Transformadores de Cobre e Alumínio: O que o Metal do Enrolamento Realmente Muda

Ambos os transformadores são iguais em termos de classificação de potência, classificação de tensão e parâmetros de desempenho e pertencem à mesma classe de eficiência. No entanto, apesar do fato de que ambos os transformadores têm os mesmos parâmetros técnicos, um dos transformadores pesa cerca de 40% a mais do que o outro transformador e custa quase 20% a mais, ainda assim, está operacional enquanto o outro transformador já foi substituído. Isso é uma questão de condutores de enrolamento, que está entre os fatores dos materiais usados em todos os transformadores, ficando atrás apenas do núcleo.

Em resumo, o Alumínio tem condutividade de 61% em comparação com o Cobre e requer uma seção transversal 1,6 vezes maior para obter resistência igual, mas seu peso é cerca da metade e custa de 15 a 30% a menos em sua versão final. O Cobre é melhor quando se trata de eficiência de máquinas de 0,1 a 0,3% quando totalmente carregado, curto-circuito e confiabilidade das conexões, porque o Alumínio forma óxidos ao seu redor, tornando cada conexão um processo complicado. Independentemente dos níveis de eficiência, o Cobre é preferido para situações de carga constante onde a manutenção será difícil de realizar, assim como o Alumínio é usado para casos com restrições de peso, seja em instalações montadas em postes ou em projetos com orçamentos apertados.

Por que Ambos os Materiais Existem

O Cobre tem sido o material padrão na indústria por muitos anos. O Cobre também tem sido o parâmetro de referência da indústria para comparar metais entre si. O Padrão Internacional de Cobre Anelado afirma que o fio de cobre é baseado na condutividade do cobre a 100% IACS.

O Alumínio chegou a este domínio por duas razões que não têm nada a ver com desempenho. Primeiro, há o preço. O preço do alumínio no mercado é apenas uma fração do preço do cobre por quilograma e é bastante estável também. Em segundo lugar, há uma superioridade de peso do alumínio. O Alumínio é aproximadamente três vezes mais leve que o cobre e esse fator importa quando se trata de transformadores montados em postes.

Como resultado, o mundo foi geograficamente dividido em dois grupos de países em termos de sua escolha de metal, e isso pode surpreender os compradores. Por exemplo, o país da Índia tem usado transformadores de distribuição com enrolamento de alumínio por um longo tempo, e transformadores montados em postes de alumínio têm sido produzidos na região. Por outro lado, os Estados Unidos eram um país que usava cobre devido a falhas infelizes com fios de alumínio na década de 1970, o que criou uma desconfiança de longa data em relação ao alumínio, e o cobre se tornou o principal metal em uso na área.

Ambas as estratégias não estão erradas; elas refletem as prioridades dos países e possibilitam fazer a escolha certa dependendo dessas prioridades.

Sete Números que os Separam

Propriedade	Cobre	Alumínio
Condutividade	100% IACS	61% IACS
Resistividade a 20°C	1,72 µΩ·cm	2,83 µΩ·cm
Seção transversal para resistência igual	1.0	1.6
Densidade	8,89 g/cm³	2,70 g/cm³
Peso do enrolamento em classificação igual	1.0	Cerca de 0,5
Expansão térmica	16,5–17 ppm/K	23,1 ppm/K
Resistência à tração	200–250 MPa	70–100 MPa
Ponto de fusão	085°C	660°C

Quatro linhas são responsáveis por tudo o mais.

• A seção da corrente é determinada pela condutividade. O alumínio tem uma condutividade de 61% IACS e requer uma área 1,6 vezes maior para conduzir a mesma quantidade de corrente. Como resultado, há uma janela de enrolamento maior que geralmente requer um núcleo e tanque de transformador maiores. Ele fica maior, mas mais leve.
• A razão para tal efeito é a densidade. É importante destacar que não é um fator negligenciável, pois influencia muitos aspectos, como a carga do guindaste, o custo de transporte e o design da caixa.
• A expansão térmica é a razão para problemas de conexão. A expansão térmica do alumínio é muito maior do que a do cobre, o que significa que cada conexão do transformador de alumínio estará sujeita a um movimento maior.
• A explicação da resistência à tração também é importante para a compreensão do motor de curto-circuito. Quando ocorre uma falha, muitas forças eletromagnéticas surgem para serem iguais ao quadrado da corrente aplicada aos enrolamentos do motor.

As diferenças de construção que decorrem dessas escolhas, incluindo como um design de resina fundida acomoda uma janela de enrolamento maior, são visíveis nesta comparação de SCB13 e designs internacionais de resina fundida.

