 |
Download denne artikel i .PDF-format Denne filtype indeholder grafik og diagrammer i høj opløsning, når det er relevant. |
Der er naturligvis forskelle i materialeegenskaber, såsom kapacitet, vægt og omkostninger mellem aluminium (Al) og kobber (Cu), der skal overvejes i forbindelse med en elektrisk anvendelse. Al var tidligere mere udbredt til produkter som f.eks. samleskinner, sikringer og afbrydere. Med tiden har nogle designere ændret komponenter fra Al til Cu. I dag skifter nogle designere tilbage til Cu på grund af omkostningsstabilitet og belægning.
Materialer
Misforståelser om egenskaberne mellem Al og Cu kan opstå på grund af de forskellige kvaliteter af metaller, der anvendes i forskellige elektriske applikationer. Den Cu, der anvendes i tråd og elektrisk udstyr, er nominelt ren. Rent Al er imidlertid ofte ikke stærkt nok til elektriske anvendelser. Husk også på, at forskellige legeringer har ændret sig med tiden og på grund af skiftende anvendelser.
De forskellige egenskaber ved Al-legeringer vil også ændre sig, afhængigt af forarbejdningen. For eksempel er Al 6101 stærkere end Al 1350. Men varmebehandling af Al 6101 hærder den og forbedrer dens styrke. Forskellige kvaliteter af metaller, såsom Al 6101 og Al 1350, vil variere i sammenligninger med Cu. Under designprocessen er det derfor vigtigt at have materialeegenskaberne for det specifikke materiale, der anvendes.
Egenskaber
Vægt, elektrisk kapacitet og omkostninger er vigtige overvejelser, når Al eller Cu skal vælges til en elektrisk anvendelse. Men andre kan være lige så vigtige. F.eks. kan modstanden i elektriske stik stikkontakter stige, hvis der ikke tages hensyn til et materiales styrke og ekspansion. Når en forbindelse gennemgår termiske cyklusser, kan ekspansionen øge klemkraften, hvilket kan deformere kontaktpunkterne og fremme krybning i materialerne. Dette vil være et større problem med Al, fordi dets termiske udvidelseskoefficient, afhængigt af legeringen, er ca. 42 % større end Cu, men Al kan muligvis være i stand til at aflede varmen hurtigere.
Med udnyttelse af det lavere elasticitetsmodul siden 1990’erne har ekstruderede Al-samlestænger øget overfladen, hvilket bidrager til at holde temperaturen lav. Det er vigtigt, når der konstrueres i begge materialer, at forbindelserne er robuste for at forhindre dårlig konnektivitet over tid på grund af deformation fra termisk ekspansion samt krybning.
En almindelig misforståelse er, at Al er blødt og skal bruge kompressionsforbindelser. Med nogle design- og pletteringsændringer er mekaniske trykforbindelser og kompressionsforbindelser imidlertid ikke længere nødvendige. I nogle tilfælde anvendes legeringer eller forarbejdning for at gøre aluminium næsten på højde med Cu. Al kan kræve belægning for at reducere oxidation generelt, da dette kan påvirke forbindelsen – selv en Al til Al-forbindelse. Desuden omfatter belægning og plettering ofte tin eller sølv. Disse materialer reducerer korrosion i både Al og Cu, da de er tilbøjelige til at oxidere, når de udsættes for atmosfæren.
Korrosion er også et problem, når der er to uensartede metaller i et system. Al vil reagere elektrokemisk med Cu, hvis der tilføres fugt (fugt, der vil virke som en elektrolyt). Al til Cu-kabelsko er stik, der er blevet gnidningssvejset og kapslet for at forhindre korrosion i at beskadige en Al-til-Cu-forbindelse. Det er vigtigt med korrekte forbindelser, da korrosionsslitage også er et problem. Al og Cu er kompatible metaller, så kontakt kan skabe en binding, der kan fremme slid. Mens korrosivt slid er et større problem for dele, der bevæger sig, kan en tekniker være nødt til at bruge mere tid i marken, hvis ledningerne sidder fast på samleskinnen.
Vægt og elektrisk kapacitet
Den vigtigste materialeegenskab ved beslutningen mellem at bruge Al eller Cu i en elektrisk anvendelse er vel nok dens kapacitet. Cu giver en bedre elektrisk kapacitet pr. volumen. Al har imidlertid en bedre kapacitet pr. vægt. Ifølge Uwe Schenk, global segmentchef hos Helukabel, “er Al som råmateriale ca. 70 % lettere end Cu. For ledninger kan Al være op til 60 % lettere end sammenlignelige strømførende kobberledninger.”
Vægten er ikke en direkte sammenhæng, da der skal mere Al til for at matche kapaciteten i Cu. Al bærer ca. halvdelen af kapaciteten af Cu (56 % i Al6101). Forskellen i forholdet mellem vægt og elektrisk kapacitet betyder generelt, at et pund Al har en elektrisk ledningsevne svarende til 1,85 pund Cu. F.eks. kan en Cu-samleskinne veje omkring 550 lb., mens den samme samleskinne i Al ville veje omkring 300 lb. En reduktion af vægten kan hjælpe på forsendelses- eller endog arbejdskraftomkostningerne.
