Cidade Ano

ROBSON AMARILHA ACOSTA

COMPARATIVO ENTRE COBRE E ALUMÍNIO NOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO

Sinop 2021

COMPARATIVO ENTRE COBRE E ALUMÍNIO NOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à FACISAS – Faculdade de Ciências Sociais Aplicadas de Sinop, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.

Orientador: Patrich Magro

ROBSON AMARILHA ACOSTA

ROBSON AMARILHA ACOSTA

COMPARATIVO ENTRE COBRE E ALUMÍNIO NOS

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à FACISAS – Faculdade de Ciências Sociais Aplicadas de Sinop, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.

BANCA EXAMINADORA

Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)

Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)

Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)

Sinop, 27 de novembro de 2021

Dedico este trabalho a minha família, que

sempre esteve presente em vida,

contribuindo de forma direta e indireta para

esse momento especial que estou

vivenciando.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a DEUS, pois sem a presença Dele na minha vida

nada seria possível e também a minha querida esposa que teve paciência e

compreensão nas minhas ausências que muitas vezes tive que dedicar aos estudos.

ACOSTA, Robson Amarilha. Comparativo entre cobre e alumínio nos transformadores de distribuição. 2021.30 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica – FACISAS – Faculdade de Ciências Sociais Aplicadas de Sinop, Sinop, 2021.

RESUMO

O Sistema elétrico de potência tem como objetivo atender às necessidades de energia elétrica dos consumidores, sejam eles residenciais, comerciais ou industriais. Está interligado por três subsistemas: sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia. O transformador é um dispositivo elétrico presente em todas as etapas do sistema de potência. Devido à importância e o alto custo dos transformadores, o mercado oferece dois modelos estruturais, transformadores de enrolamento de alumínio e transformadores de enrolamento de cobre. Os transformadores de alumínio estão crescendo rapidamente no mercado e a diferença nos preços de compra é razoável. Este trabalho propõe uma comparação entre cobre e alumínio em transformadores de distribuição, levando em consideração questões técnicas, econômicas e a vida útil dos equipamentos. O objetivo geral é descrever a estrutura, dados técnicos e econômicos de um transformador de alumínio e cobre. O objetivo específico é descrever seu princípio de funcionamento, mostrar as propriedades físicas do material e compreender os ensaios dielétricos realizados no transformador. O tipo de pesquisa realizada neste trabalho é uma revisão de literatura, na qual livros e artigos científicos são acessados por meio de busca nas seguintes plataformas: Google Academic, Scielo e Periódicos Capes. O período do artigo de pesquisa é o trabalho publicado nos últimos 30 anos. Conhecendo as propriedades elétricas do cobre ou alumínio, foi possível entender as vantagens e desvantagens de cada produto e desta forma compreender que o alumínio tem uma melhor aplicação em equipamentos de menor potência. Através dos ensaios elétricos realizados nos transformadores foi possível verificar que tanto o cobre, como o alumínio em transformadores, se bem projetados, atendem aos requisitos das normas técnicas relacionadas às perdas elétricas nos transformadores de distribuição. Palavras-chave: Transformadores. Cobre. Alumínio. Ensaios. Bobinagem.

ACOSTA, Robson Amarilha. Comparison between copper and aluminum in distribution transformers. 2021. 30 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica – FACISAS – Faculdade de Ciências Sociais Aplicadas de Sinop, Sinop, 2021.

ABSTRACT

The Electric Power System aims to meet the electricity needs of consumers, whether residential, commercial or industrial. It is interconnected by three subsystems: energy generation, transmission and distribution systems. The transformer is an electrical device present in all stages of the power system. Due to the importance and high cost of transformers, the market offers two structural models, aluminum winding transformers and copper winding transformers. Aluminum transformers are growing rapidly in the market and the difference in purchase prices is reasonable. This work proposes a comparison between copper and aluminum in distribution transformers, taking into account technical and economic issues and the useful life of the equipment. The general objective is to describe the structure, technical and economic data of an aluminum and copper transformer. The specific objective is to describe its working principle, show the physical properties of the material and understand the dielectric tests performed on the transformer. The type of research carried out in this work is a literature review, in which books and scientific articles are accessed through a search on the following platforms: Google Academic, Scielo and Capes Periodicals. The period of the research article is the work published in the last 30 years. Knowing the electrical properties of copper or aluminum, it was possible to understand the advantages and disadvantages of each product and thus understand that aluminum has a better application in lower power equipment. Through electrical tests carried out in transformers, it was possible to verify that both copper and aluminum in transformers, if well designed, meet the requirements of technical standards related to electrical losses in distribution transformers.

Keywords: Transformers. Copper. Aluminum. Essay. Winding.

