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Es gibt offensichtlich Unterschiede bei den Materialeigenschaften wie Kapazität, Gewicht und Kosten zwischen Aluminium (Al) und Kupfer (Cu), die für eine elektrische Anwendung zu berücksichtigen sind. Al war in der Vergangenheit bei Produkten wie Stromschienen, Sicherungen und Unterbrechern weiter verbreitet. Im Laufe der Zeit haben einige Konstrukteure Komponenten von Al auf Cu umgestellt. Heute wechseln einige Konstrukteure aufgrund der Kostenstabilität und der Beschichtung wieder zu Cu.
Werkstoffe
Fehlvorstellungen über die Eigenschaften von Al und Cu können aufgrund der unterschiedlichen Qualitäten der Metalle entstehen, die in verschiedenen elektrischen Anwendungen verwendet werden. Das in Drähten und elektrischen Geräten verwendete Cu ist nominell rein. Reines Al hingegen ist für elektrische Anwendungen oft nicht stabil genug. Außerdem ist zu beachten, dass sich die verschiedenen Legierungen im Laufe der Zeit und aufgrund der sich entwickelnden Anwendungen verändert haben.
Die Eigenschaften verschiedener Al-Legierungen ändern sich auch je nach Verarbeitung. Zum Beispiel ist Al 6101 fester als Al 1350. Die Wärmebehandlung von Al 6101 härtet es jedoch und verbessert seine Festigkeit. Verschiedene Metallsorten, wie Al 6101 und Al 1350, unterscheiden sich im Vergleich zu Cu. Während des Konstruktionsprozesses ist es daher wichtig, die Materialeigenschaften des verwendeten Materials zu kennen.
Eigenschaften
Gewicht, elektrische Kapazität und Kosten sind wichtige Faktoren bei der Auswahl von Al oder Cu für eine elektrische Anwendung. Doch andere Faktoren können ebenso wichtig sein. Beispielsweise kann der Widerstand in elektrischen Steckverbindern zunehmen, wenn die Festigkeit und Ausdehnung eines Materials nicht berücksichtigt werden. Wenn eine Verbindung thermischen Zyklen unterworfen wird, kann die Ausdehnung die Klemmkraft erhöhen, was zur Verformung der Kontaktpunkte und zum Kriechen der Materialien führen kann. Dies ist bei Al ein größeres Problem, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient je nach Legierung etwa 42 % höher ist als der von Cu, aber Al kann die Wärme möglicherweise schneller ableiten.
Durch die Nutzung des niedrigeren Elastizitätsmoduls seit den 1990er Jahren haben extrudierte Al-Sammelschienen die Oberfläche vergrößert, was dazu beiträgt, die Temperaturen niedrig zu halten. Es ist wichtig, dass die Verbindungen in beiden Materialien robust sind, um zu verhindern, dass sich die Verbindungen im Laufe der Zeit aufgrund von Verformungen durch thermische Ausdehnung und Kriechen verschlechtern.
Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass Al weich ist und Kompressionsverbindungen verwendet werden müssen. Mit einigen Konstruktions- und Beschichtungsänderungen sind jedoch mechanische Druck- und Druckverbindungen nicht mehr erforderlich. In einigen Fällen werden Legierungen oder Verarbeitungen verwendet, um Aluminium fast gleichwertig mit Cu zu machen. Al kann eine Beschichtung erfordern, um die Oxidation im Allgemeinen zu verringern, da diese die Verbindung beeinträchtigen kann – selbst bei einer Al-Al-Verbindung. Darüber hinaus enthalten Beschichtungen und Plattierungen oft Zinn oder Silber. Diese Materialien verringern die Korrosion sowohl bei Al als auch bei Cu, da sie anfällig für Oxidation sind, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt sind.
