Ambos transformadores son iguales en términos de potencia nominal, voltaje nominal y parámetros de rendimiento y pertenecen a la misma clase de eficiencia. Sin embargo, a pesar de que ambos transformadores tienen los mismos parámetros técnicos, uno de los transformadores pesa alrededor de 40% más que el otro transformador y cuesta casi 20% más, aún así, está operativo mientras que el otro transformador ya ha sido reemplazado. Este es un asunto de conductores de bobinado, que está entre los factores de materiales utilizados en todos los transformadores, solo superado por el núcleo.
En resumen, el aluminio tiene una conductividad de 61% en comparación con el cobre y requiere una sección transversal 1.6 veces mayor para obtener una resistencia igual, pero su peso es aproximadamente la mitad y cuesta entre 15 y 30% menos en su versión final. El cobre es mejor en lo que respecta a la eficiencia de las máquinas de 0.1 a 0.3% cuando está completamente cargado, en cortocircuitos y en la fiabilidad de las conexiones, porque el aluminio forma óxidos a su alrededor, lo que hace que cada conexión sea un proceso complicado. Independientemente de los niveles de eficiencia, el cobre es preferido para situaciones de carga constante donde el mantenimiento será difícil de realizar, mientras que el aluminio se utiliza en casos con restricciones de peso, ya sea en instalaciones montadas en postes o en proyectos con presupuestos ajustados.
Por qué ambos materiales existen
El cobre ha sido el material estándar en la industria durante muchos años. El cobre también ha sido el punto de referencia de la industria para comparar metales entre sí. El Estándar Internacional de Cobre Recocido establece que el alambre de cobre se basa en la conductividad del cobre a 100% IACS.
El aluminio ha llegado a este ámbito por dos razones que no tienen nada que ver con el rendimiento. En primer lugar, está el precio. El precio del aluminio en el mercado es solo una fracción del precio del cobre por kilogramo y es bastante estable también. En segundo lugar, hay una superioridad de peso del aluminio. El aluminio es aproximadamente tres veces más ligero que el cobre y este factor importa cuando se trata de transformadores montados en postes.
Como resultado, el mundo se dividió geográficamente en dos grupos de países en términos de su elección de metal, y esto puede sorprender a los compradores. Por ejemplo, el país de India ha estado utilizando transformadores de distribución con bobinado de aluminio durante mucho tiempo, y se han producido transformadores montados en postes de aluminio en la región. Por otro lado, Estados Unidos fue un país que utilizó cobre debido a fallos desafortunados con cables de aluminio en la década de 1970, lo que creó una desconfianza duradera hacia el aluminio, y el cobre se convirtió en el metal principal utilizado en la zona.
Ambas estrategias no son incorrectas; reflejan las prioridades de los países y hacen posible tomar la decisión correcta dependiendo de esas prioridades.
Siete números que los separan
| Propiedad | Cobre | Aluminio |
|---|---|---|
| Conductividad | 100% IACS | 61% IACS |
| Resistividad a 20°C | 72 µΩ·cm | 83 µΩ·cm |
| Sección transversal para resistencia igual | 1.0 | 1.6 |
| Densidad | 89 g/cm³ | 70 g/cm³ |
| Peso de bobinado a calificación igual | 1.0 | Aproximadamente 0.5 |
| Expansión térmica | 5–17 ppm/K | 1 ppm/K |
| Resistencia a la tracción | 200–250 MPa | 70–100 MPa |
| Punto de fusión | 1,085°C | 660°C |
Cuatro filas son responsables de todo lo demás.
- La sección de la corriente está determinada por la conductividad. El aluminio tiene una conductividad de 61% IACS y requiere un área 1.6 veces mayor para conducir la misma cantidad de corriente. Como resultado, hay una ventana de bobinado más grande que generalmente requiere un núcleo y tanque de transformador más grandes. Se vuelve más grande pero más ligero.
- La razón de tal efecto es la densidad. Es importante destacar que no es un factor negligible ya que influye en muchos aspectos como la carga de la grúa, el costo de transporte y el diseño de la carcasa.
- La expansión térmica es la razón de los problemas de conexión. La expansión térmica del aluminio es mucho mayor que la del cobre, lo que significa que cada conexión del transformador de aluminio estará sujeta a un mayor movimiento.
- La explicación de la resistencia a la tracción también es importante para la comprensión del motor de cortocircuito. Cuando ocurre una falla, surgen muchas fuerzas electromagnéticas que son iguales al cuadrado de la corriente aplicada a los devanados del motor.
Las diferencias de construcción que siguen de estas elecciones, incluyendo cómo un diseño de resina fundida acomoda una ventana de bobinado más grande, son visibles en esta comparación de SCB13 y diseños internacionales de resina fundida.