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABAL Associação Brasileira do Alumínio

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

NBR Norma Brasileira

13

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 14

2 TRANSFORMADORES ..................................................................................... 15

2.1 MONTAGEM DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO ........................... 16

2.2 CIRCUITO ELÉTRICO DOS TRANSFORMADORES ..................................... 17

2.3 CIRCUITO MAGNÉTICO DOS TRANSFORMADORES ................................. 18

3 PROPRIEDADES FISÍCAS DO COBRE E DO ALUMÍNIO ............................... 20

3.1 COBRE ........................................................................................................... 20

3.2 ALUMÍNIO ...................................................................................................... 21

3.3 COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES DO COBRE E DO ALUMÍNO .......... 22

4 ENSAIOS DIELÉTRICOS NOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO . 24

4.1 RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO ............................................................... 24

4.2 ENSAIO DE TENSÃO SUPORTÁVEL NOMINAL À FREQUÊNCIA

INDUSTRIAL ............................................................................................................. 25

4.3 ENSAIO DE PERDAS EM CARGA E IMPEDÂNCIA DE CURTO-CIRCUITO . 26

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 29

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 30

14

1 INTRODUÇÃO

O Sistema elétrico de potência tem por finalidade suprir a demanda de energia

elétrica dos consumidores, sejam residenciais, comerciais ou industriais. É interligado

por 3 subsistemas: sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia

elétrica. Dentre os sistemas citados, há um equipamento elétrico que possui vital

importância em todas as etapas do sistema elétrico de potência, tanto na geração,

como na transmissão e principalmente na distribuição da energia, trata se do

transformador.

Devido à grande importância do equipamento no sistema elétrico e também do

elevado custo, o mercado oferece dois modelos construtivos, transformadores com

enrolamento em alumínio e transformadores com enrolamento em cobre. Tendo um

alto crescimento no mercado, os transformadores fabricados em alumínio, justificado

pela diferença de valores para aquisição.

Considerando os dois modelos construtivos, qual seria o melhor para ser

utilizado em sistemas de distribuição? O trabalho tem como proposta o comparativo

entre cobre e alumínio nos transformadores de distribuição, considerando as questões

técnicas, econômicas e a vida útil do equipamento.

O objetivo geral foi descrever os dados construtivos, técnicos e econômicos de

transformadores, fabricados em alumínio e em cobre, sendo os objetivos específicos

descrever o princípio de funcionamento dos mesmos, apresentar as propriedades

físicas dos materiais e compreender os ensaios dielétricos realizados nos

transformadores.

O tipo de pesquisa realizado neste trabalho, foi uma Revisão de Literatura, no

qual foi realizada uma consulta a livros, dissertações e artigos científicos selecionados

através de busca nas seguintes plataformas Google Acadêmico, Scielo e Periódicos

Capes. O período dos artigos pesquisados foram os trabalhos publicados nos últimos

30 anos. As palavras-chave utilizadas na busca foram transformadores, comparativo

entre cobre e alumínio, ensaios em transformadores, propriedades do cobre e

propriedades do alumínio.

15

2 TRANSFORMADORES

As exigências técnicas e econômicas impõem a construção de grandes usinas

elétricas, normalmente situadas em regiões distantes dos centros de aproveitamento,

desta forma surge a necessidade de transportar a energia elétrica por meio de linhas

de transmissão (MARTIGNONI, 1991).

A solução surgiu com invenção do transformador por Gaulard e Gibbs, em 1881

e desta forma foi possível elevar a tensão para a transmissão, pois com isso reduz a

corrente e consequentemente se utiliza menor bitola de fio para transmissão e após o

transporte reduzir novamente a tensão para o consumo (VASCONCELOS, 2017).

De acordo com Allan (2014), historicamente as primeiras aplicações práticas

dos transformadores tinham por objetivo solucionar o problema do transporte

energético enfrentados, principalmente, pela eletrotécnica. Foram construídos entre

os anos 1878 e 1883 circuitos capazes de dividir a tensão elétrica, Jablochkoff e

Gaulard & Gibbs, respectivamente, construíram tais circuitos com finalidades distintas.

Fazendo uso dos circuitos primários da bobina para induzir a tensão ao circuito

secundário, o qual alimentava um circuito elétrico conectado em série, Jablochkoff foi

capaz de testar o funcionamento de diversas lâmpadas, também, em série. Gaulard &

Gibbs em 1883, com o mesmo procedimento apresentaram o circuito secundário em

paralelo a outro circuito, alimentando-o e comprovando o seu funcionamento.

De acordo com Alfonso Martignoni (1991), o princípio de funcionamento do

transformador é baseado no efeito de indução mútua, ou seja, em todos os casos de

indução magnética, uma força eletromotriz induzida faz com que a corrente circule em

um circuito fechado, se opondo de tal forma a variação que a produziu.

Um transformador é um dispositivo que converte, por meio da ação de um

campo magnético, a energia elétrica de corrente alternada de uma dada frequência e

nível de tensão em energia elétrica de corrente alternada de mesma frequência, mas

outro nível de tensão. Ele consiste em duas ou mais bobinas de fio enroladas em torno

de um núcleo ferromagnético de aço silício. Essas bobinas não estão conectadas

diretamente entre si. A única conexão entre as bobinas é o fluxo magnético comum

presente dentro do núcleo (CHAPMAN, 2013).