Eficiência: O argumento de 0,1 a 0,3%, feito corretamente

Embora a diferença de eficiência não seja tão substancial quanto a maioria das conversas de vendas implica, seu impacto econômico é maior do que os compradores assumem.

Quando ambos os transformadores são feitos de acordo com o mesmo padrão e o enrolamento de alumínio recebe uma seção transversal maior conforme necessário, a diferença de eficiência em plena carga chega a cerca de 0,1% a 0,3%, o que é de fato comprovado pela literatura de engenharia. Na verdade, os números em torno de 1,5-2 % geralmente comparam transformadores de alumínio com transformadores de cobre feitos de acordo com um padrão mais alto.

Vamos calcular a matemática. Vamos considerar um transformador de 1.000 kVA classificado para 4.000 horas de operação e 60% de carga em média. Nesta capacidade, a diferença de eficiência de 0,2% significa praticamente que o transformador perde cerca de 1,2 kW de energia, o que equivale a cerca de 4.800 kWh que são perdidos por ano. O custo resultante dessa perda de energia a preços comerciais chega a várias centenas de dólares por ano, o que significa que os benefícios de eficiência são significativamente maiores do que o investimento inicial feito para comprar o equipamento.

Portanto, essa também é a razão pela qual a maioria das avaliações de ciclo de vida realizadas nesta indústria conclui que o cobre recupera seus custos em 4-7 anos para transformadores que operam continuamente com uma capacidade de 1.000 kVA. Acima dessas capacidades, sejam transformadores de espera ou transformadores que operam intermitentemente, o alumínio se mostra uma escolha melhor.

No que diz respeito à conformidade, o mesmo se aplica a ambos os materiais. As regulamentações de eficiência em vigor, incluindo aquelas estabelecidas pelo U.S. DOE e o Nível 2 dos padrões de eficiência da UE, implicam que, se o design em alumínio atender à classificação de eficiência, ele está em conformidade com as regulamentações. A única coisa que geralmente se precisa neste caso é usar um núcleo maior e condutores maiores – materiais que, na prática, fariam uma diferença nas perdas de energia.

Como essa diferença de preço se distribui entre as classificações é mais fácil de ver em cotações reais do que na teoria, e a variação entre os tamanhos é abordada nesta análise de preços de transformadores na marca de 100 kVA.

Conexões: Onde o Alumínio Ganha Sua Reputação

Esta seção explica a maioria dos resultados do mundo real.

O cobre também oxida, mas o óxido de cobre é um semicondutor e se degrada sob pressão de contato, o que significa que quando uma conexão de cobre com parafuso é apertada, a conexão metal-a-metal é retomada. O óxido de alumínio, por outro lado, consiste em um isolante duro e resistente com um ponto de fusão muito alto que não se degrada sob pressão e que é rapidamente criado em uma superfície recém-abrasiva. Uma conexão que parece apertada pode ter uma resistência alta o suficiente para produzir calor.

Este único recurso serve como uma explicação para as falhas da fiação de ramificação de alumínio na América do Norte na década de 1970 e a razão pela qual qualquer transformador de alumínio confiável utiliza muitas contramedidas combinadas.

• Revestimento. O revestimento de cobre ou estanho do condutor de alumínio previne a formação de óxido na interface de contato.
• Juntas de transição. Uma peça de transição de cobre para alumínio, seja soldada por fricção ou unida explosivamente, passa da interface de difícil controle para uma parte controlada pela fábrica.
• Soldagem ultrassônica. Rompe a camada de óxido e une-se em nível molecular, criando uma junta com uma interface livre de corrosão.
• Composto antioxidante combinado com um conector adequado. A terminação em campo deve incluir pasta e hardware que sejam adequados para o condutor de alumínio. Os códigos geralmente são rigorosos quanto à adequação da conexão ao material do condutor.
• Transformadores de alumínio modernos com condutores revestidos e juntas de transição de fábrica são dispositivos confiáveis, ao contrário de um transformador de alumínio terminado em campo por alguém não familiarizado com as regras e, assim, ganhou essa má reputação.

Se um enrolamento eventualmente falhar, se ele pode ser reconstruído é uma questão material por si só. O cobre é refeito de forma limpa e é fácil de soldar; o alumínio é mais difícil de reparar e muitas vezes é descartado, o que é o contexto prático para recondicionamento e reparo de transformadores.

