 |
Lataa tämä artikkeli .PDF-muodossa Tämä tiedostotyyppi sisältää korkearesoluutioisia grafiikoita ja kaavioita soveltuvin osin. |
Alumiinilla (Al) ja kuparilla (Cu) on selvästikin materiaalien ominaisuuksien välisiä eroja, kuten kapasiteetin, painon ja kustannusten eroavaisuuksia, jotka on otettava huomioon sähkösovelluksessa. Al oli aiemmin yleisempi tuotteissa, kuten virtakiskoissa, sulakkeissa ja katkaisijoissa. Ajan myötä jotkut suunnittelijat ovat vaihtaneet komponentit alumiinista kupariin. Nykyään kustannusvakauden ja pinnoitteen vuoksi jotkut suunnittelijat ovat siirtymässä takaisin.
Materiaalit
Väärinkäsityksiä Al:n ja Cu:n välisistä ominaisuuksista voi syntyä eri sähkösovelluksissa käytettävien metallien eri laatujen vuoksi. Johdoissa ja sähkölaitteissa käytetty Cu on nimellisesti puhdasta. Puhdas Al ei kuitenkaan useinkaan ole riittävän luja sähkösovelluksiin. Muista myös, että eri seokset ovat muuttuneet ajan kuluessa ja kehittyvien sovellusten vuoksi.
Al-seosten eri ominaisuudet muuttuvat myös käsittelystä riippuen. Esimerkiksi Al 6101 on vahvempi kuin Al 1350. Silti Al6101:n lämpökäsittely kovettaa sitä ja parantaa sen lujuutta. Eri metallilaadut, kuten Al 6101 ja Al 1350, vaihtelevat vertailussa Cu:n kanssa. Suunnitteluprosessin aikana on siksi tärkeää, että käytössä on käytettävän materiaalin materiaaliominaisuudet.
Ominaisuudet
Paino, sähkökapasiteetti ja kustannukset ovat tärkeitä näkökohtia, kun valitaan Al:ta tai Cu:ta sähkösovellukseen. Muut tekijät voivat kuitenkin olla yhtä tärkeitä. Esimerkiksi sähköliittimien vastus voi kasvaa, jos materiaalin lujuutta ja laajenemista ei oteta huomioon. Kun liitin käy läpi lämpösyklejä, laajeneminen voi lisätä puristusvoimaa, joka voi deformoida kosketuspisteitä ja edistää materiaalien virumista. Tämä on suurempi huolenaihe Al:n kanssa, koska sen lämpölaajenemiskerroin on seoksesta riippuen noin 42 % suurempi kuin Cu:n, mutta Al saattaa pystyä haihduttamaan lämpöä nopeammin.
Hyödyntämällä 1990-luvulta lähtien alentunutta kimmomoduulia suulakepuristettujen Al-kiskojen pinta-alaa on kasvatettu, mikä auttaa pitämään lämpötilat alhaisina. Kummallekin materiaalille suunniteltaessa on tärkeää, että liitokset ovat vankkoja, jotta vältetään huono liitettävyys ajan mittaan lämpölaajenemisesta ja virumisesta johtuvien muodonmuutosten vuoksi.
Yleinen harhaluulo on, että Al on pehmeää ja että siinä on käytettävä puristusliittimiä. Joidenkin suunnittelu- ja pinnoitusmuutosten myötä mekaanisia paine- ja puristusliittimiä ei kuitenkaan enää tarvita. Joissakin tapauksissa käytetään seoksia tai käsittelyä, jotta alumiinista saadaan lähes samantasoinen kuin Cu:sta. Al voi vaatia pinnoitusta hapettumisen vähentämiseksi yleensä, koska se voi vaikuttaa liitäntään – jopa Al-Al-liitäntään. Lisäksi pinnoituksessa ja pinnoittamisessa käytetään usein tinaa tai hopeaa. Nämä materiaalit vähentävät korroosiota sekä Alissa että Cu:ssa, koska ne ovat alttiita hapettumiselle, kun ne altistuvat ilmakehälle.