O transformador é composto por enrolamento primário (que recebe energia),

enrolamento secundário (que alimenta a carga) e circuito magnético. Ao ser aplicado

16

uma tensão alternada no primário, faz com que circule uma corrente também alternada

no primário, que por sua vez dará condições do surgimento de um fluxo também

alternado. A maior parte deste fluxo ficará confinado no circuito magnético, porque é

o menor caminho de relutância (MARTIGNONI, 1991).

Desta forma esse fluxo originará uma força eletromotriz também alternado no

secundário proporcional ao número de espiras do respectivo enrolamento. O

fenômeno da transformação é reversível, ou seja, poderá ser aplicado tensão em

qualquer dos enrolamentos e terá uma força eletromotriz do outro (MARTIGNONI,

1991).

De acordo com as leis de Faraday e Lenz, ao passar uma corrente através de

um fio, origina-se no mesmo um campo magnético, onde o sentido da corrente

determina a orientação do fluxo magnético, ou seja, a indução eletromagnética

relaciona a taxa de variação de fluxo magnético através de uma espira com a

magnitude da força eletromotriz induzida. Devido a essas interpretações físicas, surge

que, a variação do fluxo magnético externo perto de uma espira, induz uma corrente

na mesma, de modo que produz um campo magnético contrário ao campo externo.

Este princípio é uma consequência da conservação da energia aplicada à indução

eletromagnética (HALLIDAY, RESNICK e WALKER, 2009).

O transformador consiste em dois ou mais enrolamentos acoplados a um

núcleo e ao conectar uma fonte de tensão alternada ao enrolamento, que representa

a espira do transformador, denominada lado primário, é gerado um fluxo magnético

alternado, e sua intensidade depende diretamente da tensão aplicada ao primário,

sendo este fluxo magnético comum ao primário e secundário, pois o fenômeno é

reversível (FITZGERALD, KINGSLEY e UMANS, 2013).

2.1 MONTAGEM DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO

O processo de produção do transformador consiste em bobinagem, montagem

da parte ativa e montagem final. A bobinagem corresponde ao circuito elétrico, sendo

a confecção das bobinas. A parte ativa é formado pela montagem das bobinas no

circuito magnético e a montagem final é a colocação da parte ativa no tanque do

transformador, juntamente com os dispositivos isolantes (MANSILHA,2015).

17

O processo construtivo dos transformadores é subdividido em duas partes: a

ativa e a complementar. A parte ativa do transformador é composta pelos

enrolamentos de alta e baixa tensão e pelo núcleo magnético. Sendo o núcleo

constituído por chapas delgadas justapostas, fabricado com um material de aço-silício

com espessura 0,27mm, a composição do silício pode variar entre 1,5 % a 3 %. A

parte complementar refere-se aos dispositivos de prensagem, calços e isolamento

(MARTIGNONI, 1991; SALUSTIANO, 2012; KASPAREIT, 2015).

2.2 CIRCUITO ELÉTRICO DOS TRANSFORMADORES

Quando observado alguns objetos, independente de qual área seja aplicado,

logo faz-se uma análise geral que envolve dimensões, peso, desempenho, custo,

possibilidade de satisfazer a necessidade da compra, durabilidade, desenho,

acabamento e outras características importantes (WLADIKA, 2008).

O circuito elétrico dos transformadores é formado pelas bobinas fabricadas em

cobre ou alumínio, divididas em várias camadas e isoladas com material isolante,

proporcional a tensão do projeto. Os enrolamentos correspondem a grande parte do

custo (RIES,2007).

Por muito tempo a preferência foi por fios de cobre, porém devido o alumínio

ser o terceiro elemento mais encontrado e o mais abundante entre os elementos

metálicos a preferência passou a ser fios em alumínio (CARDOSO,2011).

O circuito elétrico se divide em enrolamento primário e enrolamento secundário.

O enrolamento primário é o que recebe a energia, enquanto que o enrolamento

secundário alimenta a carga. A determinação da bitola do condutor do enrolamento é

com base na densidade de corrente, estabelecida no projeto (SIMONE, 1998). De

acordo com Rogério Salustiano (2012), a quantidade de corrente que passa em um

condutor, por unidade de área é a densidade.

As bobinas são fabricadas em moldes cilíndricos ou retangulares fabricados em

madeira, distribuídas em camadas isoladas com papel kraft e depois envernizadas

(RIES,2007).

A determinação dos números de voltas, também chamadas de espiras, é com

base na potência, tensão, seção do circuito magnético e da indução magnética do

transformador (SIMONE, 1998).