Andre overvejelser
Og selv om arbejdskraft ikke er en materialeegenskab, påvirker den omkostningerne. Nogle projekter kan være mere omkostningseffektive, hvis det er muligt at reducere vægten – uanset om dette udmønter sig i forsendelses-, installations- eller andre omkostninger. Lettere er dog ikke nødvendigvis bedre i alle tilfælde. Overvej den ekstra diameter i en Al-tråd for at matche kapaciteten i Cu. National Electric Code (NEC) giver regler for, hvor meget et kabel kan fylde et stykke rør.
Der er flere regler end dette, men generelt gælder det, at når der er tale om tre eller flere kabler, skal rørfyldningen være 40 % eller mindre. NEC artikel 501 siger dog, at hvis ledningen er i farlige steder, accepteres kun 25% fyldning eller mindre. Det betyder, at den øgede størrelse af Al kan øge arbejdsomkostningerne for det ekstra eller større rør, der nu skal føres for at opfylde NEC.
For et generelt eksempel, hvis man skifter fra 14 AWG Cu-kabel til Al, vil den øgede kabelstørrelse (12 AWG) reducere det maksimale antal ledninger, der er tilladt i ¼ tommer rør, med tre (maks. fyldning: Cu = seks ledninger, Al = tre ledninger ved 40% fyldning). Hvis denne applikation kræver fire kabler, kan du reducere fyldningen ved at føre to stykker rør eller en større størrelse – hvilket vil bruge mere energi til at bøje. Begge disse løsninger kan øge arbejdskraften.
Der har været andre problemer med Al i elektriske komponenter. Historisk set har Al været fremherskende i afbrydere (sikringer og afbrydere). Desværre var det tidligere ofte nødvendigt at svejse for at fastgøre afbryderapparater. Al-svejsning i marken kan have været det, der har fået konstruktørerne til at skifte til Cu. Siden da har de tilbudt samleskinner med huller eller skæve rilleriller, der gør det lettere at installere dem og ikke nødvendigvis behøver at blive svejset.
Selv om de har taget fat på disse processer, rapporterede producenter som GE, at mange kunder begyndte at efterspørge Cu-samleskinner frem for Al. Producenterne vil producere på grundlag af, hvad designerne bestiller, så Cu blev produceret i større mængder. Nogle af Al’s tidligere problemer, selv om de blev rettet, gav Cu-fabrikation momentum.
På trods af denne tendens er omkostninger og planlægning fortsat nøglefaktorer, når projekter estimeres. Al er det tredje mest hyppige materiale i jordskorpen, mens Cu er det 26. Dette får Cu-priserne til at svinge, mens omkostningerne ved Al er mere stabile. Hvis en konstruktør planlægger et langsigtet eller fremtidigt projekt, kan det være svært at forudsige Cu-priserne. Hvis Cu-priserne bliver højere end forventet, kan det skade eller endog føre til konkurs for et projekt. Dette er en af grundene til, at der i store vindmølleprojekter er blevet anvendt Al. Ofte planlægger de over en lang periode, hvor de har brug for en stabil pris for at få nøjagtige skøn. Desuden kan vindmøller være op til 328 fod høje og bruge en kraftig ledning til at overføre elektricitet til jorden. En reduktion af vægten af et kabel, som f.eks. denne transmissionstråd, kunne bidrage til at reducere understøtninger og unødig stress på stik og gøre det lettere at installere.
Store projekter, der kræver massive mængder ledninger, kan finde Al som omkostningseffektivt. I skrivende stund viser NASDAQ Cu til $2,14/lb. og Al til $0,73/lb. (3/16). Da omkostningerne er en så drivende faktor – uden at negere ovennævnte – hvis en øget størrelse ikke er et problem, og du har brug for en stor mængde, kan Al måske være et bedre valg.
Anvendelser
Al-anvendelser
Transmissions- og distributionsledninger: Den lettere Al-tråd betyder færre støttetårne, hvilket har ført til, at man i det meste af verden bruger Al til højspændingsluftledninger.
Belysningsanvendelser: Mange glødepærer og andre forbindelsesdele brugte tidligere forbindelsesdele af messing. I dag bruger mange belysningsstik Al.
Cu-anvendelser
Telekommunikationskabler: Cu’s højere duktilitet fungerer godt til at give fleksibilitet og mindre brud i telekommunikationsindustrien.
Motorer: Størrelse og kapacitet er vigtige faktorer ved konstruktion af motorer og får mange producenter til at bruge Cu til deres konstruktioner.
Både Cu- og Al-anvendelser
Trådføring til store bygninger: Al indgår i mange af ledningerne til store bygninger. Det giver prisstabilitet over den lange tid, det tager at bygge dem. Desuden kan Al, hvis pladsen ikke er et problem, reducere prisen for store bygninger, der kan indeholde kilometervis af ledninger. Cu’s duktilitet og mindre størrelse fungerer imidlertid godt til ledninger inde i bygningerne. Dette er et par grunde til, at begge materialer tilbyder fordele i store bygninger.
Efter begyndelsen af 1970’erne blev Al-legeringen ændret for at forbedre kvaliteten til elektriske anvendelser. Mange tror stadig, at Al-ledninger er dårlige, men hvis de bruges korrekt, kan det være en billigere og omkostningsstabil.
Andre anvendelser både Cu og Al bruges i omfatter: Busstænger, transformatorer, lav- og mellemspændingskabler under jorden.