Vida útil e o que realmente envelhece

Quando se trata de isolamento, a idade é um fator chave, pois é afetada pela temperatura elevada. Cada incremento de 8-10°C nas temperaturas de pontos quentes pode resultar em uma vida útil do isolamento mais curta. A essência do isolamento térmico pode ser observada a partir dessas mudanças de temperatura, em vez das propriedades do metal.

Além disso, o cobre apresenta a menor quantidade de resistência em comparação com o alumínio, é por isso que muito pouco calor é gerado com o cobre, uma vez que há menos calor. Além disso, o cobre pode distribuir calor de maneira uniforme e muito bem. O alumínio produz ainda mais calor, mas não consegue dispersá-lo de forma eficiente, o que aumenta o ponto quente para o mesmo projeto, a menos que resfriamento adicional seja fornecido.

A tecnologia de alumínio pode abordar todas essas questões de forma eficaz, e uma das melhores maneiras de fazer isso é melhorar o isolamento. Mover-se da Classe B (a 130°C) para a Classe H (a 180°C) significa que a desvantagem térmica é eliminada, o que é uma abordagem padrão para construções de alumínio basicamente boas. O metal não é alterado; mas o que mudou foram as condições circundantes.

Quando se trata de ambientes agressivos, a umidade e os produtos químicos afetam o cobre, enquanto o alumínio isolado é aceitável apenas quando revestido. Há uma diferença real entre as inspeções de alumínio e cobre, se a instalação for costeira e tiver vinte anos de exposição ao sal.

Agora chegamos à vida útil real: um transformador de cobre de boa qualidade pode durar mais de 30 anos sob serviço normal e com manutenção regular; por outro lado, um transformador de alumínio pode alcançar a mesma expectativa de vida se seus terminais forem bem cuidados.

Como Saber o Que Você Tem

Quatro métodos, classificados em ordem de mínimo a máximo esforço necessário.

• O teste de arranhão. Você precisa arranhar um condutor de enrolamento até que o metal por baixo se torne visível. O cobre adquirirá um brilho avermelhado enquanto o alumínio permanecerá branco prateado. Embora as cores do isolamento não forneçam informações confiáveis sobre o metal utilizado, pois tanto o cobre quanto o alumínio usam um esmalte âmbar semelhante, é o teste que os sucateiros geralmente usam para ter uma maneira fácil de evitar pagar por uma unidade de cobre sob uma taxa de alumínio.
• A placa de identificação. Muitos fabricantes indicam que tipo de metal está sendo utilizado na fabricação do enrolamento, e, portanto, se houver uma placa de identificação indicando que o alumínio está sendo utilizado, essa declaração é final. A ausência de tal indicação não significa nada.
• O peso. Compare com o peso publicado do projeto. Uma unidade de alumínio com a mesma classificação de kVA e do mesmo tipo de invólucro geralmente pesa de 20 a 40 por cento menos do que uma unidade de cobre da mesma configuração, porque o tanque e o núcleo dominam.
• A resistência. Você simplesmente precisa testar a resistência DC para cada enrolamento e comparar com o valor de resistência calculado do cobre.

A abordagem de medição e os valores de aceitação são os mesmos usados na comissionamento, estabelecidos neste guia para testar um transformador antes de ser energizado.

Escolhendo: As Regras de Decisão

Cinco regras que governam e que são destinadas aos fins de especificação.

• Operação contínua pesada. Cobre. A diferença de eficiência é compensada e a margem térmica estende a vida útil.
• Instalação com limitações de peso. Alumínio. Pode ser uma instalação em poste, um telhado, estrutura com limites, ou qualquer local onde o guindaste seja um fator limitante.
• Acesso difícil para manutenção. Cobre. Menos conexões de juntas para reapertar e menos dependência de uma crítica de que tudo foi feito corretamente.
• Ambiente severo. Cobre ou alumínio com revestimento adequado e registro de inspeções.
• Um projeto com orçamento limitado e baixa utilização. Alumínio. A consideração do ciclo de vida é inaudível para transformadores que funcionam menos de 800 horas por ano.

Duas especificações superam as cinco menções acima. Se o padrão do cliente especifica cobre, é algo a ser utilizado independentemente dos cálculos. Se a corrente de falha no barramento for alta, a discussão passará do argumento do material eficiente para a resistência mecânica, tornando-se uma questão de segurança em vez de desperdício de dinheiro. Uma unidade padrão como um transformador de redução de 150 kVA está disponível em qualquer um dos materiais, e a escolha certa depende de qual dessas regras se aplica.