18

Os transformadores trifásicos possuem diversos tipos de conexões e os mais

utilizados no sistema de distribuição são estrela-estrela, delta-estrela, estrela-delta e

delta-delta, no seu primário e o secundário, respectivamente. Na ligação estrela-

estrela cria um ponto comum entre os enrolamentos conhecido como ponto neutro a

ligação estrela é caracterizado pela corrente de linha ser igual ao módulo da corrente

de fase e a tensão de fase ser equivalente em módulo a 1/√3 da tensão de linha, ou

seja 58% da tensão da tensão de linha. A ligação em estrela requer menor quantidade

de voltas, porém, condutores de maior seção, devido à alta corrente por fase

(DELGADO, 2010).

De acordo com Delgado (2010) a ligação delta-delta é caracterizada por

tensões de fase a serem em módulos iguais às tensões de linha e a corrente de fase

ser equivalente em módulo a 1/√3 da corrente de linha e a ligação estrela-delta ou

delta-estrela, apresenta as características típicas citadas na ligação estrela e delta,

respectivamente.

2.3 CIRCUITO MAGNÉTICO DOS TRANSFORMADORES

Conforme Salustiano (2012) o núcleo é formado de um material ferromagnético,

com alta permeabilidade e pequena relutância, para assegurar uma menor dispersão

do fluxo magnético. O alto grau de acoplamento entre os enrolamentos primário e

secundário podem gerar um rendimento de até 99,8%, dependendo das

características construtivas.

Um núcleo magnético trifásico perfeitamente simétrico com relação as três

colunas, apresentam a mesma relutância, fazendo com que as correntes

magnetizantes das três colunas sejam iguais, entre si, assim constituem um sistema

trifásico simétrico e equilibrado. O desenvolvimento desse tipo de núcleo possui um

grau de dificuldade considerado e, portanto, empregado em casos especiais, pois,

torna o transformador caro e pesado, dessa forma o núcleo empregado é o assimétrico

(Carvalho,1983).

O núcleo do transformador é construído por meio do empilhamento de chapas

finas, geralmente isoladas por um material inorgânico, ou seja, são isoladas

magneticamente e não eletricamente, suportando altas temperaturas de recozimento.

A espessura das chapas varia entre 0,23 a 0,35mm, essa estruturação é por

19

consequência das correntes parasitas, que geram perdas para o transformador

(SALUSTIANO, 2012).

De acordo com Salustiano (2012) o material do núcleo pode possuir um teor de

silício na ordem de 1,5% a 3% e dessa forma é denominada como chapa de cristais

orientados e estes são orientados conforme o sentido do fluxo magnético, diminuindo

a dispersão de fluxo, que ocorre nas partes laterais, superior e inferior do

transformador. Segundo Carvalho (1983) esse procedimento aumenta a resistência

do material, diminuindo e impedindo o envelhecimento magnético, provocando

menores perdas no ferro, menor corrente magnetizante e indução de saturação mais

elevada.

20

3 PROPRIEDADES FISÍCAS DO COBRE E DO ALUMÍNIO

3.1 COBRE

Entende-se que o cobre seja um elemento extremamente útil e tem sido muito

empregado na obtenção de ligas metálicas desde os tempos antigos. A partir de 1831,

quando Faraday descobriu o gerador elétrico, o cobre tornou-se um metal

imprescindível para o desenvolvimento industrial e, desde então, sua produção

expandiu de forma global (RODRIGUES; SILVA; GUERRA,2012).

O cobre é utilizado em equipamentos e sistemas elétricos, como geradores,

transformadores, fios, cabos condutores, conectores de aterramento, entre outros.

De acordo com Marcondes Takeda, gerente de produto do Grupo Prysmian no

Brasil, líder mundial na fabricação de cabos de energia e de telecomunicações, o

cobre é o mais produtivo dos dois metais, a ponto de ter sido escolhido como o padrão

internacional de condutividade.

As propriedades do cobre:

• Densidade: 8,96gf/cm³;

• Resistividade 0, 0172ohms.m;

• Temperatura de fusão: 1083ºC;

• Cor Alaranjado;

• Número atômico 29;

• Possui facilidade para soldagem;

• Excelente condutibilidade térmica e elétrica.

Com exceção da prata, o cobre apresenta maior condutividade elétrica dos

metais, em torno de duas vezes maior que o alumínio. O material com condutividade

menor requer maior quantidade de material para a realização do produto. O cobre

ajuda a aumentar a eficiência energética. A capacidade de reciclagem do cobre, sem

perda de desempenho, é de 100%, fator este que também deverá ser incluído nas

avaliações comparativas (KUPFERINSTITUT, 2014).

O cobre é um metal maleável e não ferroso, vermelho, seu arranjo eletrônico é

[Ar] 3d^104s^1. Quando combinado com outros elementos possui números de

oxidação +1 (CuCl), + 2 (CuCl2) e +3 (K3CuF6). Estados de oxidação +1 e +2 podem

ser encontrados em solução aquosa, embora haja uma tendência de íons de cobre +1

a +2. Estado de oxidação +2 é o mais comum, enquanto +3 é muito raro e ocorre

21

apenas em alguns compostos, normalmente compostos oxidante forte. De um modo

geral, cobre + 1 sal é insolúvel e diamagnético e branco, enquanto cobre +2 tende a

solúvel, paramagnético e colorido (LEE, 2000).

