 |
Stáhněte si tento článek ve formátu .pdf Tento typ souboru obsahuje grafiku ve vysokém rozlišení a případná schémata. |
Je zřejmé, že mezi hliníkem (Al) a mědí (Cu) existují rozdíly ve vlastnostech materiálů, jako je kapacita, hmotnost a cena, které je třeba zvážit pro elektrické aplikace. Al byl v minulosti rozšířenější pro výrobky, jako jsou přípojnice, pojistky a jističe. Postupem času někteří konstruktéři přešli z Al na Cu. Dnes kvůli stabilitě nákladů a povrchové úpravě někteří konstruktéři přecházejí zpět.
Materiály
Mylné představy o vlastnostech mezi Al a Cu mohou vznikat kvůli různým jakostem kovů používaných v různých elektrotechnických aplikacích. Cu používaná v drátech a elektrických zařízeních je nominálně čistá. Čistý Al však často není dostatečně pevný pro elektrické aplikace. Mějte také na paměti, že různé slitiny se v průběhu času a na základě vývoje aplikací měnily.
Různé vlastnosti slitiny Al se také mění v závislosti na zpracování. Například Al 6101 je pevnější než Al 1350. Přesto se tepelným zpracováním Al 6101 zpevní a zvýší se její pevnost. Různé druhy kovů, například Al 6101 a Al 1350, se budou ve srovnání s Cu lišit. Během procesu návrhu je proto nezbytné mít k dispozici vlastnosti konkrétního použitého materiálu.
Vlastnosti
Hmotnost, elektrická kapacita a náklady jsou hlavními faktory při výběru Al nebo Cu pro elektrické aplikace. Stejně důležité však mohou být i další. Například odpor v elektrických konektorech se může zvýšit, pokud se nezohlední pevnost a roztažnost materiálu. Když spoj prochází tepelnými cykly, může se vlivem roztažnosti zvýšit přítlačná síla, která může deformovat kontaktní body a podporovat tečení materiálů. U Al to bude větší problém, protože jeho koeficient tepelné roztažnosti je v závislosti na slitině asi o 42 % vyšší než u Cu, ale Al může být schopen rychleji odvádět teplo.
Využitím nižšího modulu pružnosti od 90. let se u extrudovaných Al přípojnic zvětšila plocha povrchu, což pomáhá udržovat nízké teploty. Při navrhování v obou materiálech je důležité, aby spoje byly robustní, aby se zabránilo špatné spojitelnosti v průběhu času v důsledku deformace způsobené tepelnou roztažností a také tečením.
Častou mylnou představou je, že Al je měkký a musí se používat tlakové spoje. Díky některým konstrukčním a pokovovacím změnám však mechanické tlakové konektory a kompresní konektory již nejsou nutné. V některých případech se používají slitiny nebo zpracování, aby se hliník téměř vyrovnal Cu. Al může obecně vyžadovat povlakování pro snížení oxidace, protože ta může ovlivnit spojení – dokonce i spojení Al s Al. Kromě toho povlakování a pokovování často zahrnuje cín nebo stříbro. Tyto materiály snižují korozi Al i Cu, protože jsou náchylné k oxidaci, když jsou vystaveny atmosféře.
Koroze je také problém, když jsou v jedné soustavě dva různorodé kovy. Al bude elektrochemicky reagovat s Cu, pokud se do něj dostane vlhkost (vlhkost, která by působila jako elektrolyt). Kabelová oka Al na Cu jsou konektory, které byly svařeny třením a opatřeny krytkou, aby se zabránilo poškození spojení Al-Cu korozí. Správné spojení je důležité, protože problémem je také korozní opotřebení. Al a Cu jsou kompatibilní kovy, takže při kontaktu může vzniknout vazba, která může podporovat opotřebení. Zatímco korozní opotřebení je větším problémem u dílů, které se pohybují, technik může v terénu potřebovat více času, pokud jsou vodiče přilepeny k přípojnici.
Hmotnost a elektrická kapacita
Hlavní vlastností materiálu při rozhodování mezi použitím Al nebo Cu v elektrické aplikaci je pravděpodobně jeho kapacita. Cu nabízí lepší elektrickou kapacitu na objem. Al má však lepší kapacitu na hmotnost. Podle Uwe Schenka, manažera globálního segmentu společnosti Helukabel: „Jako surovina je Al přibližně o 70 % lehčí než Cu. U vodičů může být Al až o 60 % lehčí než srovnatelné měděné vodiče vedoucí proud.“
Hmotnost není v přímé úměře, protože pro vyrovnání kapacity Cu je třeba více Al. Al nese přibližně polovinu kapacity Cu (56 % u Al6101). Rozdíl v poměru hmotnosti a elektrické kapacity obecně znamená, že jedna libra Al má elektrickou vodivost rovnou 1,85 libry Cu. Například přípojnice z Cu může vážit kolem 550 lb, zatímco stejná přípojnice z Al by měla asi 300 lb. Snížení hmotnosti může pomoci při přepravě nebo i při nákladech na práci.
