Transformadores secos Zaragoza Aluminium vs Copper ABB Group
Transformadores secos Zaragoza Aluminium vs. Copper © ABB Group 03 September 2021 | Slide 1
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 2
Antecedentes Históricos: ¿Por qué se usaba el Cobre? Los fabricantes empleaban Cu en la AT Porque no existía otra opción… § 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. § § © ABB Group 03 September 2021 | Slide 3 No existían fabricantes especialistas en máquinas de bobinado. Las bobinas de baja tensión tan solo se fabricaban en Aluminio.
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 4
Próximo paso: ¿por qué usar aluminio? …hasta que la opción apareció… Varias razones condujeron al cambio § § 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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 5 bajo y estable.
Comparativa Cu / Al © ABB Group 03 September 2021 | Slide 6 § Razonamiento para la elección del material de la bobina § Coeficiente de expansión § Conductividad eléctrica § Capacidad calorífica § Comportamiento mecánico en cortocircuito
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 7
Comparativa Cu / Al Razones comunes para elegir el material de los arrollamientos 1 2 3 4 5 6 7 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 8
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 9
Comparativa Cu / Al Coeficiente de expansión de Conductores y Resina Hexagonal nut DIN 934 Plain Waser DIN 7349 Hexagonal Bolt DIN 933 Busbar Coeficiente de expansión de Aluminio § Coeficiente de expansión de Cobre § Coeficiente de expansión de Resina § Soluciones adecuadas para las terminales de Aluminio conexiones de cables de Cu Spring Waser DIN 6796 23( ºCx 10 -6 a 20ºC) 16. 6 (ºCx 10 -6 a 20ºC) 34(ºCx 10 -6 a 20ºC) Primera Conclusion: 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. § © ABB Group 03 September 2021 | Slide 10
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: § © ABB Group 03 September 2021 | Slide 11 Los esfuerzos mecánicos en la resina son más bajos para las bobinas de aluminio.
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 12
Comparativa Cu / Al Conductividad eléctrica El Aluminio tiene solo un 61% de conductividad en cobre, Entonces… ¿mayores pérdidas? § Aluminio ( Al): 36. 6 106 W-¹m-¹ § Cobre ( Cu): 59. 6 106 W-¹m-¹ § 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. Esta sección sería… + RCu = LCu/SCu x Cu ; RAl = LAl /SAl x Al SAl /SCu = Cu / Al = 59. 6/36. 6 = 1, 63 SAl = 1, 63 SCu - 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. § © ABB Group 03 September 2021 | Slide 13
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 14
Comparativa Cu / Al Capacidad calórica Calor específico - Aluminio (c. Al): Calor específico - Cobre (c. Cu): 0. 220 cal/gºC 0. 092 cal/gºC § Un diseño en aluminio es 0. 488 veces el del cobre: § Capacidad calorífica Al = MAl x c. Al ; Capacidad calorífica Cu = MCu x c. Cu § Capacidad calorífica Al / Capacidad calorífica Cu = (MAl / Mcu) x (c. Al / c. Cu) = = 0, 488 x (0, 220/0, 092) = 1, 167 16, 7% más alto en Al. Conclusiones: © ABB Group 03 September 2021 | Slide 15 § 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.
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 16
Comparativa Cu / Al Comportamiento mecánico bajo condiciones de cortocircuito § Punto crítico: Localizado en la baja tensión. cortocircuito Bobinas de alta tensión: No sufren esfuerzos mecánicos en 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 / 2 I § Aluminio Al = 2. 34 M / t § Cobre Cu = 6 M / t 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. Conclusiones: § © ABB Group 03 September 2021 | Slide 17 El aluminio es una alternativa muy segura en comparación con el cobre, con respecto a las tensiones mecánicas bajo condiciones de corto circuito.
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 18
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. © ABB Group 03 September 2021 | Slide 19
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 20
Arrollamientos con discos de hojas de aluminio Resumen © ABB Group 03 September 2021 | Slide 21 § 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.
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 © ABB Group 03 September 2021 | Slide 22
Conclusiones Las bobinas de Al tienen las siguientes ventajas Este es el estándar de ABB Zaragoza …apuesta por él!! © ABB Group 03 September 2021 | Slide 23 § 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.
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