O cobre tem alta condutividade, mas seu custo também é relativamente alto em

função disso geralmente é necessário usar outro condutor, abrindo a possibilidade de

usar o alumínio, que tem condutividade muito menor, mas o custo geralmente é

menor.

3.2 ALUMÍNIO

O alumínio é utilizado em diversas aplicações em substituição ao cobre, pois

seus custos são inferiores. Segundo a Associação Brasileira do Alumínio (ABAL), o

alumínio possui uma baixa densidade, boa resistência à corrosão e boa condução

elétrica, características indispensáveis para fabricação de transformadores.

O maior “problema constatado é em relação ao processo de produção do

alumínio, pois a produção anual é responsável por 1% das emissões de gases de

efeito estufa” (MANSILHA, 2015, p.34).

As “bobinas dos transformadores de distribuição de até 190 kVA de alumínio

tem um custo de produção menor, sendo que, acima dessa potência as de cobre são

mais econômicas, utilizando menor tanque, menor quantidade de material de núcleo

e de óleo “ (MANSILHA,2015).

As propriedades do alumínio:

• Densidade: 2,70gf/cm³;

• Resistividade 0,028 ohms.m;

• Temperatura de fusão 660ºC;

• Cor Metálica clara;

• Número atômico 13;

• Boa condutibilidade térmica e elétrica;

• Dificuldade para soldagem;

• Possui baixo custo em comparação com o cobre.

Pelo fato de o alumínio ser menos denso que o cobre, precisa-se de uma massa

de cobre 1,83 vezes maior que a massa do alumínio para possuir a mesma resistência

e o mesmo comprimento dos enrolamentos. Percebe-se que para ter a mesma

22

resistência e o mesmo comprimento, se torna necessário um volume maior de

alumínio, enquanto em termos de massa, um volume maior de cobre.

3.3 COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES DO COBRE E DO ALUMÍNO

O cobre é aproximadamente 3 vezes mais denso do que o alumínio e

aproximadamente 1,5 vezes melhor condutor elétrico, assim sendo o condutor de

cobre é aproximadamente duas vezes mais pesado que um fio de alumínio nu de

condutividade equivalente enquanto o fio de alumínio tem 1,5 o volume. Quando

comparado o condutor de cobre em relação ao condutor de alumínio, levando em

consideração a capacidade de condução de corrente, o cabo de alumínio apresenta

uma área de seção transversal maior do que o de cobre para a mesma capacidade

de corrente requerida (ALLIANCE,2016).

De acordo com Salustiano (2012), a substituição do cobre pelo alumínio implica

em muitas alterações no transformador que acabam aumentando seu custo final, ou

seja, por se ter uma seção do condutor, 1,66 vezes maior, a área da janela do núcleo

magnético deve ser também 1,66 vezes maior para o transformador com alumínio se

comparado ao cobre e com o aumento do volume da parte ativa, consequentemente

tem aumento tanque. Assim sendo a utilização do alumínio se torna necessário utilizar

um tanque significativamente maior em comparação com o cobre.

De acordo com Alliance (2016), no teste de tração o cobre suporta tração entre

3 a 6 vezes maior do que a suportada pelo alumínio, suportando à tração sem perder

a sua flexibilidade e em relação ao coeficiente de expansão térmica o alumínio é cerca

de 35 % maior do que a do cobre, experimentada linearmente ao longo do cabo

durante a operação normal pode causar alguma deformação, especialmente onde as

veias isoladas no cabo se separam em terminais. Fluência é a deformação plástica

(inelástica) de um condutor de metal quando submetido à tensão externa (estresse) e

é irreversível, o que é diferente do alongamento elástico e será revertida assim que a

força externa for removida. A fluência depende do nível de tensão, duração e

temperatura, e é diferente para cada metal. O efeito da deformação no terminal do

condutor é a redução da pressão de contato, o que aumentará a resistência da

conexão e causará superaquecimento. O alumínio exibe deformação significativa à

23

temperatura ambiente (20 ° C), enquanto o cobre exibe fluência semelhante apenas

quando exposto a temperaturas de 150 °C.

A condução elétrica do alumínio é inferior à do cobre, correspondendo a 61%

da condução elétrica do cobre, conhecido como índice I.A.C.S, no entanto o alumínio

é mais leve que o cobre, pois possui a densidade de 2,7 g/cm3, contra 8,9 g/cm3 do

cobre (CALLISTER, 2008).

Conforme Salustiano (2012), as ligas metálicas do cobre e do alumínio tem

como objetivo melhorar as propriedades específicas dos condutores e qualquer

impureza misturada ao cobre podem degradar a condutividade do condutor, enquanto

que o alumínio é mais sensível às impurezas e uma porcentagem menor que 0,5% de

impurezas de alguns materiais podem reduzir a condutividade em média 10%.

