Evolución de los materiales de los devanados de los transformadores

—Equilibrio entre costo y rendimiento: del cobre electrolítico al aluminio revestido de cobre

Según datos de la Asociación Internacional del Cobre (ICA), los materiales de bobinado representan entre el 35 % y el 50 % del coste total de un transformador. En los últimos 30 años, el precio del cobre se ha disparado un 380 %, lo que ha impulsado a los fabricantes globales a explorar alternativas de bajo coste. Desde el cobre electrolítico puro hasta el aluminio revestido de cobre (CCA), el acero revestido de cobre (CCS) y los conductores compuestos con nanorrevestimiento, esta revolución de los materiales ha impactado profundamente en el rendimiento y la eficiencia económica de los equipos eléctricos. Este artículo analiza la evolución y las tendencias futuras de los materiales de bobinado con base en normas como IEC 60076-7 e IEEE C57.18.10.

Contenido

1.La era del cobre electrolítico (1950-2000): el estándar de oro para el rendimiento

● Características y Estructura:El cobre electrolítico (pureza ≥99.95 %) se produce mediante refinación electrolítica, presentando estructuras reticulares uniformes y un nivel ultrabaja de impurezas. Su alta densidad de electrones libres y su baja resistencia a la migración ofrecen dos ventajas fundamentales:

(1)Conductividad excepcional: Conductividad hasta 58.5×10⁶ S/m, reduciendo las pérdidas resistivas (I²R) en un 40% en comparación con el aluminio.

(2)Ductilidad superior: Se puede estirar en filamentos de 0.1 mm para estructuras de bobinado complejas, con resistencia a la fluencia que garantiza una deformación <0.2 % a 150 °C.

● Valor para transformadores:

(1)Pérdidas bajas: En transformadores de ultra alta tensión de 400 kV, las pérdidas sin carga siguen siendo <0.1 % (según IEC 60076-1).

(2)Larga vida útil: Un transformador de 400 kV fabricado por Siemens en 1978 todavía funciona con pérdidas un 5 % inferiores a los valores de diseño después de 43 años.

● Desafíos de costos y demanda de alternativas:Después del año 2000, los precios del cobre se dispararon de $0.6/kg a $9.8/kg (máximo en 2022), sumado a las altas emisiones de carbono derivadas de la fundición de cobre (8.5 t de CO₂ por tonelada de cobre). Esto impulsó a la industria a buscar alternativas. La participación del cobre en el costo de los transformadores de distribución aumentó del 28% al 52%, lo que aceleró la demanda de soluciones ligeras y de bajo costo en los proyectos de expansión de la red eléctrica de los países en desarrollo.

2. Aluminio revestido de cobre (CCA): optimización del peso y el coste 

● Composición y fabricación del material:El aluminio revestido de cobre (CCA) utiliza tecnología de laminado en frío para unir una capa de cobre de 0.15 mm a un núcleo de aluminio (relación cobre-aluminio de 15:85). La extrusión continua garantiza una tolerancia de espesor de ±5 μm (EN 13602), mientras que el recocido elimina la tensión interfacial. El CCA soporta más de 5,000 ciclos de flexión (IEC 60213).

● Ventajas clave:

(1)Ligero: Densidad de 4.5 g/cm³ (50% de pureza)  cobre), reduciendo los costos de transporte e instalación.

(2)Rentabilidad: Costo de material de $4.8/kg frente a $9.2/kg del cobre puro, logrando un ahorro total de costos del 18%.

(3)Retención de conductividad: Conductividad IACS del 75% al ​​82%, satisfaciendo la mayoría de las necesidades de transformadores de distribución (IEC 60076-7).

● Aplicaciones:

(1)Transformadores de Distribución: El transformador de 10 MVA de Tata Power en India redujo los costos en un 18 % utilizando CCA.

(2)Subestaciones de parques eólicos: El 60% de las subestaciones de parques eólicos mundiales utilizan actualmente devanados CCA.

3. Acero revestido de cobre (CCS) y nanorrecubrimientos: avances para condiciones extremas 

● Acero revestido de cobre (CCS): Estructura con resistencia mejorada a cortocircuitos: El CCS incorpora un núcleo de acero al carbono (30-40 % de diámetro) en una matriz de aluminio, formando un compuesto de cobre, aluminio y acero. El núcleo de acero proporciona una resistencia a la tracción de ≥1200 MPa, mientras que las capas de cobre de ≥0.1 mm equilibran la conductividad y la durabilidad mecánica.

(1)Ventajas:

● Resistencia a cortocircuitos: Soporta una fuerza electromagnética de 120 kN/m (IEC 60076-5), mejorando la tolerancia a cortocircuitos en un 60 %.

● Eficiencia de costo: Costo del material de $5.1/kg, 25% más bajo que las soluciones de cobre puro de alta resistencia.

(2)Aplicaciones:

● Proyectos de ultra alto voltaje: El proyecto UHV Ji-Quan de ±1100 kV de China utiliza CCS para una resistencia de cortocircuito de 63 kA.

● Industrias pesadas: Los transformadores de la planta siderúrgica de ThyssenKrupp en Alemania redujeron los fallos por cortocircuito en un 45%.

● Nano-recubrimientos: Revolucionando la estructura resistente a la corrosión

Se aplica un recubrimiento compuesto de grafeno y sílice de 50 nm mediante deposición química de vapor (CVD). La red hexagonal del grafeno bloquea la humedad y el oxígeno, mientras que la sílice mejora la resistencia al desgaste.

(1)Ventajas:

● Resistencia a la corrosión: Pasa >3,000 horas en pruebas de niebla salina (ISO 9227), 3.75 veces mejor que el cobre puro.

● Baja resistencia de contacto: El recubrimiento reduce la resistencia de contacto a 0.15 mΩ (ASTM B539), minimizando la generación de calor.

(2)Aplicaciones:

● Subestaciones costeras: La subestación Yokohama de Toshiba en Japón extiende la vida útil de los equipos a 40 años.

● Parques eólicos marinos: El CCA recubierto reduce las fallas en un 70% en entornos de niebla salina, extendiendo los ciclos de mantenimiento de 2 a 5 años.

4. Rendimiento comparativo de los materiales de bobinado

En resumen

Conclusión La innovación en materiales de bobinado equilibra coste, rendimiento y sostenibilidad:

● CCA ofrece un rendimiento del 80% con un coste del 60%, dominando los mercados de transformadores de distribución.

● CCS ofrece una resistencia a la tracción de 350 MPa, ideal para Protección contra cortocircuitos de ultra alto voltaje.

● Los nanorrecubrimientos prolongan la vida útil de los equipos costeros De 25 a 40 años. Las tendencias futuras incluyen la fibra de carbono (densidad de 2.0 g/cm³) y los superconductores de alta temperatura, que se proyecta reducirán los costos en un 40 % para 2030 y acelerarán las transiciones energéticas globales.

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