Eficiencia: El argumento de 0.1 a 0.3%, hecho correctamente
Si bien la brecha de eficiencia en realidad no es tan sustancial como la mayoría de las conversaciones de ventas implican, su impacto económico es mayor de lo que los compradores asumen.
Cuando ambos transformadores se fabrican según el mismo estándar y el devanado de aluminio obtiene una sección transversal más grande según lo requerido, la diferencia de eficiencia a plena carga asciende a alrededor de 0.1% a 0.3%, lo cual está efectivamente demostrado por la literatura de ingeniería. De hecho, las cifras de alrededor de 1.5-2 % generalmente comparan transformadores de aluminio con transformadores de cobre fabricados a un estándar más alto.
Vamos a calcular la matemática. Tomemos un transformador de 1,000 kVA clasificado para 4,000 horas de operación y 60% de carga en promedio. A esta capacidad, la diferencia de eficiencia de 0.2% significa prácticamente que el transformador pierde alrededor de 1.2 kW de energía, lo que equivale a alrededor de 4,800 kWh que se pierden por año. El costo resultante de esta pérdida de energía a precios comerciales asciende a varios cientos de dólares al año, lo que significa que los beneficios de eficiencia son significativamente mayores que la inversión inicial realizada para comprar el equipo.
Por lo tanto, esta es también la razón por la cual la mayoría de las evaluaciones del ciclo de vida realizadas en esta industria concluyen que el cobre recupera sus costos en 4-7 años para transformadores que operan continuamente con una capacidad de 1,000 kVA. Por encima de estas capacidades, ya sean transformadores de reserva o transformadores que operan de manera intermitente, el aluminio demuestra ser una mejor opción.
En cuanto al cumplimiento, lo mismo se aplica a ambos materiales. Las regulaciones de eficiencia vigentes, incluidas las establecidas por el U.S. DOE y el Nivel 2 de los estándares de eficiencia de la UE, implican que si el diseño de aluminio cumple con la calificación de eficiencia, cumple con las regulaciones. Lo único que generalmente se necesita en este caso es utilizar un núcleo más grande y conductores más grandes, materiales que naturalmente marcarían una diferencia en las pérdidas de energía en la práctica.
Cómo se distribuye esa diferencia de precio entre las calificaciones es más fácil de ver en cotizaciones reales que en teoría, y la variación entre tamaños se cubre en esta revisión de precios de transformadores en el rango de 100 kVA.
Conexiones: Donde el aluminio gana su reputación
Esta sección explica la mayoría de los resultados del mundo real.
El cobre también se oxida, pero el óxido de cobre es un semiconductor y se descompondrá bajo presión de contacto, lo que significa que cuando se aprieta una conexión de cobre con un perno, la conexión metal a metal se reanuda. El óxido de aluminio, por otro lado, consiste en un aislante duro y resistente con un punto de fusión muy alto que no se descompone bajo presión y que se crea rápidamente en una superficie recién abrasiva. Una conexión que parece apretada puede tener una resistencia lo suficientemente alta como para producir calor.
Esta única característica sirve como explicación de las fallas en el cableado de ramales de aluminio en América del Norte de la década de 1970 y la razón por la cual cualquier transformador de aluminio confiable utiliza muchas contramedidas combinadas.
- Galvanizado. El galvanizado de cobre o estaño del conductor de aluminio previene la formación de óxido en la interfaz de contacto.
- Juntas de transición. Una parte de transición de cobre a aluminio, ya sea soldada por fricción o unida explosivamente, se mueve de la interfaz difícil de controlar a una parte controlada en fábrica.
- Soldadura ultrasónica. Rompe la capa de óxido y une a nivel molecular creando una unión con una interfaz libre de corrosión.
- Compuesto antioxidante combinado con un conector adecuado. La terminación en campo debe incluir pasta y hardware que sea adecuado para el conductor de aluminio. Los códigos suelen ser estrictos sobre la idoneidad de la conexión con el material del conductor.
- Los transformadores de aluminio modernos con conductores galvanizados y juntas de transición de fábrica son dispositivos confiables, a diferencia de un transformador de aluminio terminado en el campo por alguien no familiarizado con las reglas y, por lo tanto, ganaron esta mala reputación.
Si un devanado eventualmente falla, si se puede reconstruir es una cuestión material por sí misma. Los rebobinados de cobre se realizan de manera limpia y son fáciles de soldar; el aluminio es más difícil de reparar y a menudo se desecha en su lugar, lo que es el trasfondo práctico de rebobinado y reparación de transformadores.