Korrosion ist auch ein Problem, wenn sich zwei ungleiche Metalle in einem System befinden. Al reagiert elektrochemisch mit Cu, wenn Feuchtigkeit eindringt (Feuchtigkeit, die als Elektrolyt wirken würde). Al-Cu-Kabelschuhe sind reibgeschweißte und gekapselte Verbinder, die verhindern, dass Korrosion eine Al-Cu-Verbindung beschädigt. Ordnungsgemäße Verbindungen sind wichtig, da auch korrosiver Verschleiß ein Problem darstellt. Al und Cu sind kompatible Metalle, so dass durch den Kontakt eine Bindung entstehen kann, die den Verschleiß fördert. Während korrosiver Verschleiß eher ein Problem für Teile ist, die sich bewegen, muss sich ein Techniker vor Ort möglicherweise mehr Zeit nehmen, wenn die Drähte an der Stromschiene kleben.
Gewicht und elektrische Kapazität
Die wichtigste Materialeigenschaft bei der Entscheidung zwischen der Verwendung von Al oder Cu in einer elektrischen Anwendung ist wohl seine Kapazität. Cu bietet eine bessere elektrische Kapazität pro Volumen. Al hat jedoch eine bessere Kapazität pro Gewicht. Uwe Schenk, Global Segment Manager bei Helukabel, erklärt: „Als Rohmaterial ist Al etwa 70 % leichter als Cu. Bei Drähten kann Al bis zu 60 % leichter sein als vergleichbare stromführende Kupferdrähte.“
Das Gewicht steht in keinem direkten Verhältnis, da mehr Al erforderlich ist, um die Kapazität von Cu zu erreichen. Al trägt etwa die Hälfte der Kapazität von Cu (56 % in Al6101). Der Unterschied im Verhältnis zwischen Gewicht und elektrischer Kapazität bedeutet im Allgemeinen, dass ein Pfund Al die gleiche elektrische Leitfähigkeit hat wie 1,85 Pfund Cu. Eine Cu-Sammelschiene kann zum Beispiel etwa 550 Pfund wiegen, während die gleiche Sammelschiene aus Al etwa 300 Pfund wiegt. Eine Gewichtsreduzierung kann die Transport- oder sogar die Arbeitskosten senken.
Sonstige Überlegungen
Obwohl der Arbeitsaufwand keine Materialeigenschaft ist, beeinflusst er die Kosten. Einige Projekte können kosteneffizienter sein, wenn das Gewicht reduziert werden kann – sei es bei den Transport-, Installations- oder anderen Kosten. Leichter ist jedoch nicht bei allen Anwendungen besser. Bedenken Sie den zusätzlichen Durchmesser eines Al-Drahtes, um die Kapazität von Cu zu erreichen. Der National Electric Code (NEC) enthält Regeln dafür, wie stark ein Kabel ein Rohrstück ausfüllen kann.
Es gibt noch weitere Regeln, aber im Allgemeinen muss die Rohrfüllung bei drei oder mehr Kabeln 40 % oder weniger betragen. NEC Artikel 501 besagt jedoch, dass in explosionsgefährdeten Bereichen nur eine Füllung von 25% oder weniger zulässig ist. Das bedeutet, dass die größere Größe von Al die Arbeitskosten für das zusätzliche oder größere Rohr, das nun verlegt werden muss, um den NEC zu erfüllen, erhöhen kann.
Ein allgemeines Beispiel: Wenn man von 14 AWG Cu-Kabeln auf Al umsteigt, reduziert die größere Kabelgröße (12 AWG) die maximal zulässige Anzahl von Drähten in einem ¼-Zoll-Rohr um drei (max. Füllung: Cu = sechs Drähte, Al = drei Drähte bei 40% Füllung). Wenn für diese Anwendung vier Kabel benötigt werden, können Sie die Füllung reduzieren, indem Sie zwei Rohrstücke oder ein größeres Rohr verlegen, was jedoch mehr Energie zum Biegen erfordert. Jede dieser Lösungen könnte den Arbeitsaufwand erhöhen.
Es gab noch weitere Probleme mit Al in elektrischen Komponenten. In der Vergangenheit war Al in Schaltanlagen (Sicherungen und Schutzschalter) weit verbreitet. Leider war in der Vergangenheit oft Schweißen erforderlich, um Schaltanlagen zu befestigen. Das Schweißen von Al in der Praxis könnte die Konstrukteure dazu veranlasst haben, auf Cu umzusteigen. Seitdem werden Stromschienen mit Löchern oder schwalbenschwanzähnlichen Nuten angeboten, die eine einfachere Installation ermöglichen und nicht unbedingt geschweißt werden müssen.