Další úvahy
Přestože práce není vlastností materiálu, ovlivňuje náklady. Některé projekty mohou být nákladově efektivnější, pokud se podaří snížit hmotnost – ať už se to projeví v přepravních, instalačních nebo jiných nákladech. Lehčí však nemusí být lepší ve všech aplikacích. Zvažte přidaný průměr u Al drátu, aby odpovídal kapacitě Cu. Národní elektrický předpis (NEC) uvádí pravidla pro to, do jaké míry může kabel zaplnit kus potrubí.
Existuje více pravidel než toto, ale obecně platí, že pokud se jedná o tři nebo více kabelů, zaplnění potrubí musí být 40 % nebo méně. Článek 501 NEC však říká, že pokud se potrubí nachází v nebezpečných prostorech, je přípustné pouze 25% nebo menší zaplnění. To znamená, že zvětšená velikost Al může zvýšit náklady na práci pro další nebo větší potrubí, které je nyní třeba vést, aby se vyhovělo NEC.
Pro obecný příklad, pokud se přechází z kabelu Cu 14 AWG na Al, zvětšení velikosti kabelu (12 AWG) sníží maximální množství vodičů povolených v ¼ palcovém potrubí o tři (maximální zaplnění: Cu = šest vodičů, Al = tři vodiče při 40% zaplnění). Pokud tato aplikace potřebuje čtyři kabely, můžete snížit zaplnění vedením dvou kusů potrubí nebo větší velikosti – což spotřebuje více energie na ohýbání. Každé z těchto řešení by mohlo zvýšit pracnost.
S Al v elektrických součástkách se vyskytly i další problémy. Historicky byl Al rozšířen ve spínacích přístrojích (pojistkách a jističích). Bohužel v minulosti bylo k upevnění rozváděčů často nutné svařování. Svařování Al v terénu možná přimělo konstruktéry k přechodu na Cu. Od té doby nabízejí přípojnice s otvory nebo drážkami podobnými holubímu ocasu, které umožňují snadnější instalaci a nemusí se nutně svařovat.
Přes řešení těchto procesů výrobci, jako je GE, uváděli, že mnoho zákazníků začalo požadovat Cu přípojnice místo Al. Výrobci budou vyrábět na základě toho, co si konstruktéři objednají, takže Cu se vyráběla ve větším objemu. Některé dřívější problémy Al, i když byly odstraněny, daly výrobě Cu impuls.
I přes tento trend zůstávají náklady a plánování klíčovými faktory při odhadování projektů. Al je třetím nejrozšířenějším materiálem v zemské kůře, zatímco Cu je na 26. místě. Díky tomu ceny Cu kolísají, zatímco náklady na Al jsou stabilnější. Pokud projektant plánuje dlouhodobý nebo budoucí projekt, může být těžké předvídat ceny Cu. Pokud se ceny Cu stanou vyššími, než se předpokládalo, může to projektu uškodit nebo dokonce zkrachovat. To je jeden z důvodů, proč se ve velkých větrných projektech používá Al. Často plánují na dlouhá časová období, která potřebují stabilní cenu pro přesné odhady. Kromě toho mohou být větrné turbíny vysoké až 328 stop a k přenosu elektřiny na zem používají silnostěnné dráty. Snížení hmotnosti kabelu, jako je tento přenosový drát, by mohlo pomoci omezit podpěry a zbytečné namáhání konektorů a usnadnit instalaci.
Velké projekty vyžadující obrovské množství kabelů by mohly shledat Al jako nákladově efektivní. V době psaní tohoto článku se na burze NASDAQ uvádí cena Cu 2,14 USD za libru a Al 0,73 USD za libru. (3/16). Vzhledem k tomu, že cena je takovým hnacím faktorem – což nepopírá výše uvedené – pokud vám nejde o větší rozměry a potřebujete ho velké množství, může být Al lepší volbou.
Použití
Použití Al
Přenosová a distribuční vedení: Lehčí Al dráty znamenají méně podpěrných stožárů, což vede k tomu, že většina světa používá Al pro nadzemní přenosová vedení vysokého napětí.
Použití v osvětlování: V minulosti se v mnoha žárovkách a jiných konektorech používaly mosazné konektory. Dnes se v mnoha konektorech pro osvětlení používá Al.
Cu aplikace
Telekomunikační vodiče: Vyšší tažnost Cu se dobře osvědčuje při zajišťování flexibility a menšího lámání v telekomunikačním průmyslu.
Motory: Velikost a kapacita jsou důležitými faktory při navrhování motorů a mnoho výrobců používá Cu pro své konstrukce.
Použití Cu i Al
Velké stavební rozvody: Al je v mnoha vodičích pro velké budovy. Nabízí cenovou stabilitu po dlouhou dobu jejich výstavby. Kromě toho, pokud není problém s místem, může Al snížit cenu u velkých budov, které mohou obsahovat kilometry vodičů. Pro vedení uvnitř budov se však dobře hodí tvárnost a menší rozměry Cu. To je pár důvodů, proč oba materiály nabízejí výhody ve velkých budovách.
Po začátku 70. let 20. století byla slitina Al změněna, aby se zlepšila její kvalita pro elektrické aplikace. Mnozí si stále myslí, že Al rozvody jsou špatné, ale při správném použití mohou být levnější a nákladově stabilní.
Další aplikace, ve kterých se používají Cu i Al, zahrnují: Přípojnice, transformátory, podzemní kabely nízkého a středního napětí.