Vida útil y lo que realmente envejece
Cuando se trata de aislamiento, la edad es un factor clave ya que se ve afectada por el aumento de temperatura. Cada incremento de 8-10°C en las temperaturas de puntos calientes puede resultar en una vida útil del aislamiento más corta. La esencia del aislamiento térmico se puede observar a partir de estos cambios de temperatura en lugar de las propiedades del metal.
Además, el cobre presenta la menor cantidad de resistencia en comparación con el aluminio, por eso se genera muy poco calor con el cobre ya que hay menos calor. Además, el cobre puede distribuir el calor de manera uniforme y muy bien. El aluminio produce aún más calor, pero no puede dispersarlo de manera eficiente, lo que aumenta el punto caliente para el mismo diseño a menos que se proporcione refrigeración adicional.
La tecnología del aluminio puede abordar todos estos problemas de manera efectiva, y una de las mejores maneras de hacerlo es mejorar el aislamiento. Pasar de la Clase B (a 130°C) a la Clase H (a 180°C) significa que la desventaja térmica se elimina, lo cual es un enfoque estándar para construcciones de aluminio básicamente buenas. El metal no cambia; pero lo que cambió fueron las condiciones circundantes.
Cuando se trata de un entorno agresivo, la humedad y los productos químicos afectan al cobre, mientras que el aluminio por sí solo está bien solo cuando está recubierto. Hay una diferencia real entre las inspecciones de aluminio y cobre, si la instalación es costera y tiene veinte años de exposición a la sal.
Ahora se trata de la vida útil real: un transformador de cobre de buena calidad puede servir durante más de 30 años en condiciones normales de servicio y con mantenimiento regular; por otro lado, un transformador de aluminio puede alcanzar la misma expectativa de vida si se cuida de sus terminales.
Cómo saber qué tienes
Cuatro métodos, clasificados en orden de mínimo a máximo esfuerzo requerido.
- La prueba de rayado. Necesitas raspar un conductor de bobinado hasta que el metal debajo se vuelva visible. El cobre adquirirá un brillo rojizo mientras que el aluminio permanecerá blanco plateado. Si bien los colores del aislamiento no proporcionan información confiable sobre el metal utilizado porque tanto el cobre como el aluminio utilizan un esmalte ámbar similar, es la prueba que los desguaces suelen utilizar para tener una forma fácil de evitar pagar por una unidad de cobre bajo una tarifa de aluminio.
- La placa de identificación. Muchos fabricantes indican qué tipo de metal se utiliza en la fabricación de bobinas, y por lo tanto, si hay una placa de identificación que indica que se está utilizando aluminio, esta declaración es definitiva. La ausencia de tal indicación no significa nada.
- El peso. Compara con el peso publicado del diseño. Una unidad de aluminio con la misma clasificación de kVA y del mismo tipo de envoltura generalmente pesa entre un 20 y un 40 por ciento menos que una unidad de cobre de la misma configuración, porque el tanque y el núcleo dominan.
- La resistencia. Simplemente necesitas probar la resistencia DC de cada bobinado y compararla con el valor de resistencia calculado del cobre.
El enfoque de medición y los valores de aceptación son los mismos que se utilizan en la puesta en marcha, establecidos en esta guía para probar un transformador antes de que se energice.
Elegir: Las Reglas de Decisión
Cinco reglas que rigen y que están destinadas a fines de especificación.
- Operación continua pesada. Cobre. La diferencia de eficiencia se compensa y el margen térmico extiende la vida útil.
- Instalación con limitaciones de peso. Aluminio. Puede ser una instalación en un poste, un techo, una estructura con límites, o cualquier sitio donde la grúa sea un factor limitante.
- Acceso de mantenimiento difícil. Cobre. Menos conexiones de juntas para volver a apretar, y menos dependencia de una crítica de que todo se ha hecho correctamente.
- Entorno hostil. Cobre o aluminio con recubrimiento adecuado y registro de inspecciones.
- Un proyecto con presupuesto limitado y baja utilización. Aluminio. La consideración del ciclo de vida es inaudible para transformadores que funcionan menos de 800 horas al año.
Dos especificaciones superan las cinco menciones anteriores. Si el estándar del cliente indica cobre, es algo que se debe usar independientemente de los cálculos. Si la corriente de falla en el bus es alta, se pasará del argumento del material eficiente a la resistencia mecánica en el asunto de la seguridad en lugar de desperdiciar dinero. Una unidad estándar como un transformador reductor de 150 kVA está disponible en cualquiera de los materiales, y la elección correcta depende de cuál de estas reglas se aplique.