Valor de sucata e Fim de Vida

O metal também importa no final, e a diferença não é pequena.

Material	Sucata de unidade inteira	Enrolamento descascado
Transformador com enrolamento de cobre	$0.25–$0.60/lb, média de cerca de $0.35	$3.20–$3.90/lb como cobre #2
Transformador com enrolamento de alumínio	$0.10–$0.20/lb	Muito mais baixo; raramente vale a pena descascar

A diferença significativa entre as políticas de preços de unidades inteiras e unidades descascadas exige que os pátios saibam qual é o enrolamento antes de cotar o preço. Isso significa também que o transformador de cobre tem valor residual, que o alumínio não possui, e, portanto, deve ser parte do custo total de propriedade de uma grande unidade.

Existem dois avisos antes de retirar qualquer coisa. Unidades preenchidas com óleo devem ser drenadas e o óleo produzido antes de 1979 pode conter PCBs e, portanto, classifica o equipamento como resíduo perigoso em vez de sucata. Confirme a idade e também verifique a placa de identificação para a marca de não-PCB antes de organizar a coleta.

Perguntas Frequentes

Quais são as diferenças entre transformadores de cobre e alumínio?

A principal diferença é a condutividade: um fio de alumínio transporta 61% da carga de um fio de cobre com a mesma seção transversal. Isso significa que um enrolamento de alumínio precisa ser cerca de 1,6 vezes maior com metade do peso. A resistência do cobre é maior e a expansão é menor, onde o cobre é melhor em resistir a forças de curto-circuito, e a terminação é mais confiável porque o óxido de cobre pode conduzir. O preço do alumínio é 15-30% mais baixo, seu peso é cerca de 40% menor.

Como saber se um transformador é de cobre ou alumínio?

Para chegar ao metal nu de um condutor de enrolamento, arranhe a superfície. O cobre é vermelho e o alumínio é branco-prateado; no entanto, deve-se enfatizar que a cor do esmalte não é diagnóstica. Se os testes de arranhão não puderem ser feitos, compare o peso da unidade com os números disponíveis na literatura ou meça a resistência DC de uma bobina, onde a razão será cerca de 1,6 vezes para alumínio em comparação com cobre para o mesmo design.

Por que o alumínio e o cobre não podem ser usados juntos?

Eles podem, mas não se contatados diretamente em um ambiente úmido. Um casal galvânico é formado quando esses dois metais estão conectados, o que significa que o alumínio será corroído primeiro nessa conexão. Portanto, devemos usar um conector bimetálico aprovado para cada conexão, uma placa de transição feita de soldagem por fricção ou uma barreira revestida. A maioria das jurisdições exige que os conectores sejam feitos para os materiais de condutor particulares utilizados, assim, usar um terminal de cobre nu com o condutor de alumínio é um caso de não conformidade e uma ameaça de corrosão.

Qual é o valor de sucata de um transformador de cobre?

Transformadores com enrolamento de cobre vão de $0.25 a $0.60 por libra, com um valor total de cerca de $0.35, dependendo de fatores como a relação cobre-a-aço e o pátio. Se os enrolamentos forem removidos, o cobre sozinho será vendido por #2 com um preço de $3.20 a $3.90 por libra, explicando por que coletores de sucata de alto volume desmontam transformadores. Transformadores com enrolamento de alumínio valem $0.10-0.20 por libra e raramente justificam a remoção dos enrolamentos.

Referências

• Maddox Transformador — Alumínio vs Cobre em Transformadores de Distribuição
• Elscott Transformadores — Cobre vs Alumínio Enrolamentos de Transformadores Secos
• Associação de Desenvolvimento do Cobre — Dados de Condutividade e Aplicação
• UL Solutions — Requisitos de Listagem e Construção de Transformadores
• Departamento de Energia dos EUA — Padrões de Eficiência de Transformadores de Distribuição

Conclusão

Transformadores feitos de cobre e alumínio são importantes à sua maneira. O tipo correto para um transformador específico é determinado pelo seu modo de operação, em vez de escolha pessoal. Os de cobre são adequados para cargas contínuas, condições extremas, manutenção difícil e longa vida útil. Ao mesmo tempo, o alumínio é adequado apenas se o transformador for leve e barato, e a situação permitir o uso de materiais de alumínio.

O preço do transformador não importa aqui. O único ponto que importa é a diferença nos custos anuais de perdas, dependendo do tempo de uso. Por exemplo, se o transformador for usado apenas algumas centenas de horas por ano, a diferença anual será negligenciável e próxima de zero.