 56% maior que a do cobre para a mesma capacidade de condução de corrente, o que significa menores dimensões para o transformador com enrolamento de cobre, ou seja, menor área ocupada, menor custo de fundações, menor volume de óleo, menor tamanho da bacia coletora de óleo. Outro ponto que influencia nas dimensões é a dissipação de perdas. Como o Cu tem melhor condutividade térmica isto significa melhor dissipação, mas na comparação com o Al tendo em vista que este tem seção maior, a dissipação mais eficiente vai depender dos critérios de projeto adotado. Portanto, sob o aspecto de dissipação térmica podemos dizer que os condutores de Cu e Al têm o mesmo desempenho. (4) - O coeficiente de dilatação térmica do Al é bem maior do que o do Cu para a mesma variação de temperatura. Isto é importante porque o enrolamento é construído para ter uma certa altura e para isto ele é prensado para manter a altura fixa. Em função da carga a temperatura do enrolamento aumenta ou diminui ocasionando expansão e compressão do enrolamento. Isto é agravado quando ocorre um curtocircuito passante. Estes efeitos são mais pronunciados no enrolamento de Al que no de Cu devido a diferença do coeficiente de dilatação. Para evitar isto muitos fabricantes usam arruelas de compressão especiais e molas para manter a pressão constante nos enrolamentos de Al. Isto tem influência no custo e é claro, depende do fabricante usar ou não estes recursos. Outro ponto a ser levado em conta é que o Al tem maior tendência à oxidação e, portanto, precisa de mais cuidados com a limpeza durante a fabricação das juntas e emendas. (5) – Estamos falando aqui de custo inicial de aquisição do transformador. Em uma avaliação econômica, devido a outros fatores a diferença de custo pode ser mais favorável ao enrolamento de cobre. A diferença de custo entre condutores de Cu e Al costuma ser significativa, pois estes materiais são “commodities” e estão sujeitos às oscilações do mercado, mas este fator não é o determinante do custo. O Cu oferece outras vantagens, por exemplo, é mais trabalhável que o Al na fabricação do enrolamento, não é corrosivo e mantém-se mais firme. Conclusão: Baseado nos fatos acima indicados parece-nos difícil estabelecer através dos critérios adotados uma preferência entre um tipo e o outro de condutor para os transformadores considerados na comparação. Na nossa opinião não há problema entre o uso de Cu ou Al para o enrolamento, desde que na especificação do equipamento se estabeleça o critério de projeto para uso de um ou o outro material. Sem isto, achamos arriscado aceitar enrolamentos de alumínio baseado apenas na discrição dos fabricantes, pois é claro que estes vão usar o material que for mais conveniente para obter maior vantagem econômica na venda. Atenciosamente MSARAIVA Consultoria Ltda Carlos A. de M. Saraiva.

MSARAIVA CONSULTORIA LTDA Engenharia de Equipamentos Elétricos