Valor de chatarra y fin de vida
El metal también importa al final, y la diferencia no es pequeña.
| Material | Chatarra de unidad completa | Bobinado despojado |
|---|---|---|
| Transformador de bobina de cobre | $0.25–$0.60/lb, promedio alrededor de $0.35 | $3.20–$3.90/lb como #2 cobre |
| Transformador de bobina de aluminio | $0.10–$0.20/lb | Mucho más bajo; rara vez vale la pena despojar |
La diferencia significativa entre las políticas de precios de unidades completas y unidades despojadas requiere que los patios sepan cuál es la bobina antes de cotizar el precio. Esto significa también que el transformador de cobre tiene un valor residual, que el aluminio no posee, y por lo tanto debe ser parte del costo total de propiedad de una unidad grande.
Hay dos advertencias antes de llevarse cualquier cosa. Las unidades llenas de aceite deben ser drenadas y el aceite producido antes de 1979 puede contener PCB y, por lo tanto, clasifica el equipo como desecho peligroso en lugar de chatarra. Confirme la antigüedad y también verifique la placa de identificación para la marca sin PCB antes de organizar la recolección.
Preguntas Frecuentes
¿Cuáles son las diferencias entre transformadores de cobre y aluminio?
La principal diferencia es la conductividad: un cable de aluminio transporta 61% de la carga de un cable de cobre con la misma sección transversal. Esto significa que una bobina de aluminio tiene que ser alrededor de 1.6 veces más grande con la mitad del peso. La resistencia del cobre es mayor y la expansión es menor, donde el cobre es mejor para resistir fuerzas de cortocircuito, y la terminación es más confiable porque el óxido de cobre puede conducir. El precio del aluminio es 15-30% más bajo, su peso es alrededor de 40% menos.
¿Cómo saber si un transformador es de cobre o de aluminio?
Para llegar al metal desnudo de un conductor de bobina, raspe la superficie. El cobre es rojo y el aluminio es blanco plateado; sin embargo, debe enfatizarse que el color del esmalte no es diagnóstico. Si no se pueden realizar pruebas de raspado, compare el peso de la unidad con cifras disponibles en la literatura o mida la resistencia DC de una bobina, donde la relación será de alrededor de 1.6 veces para el aluminio en comparación con el cobre para el mismo diseño.
¿Por qué no se pueden usar juntos el aluminio y el cobre?
Se pueden, pero no si se contactan directamente en un ambiente húmedo. Se forma un par galvánico cuando estos dos metales están conectados, lo que significa que el aluminio se corroerá primero en esta conexión. Por lo tanto, debemos usar un conector bimetálico aprobado para cada conexión, una placa de transición hecha de soldadura por fricción, o una barrera recubierta. La mayoría de las jurisdicciones requieren que los conectores sean fabricados para los materiales de conductor particulares utilizados, por lo que usar un terminal de cobre desnudo con el conductor de aluminio es un caso de incumplimiento y una amenaza de corrosión.
¿Cuál es el valor de chatarra de un transformador de cobre?
Los transformadores de bobina de cobre se venden por un total de $0.25 a $0.60 por libra para un valor total de alrededor de $0.35, dependiendo de factores como la relación cobre-acero y el patio. Si se retiran las bobinas, el cobre solo se venderá por #2 con un precio de $3.20 a $3.90 por libra, explicando por qué los recolectores de chatarra de alto volumen desmantelan transformadores. Los transformadores de bobina de aluminio valen $0.10-0.20 por libra y rara vez justifican que se arranquen las bobinas.
Referencias
- Transformador Maddox — Aluminio vs Cobre en Transformadores de Distribución
- Transformadores Elscott — Bobinados de Transformadores Secos de Tipo Cobre vs Aluminio
- Asociación de Desarrollo del Cobre — Datos de Conductividad y Aplicación
- Soluciones UL — Requisitos de Listado y Construcción de Transformadores
- Departamento de Energía de EE. UU. — Normas de Eficiencia de Transformadores de Distribución
Conclusión
Los transformadores hechos de cobre y aluminio son importantes a su manera. El tipo correcto para un transformador específico se determina por su modo de operación en lugar de la elección personal. Los de cobre son adecuados para cargas continuas, condiciones extremas, mantenimiento difícil y larga vida útil. Al mismo tiempo, el aluminio solo es adecuado si el transformador es ligero y barato, y la situación permite el uso de materiales de aluminio.
El precio del transformador no importa aquí. El único punto que importa es la diferencia en los costos anuales de pérdidas dependiendo del tiempo de uso. Por ejemplo, si el transformador se utiliza solo unas pocas cientos de horas al año, la diferencia anual será negligible y cercana a cero.