Portanto condutores de alumínio devem ter um alto grau de pureza para evitar esta

degradação da condutividade.

24

4 ENSAIOS DIELÉTRICOS NOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO

A Norma Brasileira (NBR) 5356-1 normatiza os ensaios dielétricos realizados

nos transformadores, ensaios de tipo e ensaios de rotina. A Associação Brasileira de

Normas Técnicas (ABNT) 5440 (2014), descreve o conceito sobre os ensaios: a vazio

e em carga, com seus respectivos circuitos equivalentes para cada ensaio,

desenvolvendo assim os princípios para o entendimento dos circuitos equivalentes

representativos dos transformadores.

4.1 RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO

O ensaio de relação de transformação tem por objetivo detectar a relação de

espiras entre o enrolamento primário e secundário e eventual falha no enrolamento.

Para realização do ensaio utiliza-se o equipamento medidor de relação de

transformação, que aplica uma tensão no enrolamento secundário e realiza a medição

no enrolamento primário, desta forma encontra-se a razão entre o enrolamento

primário e o enrolamento secundário denominada relação de transformação

(OLIVEIRA; COGO; ABREU,2018).

O ensaio de relação de transformação deve ser realizado aplicando-se a um

dos enrolamentos uma tensão igual ou inferior à tensão nominal deste enrolamento,

e com freqüência igual ou superior à nominal,nesse ensaio mede-se a relação de

transformação em cada derivação. Deve-se verificar a polaridade de transformadores

monofásicos e o esquema de ligação para transformadores trifásicos (NBR5356-

1,2007).

O ensaio de relação de transformação pode ser feito pelas leituras diretas das

tensões nos enrolamentos primário e secundário, utilizando voltímetros. No entanto

para grandes transformadores com elevada tensão e relação de transformação, esse

método pode se tornar pouco preciso. Diante dessa situação se faz necessário o uso

de métodos mais adequados, tal como um transformador de medida (transformador

padrão) com relações de transformação ajustáveis em valores bem definidos. Os

enrolamentos da alta tensão deste transformador padrão, e do transformador

ensaiado são energizados pela mesma fonte de corrente alternada e seus

secundários são ligados em paralelo através de um detector sensível. Pelo ajuste da

relação de transformação do transformador padrão, pode-se anular as indicações

25

desse detector quando, então, a relação de transformação procurada será igual à

ajustada no transformador padrão (JORDÃO,2002).

4.2 ENSAIO DE TENSÃO SUPORTÁVEL NOMINAL À FREQUÊNCIA INDUSTRIAL

No ensaio de tensão suportável nominal as perdas em vazio e a corrente de

excitação devem ser medidas em um dos enrolamentos à freqüência nominal e com

tensão igual à tensão nominal e os enrolamentos devem ser deixados em circuito

aberto (NBR5356-1,2007).

As perdas a vazio equivalem a somatória das perdas por correntes parasitas e

perdas por histerese magnéticas. Segundo Salustiano (2012), a perda sem carga

sempre existe quando o transformador está funcionando no sistema de distribuição

de energia, sem carga ou sob carga.

As perdas por histerese são inerentes do material são causadas pelo fluxo de

campo magnético alternado, produzido no transformador, que é proporcional à

corrente que o produziu. Dessa forma com a variação da corrente temos a variação

da intensidade de campo magnético que provoca alterações do módulo de fluxo

magnético. Percebe-se que as variações do campo magnético respeitam as curvas

de saturação do material ferromagnético (FITZGERALD, KINGSLEY e UMANS,

2013).

As perdas por correntes de Foucault são criadas pelo fato do fluxo magnético

ser alternado, produzindo nas chapas do núcleo correntes que, com a resistividade do

material, perde energia por efeito Joule, aquecendo o núcleo. Dessa forma a mediada

que a frequência aumenta, maior será a perda e quanto maior for a resistividade e

mais fina a chapa, menor é a perda (FITZGERALD, KINGSLEY e UMANS, 2013).

A corrente de excitação, também conhecida como corrente a vazio, é conhecida

quando o transformador é alimentado com a tensão nominal, estando a saída aberta,

ou seja, sem carga. De acordo com Kaspareit (2015), a corrente de excitação é

resultante da corrente magnetizante (reativa) e da corrente ativa. A corrente a vazio

representa uma porcentagem de 2 a 6 % da corrente nominal.

Na realização do ensaio utiliza-se uma fonte variável que aplica tensão

alternada nominal no enrolamento secundário e por meio do multimedidor é realizado

26

a leitura das perdas elétricas em vazio, ou seja, perdas no circuito magnético do

transformador (OLIVEIRA; COGO; ABREU,2018).