Trotz der Berücksichtigung dieser Verfahren berichteten Hersteller wie GE, dass viele Kunden anfingen, Cu-Stromschienen anstelle von Al zu verlangen. Die Hersteller produzieren auf der Grundlage der Bestellungen der Konstrukteure, so dass Cu in größeren Mengen hergestellt wurde. Einige der Al-Probleme aus der Vergangenheit wurden zwar behoben, gaben der Cu-Fertigung jedoch Auftrieb.
Trotz dieses Trends bleiben Kosten und Planung Schlüsselfaktoren bei der Schätzung von Projekten. Al ist das am dritthäufigsten vorkommende Material in der Erdkruste, während Cu an 26. Stelle steht. Dies führt dazu, dass die Preise für Cu schwanken, während die Kosten für Al stabiler sind. Wenn ein Konstrukteur ein langfristiges oder zukünftiges Projekt plant, sind die Cu-Preise möglicherweise schwer vorherzusagen. Wenn die Cu-Preise höher als erwartet ausfallen, kann dies einem Projekt schaden oder es sogar zum Scheitern bringen. Dies ist einer der Gründe, warum bei großen Windkraftprojekten Al verwendet wird. Sie planen oft über lange Zeiträume und benötigen für genaue Schätzungen einen stabilen Preis. Darüber hinaus können Windturbinen bis zu 328 Fuß hoch sein und verwenden ein dickes Kabel, um den Strom in den Boden zu leiten. Eine Verringerung des Gewichts eines Kabels, wie dieses Übertragungskabels, könnte dazu beitragen, Stützen und unnötige Beanspruchung von Steckverbindern zu reduzieren und die Installation zu erleichtern.
Große Projekte, die große Mengen an Kabeln erfordern, könnten KI als kosteneffizient betrachten. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments notiert Cu an der NASDAQ bei $2,14/lb. und Al bei $0,73/lb. (3/16). Da die Kosten ein so wichtiger Faktor sind – ungeachtet der oben genannten Punkte -, könnte Al die bessere Wahl sein, wenn die Größe keine Rolle spielt und Sie eine große Menge davon benötigen.
Anwendungen
Al-Anwendungen
Übertragungs- und Verteilungsleitungen: Der leichtere Al-Draht bedeutet weniger Stützmasten, was dazu geführt hat, dass in den meisten Teilen der Welt Al für Hochspannungsfreileitungen verwendet wird.
Beleuchtungsanwendungen: In der Vergangenheit wurden für viele Glühbirnen und andere Steckverbinder Messingstecker verwendet. Heute verwenden viele Beleuchtungsstecker Al.
Cu-Anwendungen
Telekommunikationsdrähte: Die höhere Duktilität von Cu eignet sich gut, um der Telekommunikationsindustrie Flexibilität und weniger Bruch zu bieten.
Motoren: Größe und Kapazität sind wichtige Faktoren bei der Konstruktion von Motoren, weshalb viele Hersteller Cu für ihre Konstruktionen verwenden.
Beide Anwendungen, Cu und Al
Großgebäudeverkabelung: Al wird in vielen Kabeln für große Gebäude verwendet. Es bietet Preisstabilität über die lange Zeit, die für den Bau dieser Gebäude benötigt wird. Wenn der Platz kein Problem darstellt, kann Al außerdem den Preis für große Gebäude, die kilometerlange Leitungen enthalten können, senken. Die Duktilität und die geringere Größe von Kupfer eignen sich jedoch gut für die Verlegung von Leitungen innerhalb von Gebäuden. Dies sind einige der Gründe, warum beide Materialien in großen Gebäuden Vorteile bieten.
Nach den frühen 1970er Jahren wurde die Al-Legierung verändert, um die Qualität für elektrische Anwendungen zu verbessern. Viele denken immer noch, dass Al-Drähte schlecht sind, aber wenn sie richtig verwendet werden, können sie billiger und kostenstabiler sein.
Weitere Anwendungen, in denen sowohl Cu als auch Al verwendet werden, sind: Stromschienen, Transformatoren, Nieder- und Mittelspannungserdkabel.