Para o teste sem carga, é necessário: wattímetro, amperímetro, voltímetro,

transformador, fio de conexão e transformador a serem testados. Neste teste, o

primário do transformador é alimentado com uma tensão nominal. Utiliza-se um

transformador para fornecer energia ao primário, a tensão aumentará gradualmente,

para não produzir uma mudança rápida na tensão, até que a tensão seja alcançada

alimentando os enrolamentos, enquanto os enrolamentos secundários mantem aberto

(MARCHESE,2018).

O ensaio de tensão suportável nominal permite determinar de forma direta a

corrente eficaz em vazio e as perdas constantes no ferro, tornando possível ainda

calcular os valores de resistência de perdas no ferro e reatância de magnetização. Em

resumo mantem o transformador com seu secundário em circuito aberto, alimentando

com tensão e frequência nominais e coletando os valores da tensão nominal aplicada,

os valores medidos para a corrente a vazio e potência absorvidas em watts

(JORDÃO,2002).

De acordo ainda com Jordão (2002), alguns autores recomendam subtrair das

perdas em vazio, a perda por efeito joule na resistência primária dos transformadores.

Porém na maioria dos casos esse cuidado se torna desnecessário, pois essa perda

joule é muito pequena em comparação as perdas no ferro. Por motivos práticos é

utilizado o lado da baixa tensão como primário nos ensaios em vazio. A principal razão

dessa preferência consiste na segurança e facilidade para realização das medições

tanto no que diz respeito às fontes de energia e aos instrumentos de medida, quanto

no tocante aos menores cuidados requeridos dos operadores.

4.3 ENSAIO DE PERDAS EM CARGA E IMPEDÂNCIA DE CURTO-CIRCUITO

As perdas nos enrolamentos são causadas principalmente pelas resistências

ôhmicas nos enrolamentos do primário e secundário devido ao efeito joule. Conforme

a lei de ohm a resistência do enrolamento da alta tensão é maior que a resistência do

enrolamento da baixa tensão este fato é devido ao comprimento do cobre, sendo o

número de espiras do enrolamento primário muito maior que o número de espiras do

enrolamento secundário, tornando a resistência da alta bem maior. Vale ressaltar

27

também que há perdas nos enrolamentos devido ao fluxo espalhado, não guiado pelo

núcleo, muito pequeno, insignificante (MARTIGNONI, 1991).

O ensaio de perdas em carga segundo a norma NBR 5440 (ABNT, 2014) trata-

se de um ensaio de rotina que consiste em aplicar uma corrente nominal em um dos

lados do transformador enquanto o outro lado está curto circuitado e por questão de

segurança e facilidade, o ensaio é realizado no lado de maior tensão do transformador.

Para realização do ensaio de perdas em carga aplica-se tensão no enrolamento

primário, até que atinja a corrente nominal, enquanto o enrolamento secundário deve

permanecer curto-circuitado. A medição das perdas em carga é feita utilizando um

wattímetro e a impedância de curto-circuito é calculado pelo percentual da tensão

aplicada no curto-circuito, em relação a tensão nominal do transformador (NBR5356-

1,2007). As perdas encontradas nesse ensaio são de origem do efeito Joule (RXI²) ou

seja perdas no circuito elétrico do transformador (MARTIGNONI, 1991).

Neste ensaio alimenta-se o enrolamento de alta tensão e curto circuita-se o

enrolamento de baixa tensão, se eleva a tensão aos poucos com uso do varivolt até

atingir a corrente nominal do enrolamento secundário. Realiza-se a leitura da potência

no wattímetro, corrente elétrica no amperímetro e tensão elétrica no voltímetro

(MARCHESE,2018).

De acordo com Jordão (2002), no ensaio de perdas em carga o transformador

é submetido a corrente e freqüência nominais, esse ensaio fornece diretamente o

valor das perdas variáveis no enrolamento, equivalendo à condição de plena carga.

Fornece ainda, dados suficientes para o cálculo da impedância equivalente Z =

(Rr+a"R2) + j(X1 +a^x) = R' + jX", referida ao lado adotado como primário nesse ensaio

de curto-circuito. Por questões praticas nesse ensaio, o lado escolhido para energizar

é o lado da alta tensão, pois se torna necessário correntes menores, ao mesmo tempo

que se evita a medição das elevadas correntes que ocorreriam nos enrolamentos da

baixa tensão de transformadores de grandes potências. Em resumo o ensaio consiste

em curtocircuitar um dos lados do transformador de preferência, portanto, o da baixa

tensão e, no outro, aplicar tensão alternada crescente até que atinja a corrente

nominal do transformador, anotando a tensão aplicada e a potência absolvida no

ensaio.

Normalmente para adquirir um equipamento, o que se leva em consideração é

o valor do equipamento, porém quando os transformadores são comparados com

28

suas respectivas perdas de energia, o processo é chamado de avaliação de perdas.

Num processo de avaliação básica de transformadores, três aspectos devem ser

contabilizados: Preço de compra, perdas com carga (ou perdas em curto-circuito) e

perdas sem carga (ou perdas em vazio) (SILVA, PEPE, 2012).

29

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nesse trabalho foi apresentado um comparativo do cobre e do alumínio em

transformadores de distribuição que tem grande importância no sistema elétrico de

potência, comentando sobre o surgimento deste equipamento e descrevendo o seu

princípio de funcionamento.

Em relação aos materiais utilizados na fabricação do transformador, cobre ou

alumínio, foi possível conhecer por meio das propriedades elétricas de cada material

as vantagens e desvantagens de cada produto e desta forma compreender que o

alumínio tem melhor aplicação em potências menores satisfazendo o sistema elétrico

de distribuição.

Por meio dos ensaios elétricos realizados nos transformadores percebe-se que

tanto o cobre, quanto o alumínio se bem dimensionados atendem as exigências das

normas técnicas em relação as perdas elétricas nos transformadores de distribuição

ou seja, se faz necessário um volume maior de alumínio para compensar a diferença

de resistividade em relação ao cobre.

30

REFERÊNCIAS

ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5440: Transformadores para Redes Aéreas de Distribuição - Requisitos. Brasília - DF, 2014. ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5356-1: Transformadores de Potência Parte 1: Generalidades. Brasília - DF, 2010. ALLAN, Bruce. Aplicação dos transformadores. In: Máquinas Elétricas. Disponível em: <http://goo.gl/BwkUaE>. Acesso em: 15 nov. 2021. CHAPMAN, Stephen. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: McGraw-Hill, 2012. CARDOSO, José Guilherme da Rocha et al. A indústria do alumínio: estrutura e tendências. BNDES Setorial, Rio de Janeiro, n. 33, p. 43-88, mar. 2011. Disponível em < https://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/ Arquivos/conhecimento/bnset/set3302.pdf>. Acesso em:02 nov. 2021. CARVALHO, C. C. Transformadores. Porto: Engenharia, 1983. 218 p. CALLISTER JR., Willian. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. COSTA, Eduardo Fabiano Da. Análise da substituição do fio de cobre por alumínio em captadores de som. 2016. 64 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Londrina, 2016. DELGADO, R. S. Estudo dos requisitos essenciais a especificação de transformadores de potência em condições normais de operação. 2010. 121f. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010. Disponível em: Acesso em: 15 nov. 2021. FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, C.; UMANS, S. D. Máquinas Elétricas. [S.l.]: McGrawHill Higher Education, 2013. HALLIDAY, D.; RESNICK, R. WALKER, J. Fundamentos de Física: Eletromagnetismo. v. 3. 2009. 408p. JORDÃO, Rubens Guedes. Transformadores: Teoria e ensaios. São Paulo: Editora Blucher, 2002. KASPAREIT, K. Cálculo de transformadores. 65p. 2019. Disponível em: <https://www.academia.edu/>. Acesso em: 15 nov. 2021.

31

KUPFERINSTITUT. DEUTSCHES KUPFERINSTITUT. Copper Alliance. 2014. Disponível: < http://www.kupferinstitut.de>. Acesso em: 02 nov. 2021. LEE, Jhon David. Química inorgânica não tão concisa. São Paulo: Edgard Blücher, 2000. MANSILHA, Marcio Burger. Ciclo de vida das bobinas em transformadores de distribuição: Estudo comparativo entre alumínio e cobre. 2015.repositorio.ufsm.br. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria ,2015. MARTIGNONI, Alfonso. Transformadores.8. ed. São Paulo: Globo, 1991. MARCHESE, Abramo Ribeiro. Transformador monofásico: comparativo de materiais para os enrolamentos. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2018. OLIVEIRA, José Carlos, COGO, João Roberto, ABREU, José Policarpo G. de. Transformadores: teoria e ensaios. 2.ed. São Paulo: Editora Edgard,2018. RIES, Walter. Transformadores Fundamentos para o Projeto e Cálculo. 1.ed. Porto Alegre:Edipucrs,2007. RODRIGUES, Mônica Aparecida, SILVA, Priscila Pereira, GUERRA, Wendell. Cobre. Química nova na escola, 2012 - qnesc.sbq.org.br. Disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc34_3/10-EQ-37-10.pdf. Acesso em: 19 abr. 2021. SALUSTIANO, Rogério. Análise técnica de transformadores para rede de média tensão.2012.101 f. Dissertação (Mestrado em Ciência em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Itajubá,2012. SILVA, Elvio Prado; PEPE, Iuri Muniz. Estudo de Relações entre Perdas e Custo Total de Propriedade em Transformadores no Contexto da Eficiência Energética. VII CONNEPI, Tocantins 2012. SIMONE, Gilio Aluisio. Transformadores. São Paulo: Érica,1998. VASCONCELOS, Filipe Matos de. Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A, 2017. WLADIKA, Walmir Eros. Curso técnico em eletrotécnica, módulo 2, livro 9: especificações e aplicação de materiais. Curitiba: Base Didáticos, 2008.