Korroosio on myös ongelma, kun samassa järjestelmässä on kaksi erilaista metallia. Al reagoi sähkökemiallisesti Cu:n kanssa, jos siihen lisätään kosteutta (kosteutta, joka toimisi elektrolyyttinä). Al-Cu-kaapelikorvakkeet ovat liittimiä, jotka on kitkahitsattu ja kapseloitu, jotta korroosio ei vahingoittaisi Al-Cu-liitäntää. Asianmukaiset liitokset ovat tärkeitä, sillä korroosiokuluminen on myös huolenaihe. Al ja Cu ovat yhteensopivia metalleja, joten kosketuksessa voi syntyä sidoksia, jotka voivat edistää kulumista. Vaikka korroosiokuluminen on suurempi ongelma liikkuville osille, teknikko voi joutua käyttämään enemmän aikaa kentällä, jos johdot ovat kiinni virtakiskossa.
Paino ja sähkökapasiteetti
Väittämättä tärkein materiaaliominaisuus päätettäessä Al:n tai Cu:n käytön välillä sähköisessä sovelluksessa on sen kapasiteetti. Cu tarjoaa paremman sähkökapasiteetin tilavuutta kohti. Al:lla on kuitenkin parempi kapasiteetti painoa kohti. Helukabelin maailmanlaajuisen segmenttipäällikön Uwe Schenkin mukaan ”Al on raaka-aineena noin 70 % kevyempi kuin Cu. Johdoissa Al voi olla jopa 60 % kevyempi kuin vastaavat virtaa johtavat kuparijohdot.”
Paino ei ole suorassa suhteessa toisiinsa, sillä Cu:n kapasiteetin saavuttamiseksi tarvitaan enemmän Al:ta. Al kantaa noin puolet Cu:n kapasiteetista (56 % Al6101:ssä). Painon ja sähkökapasiteetin välisen suhteen ero tarkoittaa yleensä sitä, että yksi kilo Alia vastaa sähkönjohtavuudeltaan 1,85 kiloa Cu:ta. Esimerkiksi Cu-kisko voi painaa noin 550 paunaa, kun taas sama kisko Alissa painaa noin 300 paunaa. Painon vähentäminen voi auttaa kuljetus- tai jopa työvoimakustannuksissa.
Muut näkökohdat
Vaikka työvoima ei ole materiaaliominaisuus, se vaikuttaa kustannuksiin. Jotkin hankkeet voivat olla kustannustehokkaampia, jos painoa pystytään pienentämään – olipa kyse sitten kuljetus-, asennus- tai muista kustannuksista. Kevyempi ei kuitenkaan välttämättä ole parempi kaikissa sovelluksissa. Al-langan halkaisijan lisäys vastaa Cu:n kapasiteettia. National Electric Code (NEC) antaa säännöt sille, kuinka paljon kaapeli voi täyttää putkenpätkän.
Sääntöjä on enemmänkin, mutta yleisesti ottaen kolmen tai useamman kaapelin kohdalla putken täytön on oltava 40 % tai vähemmän. NEC 501 artiklassa sanotaan kuitenkin, että jos putki on räjähdysvaarallisissa tiloissa, vain 25 prosentin täyttö tai vähemmän hyväksytään. Tämä tarkoittaa, että Al:n koon kasvattaminen saattaa lisätä työvoimakustannuksia ylimääräisen tai suuremman putkiston osalta, joka on nyt vedettävä NEC:n vaatimusten täyttämiseksi.
Yleinen esimerkki: jos siirrytään 14 AWG:n Cu-kaapelista Al:iin, kaapelin koon kasvattaminen (12 AWG) vähentää ¼ tuuman putkistossa sallittujen johtojen enimmäismäärää kolmella (maksimitäyttö: Cu = kuusi johdinta, Al = kolme johdinta 40 %:lla täyttömäärän ollessa 40 %:n). Jos tässä sovelluksessa tarvitaan neljä kaapelia, voit pienentää täyttömäärää kuljettamalla kahta putkea tai suurempaa kokoa – jolloin taivuttamiseen kuluu enemmän energiaa. Kumpikin näistä ratkaisuista voi lisätä työmäärää.
Alin kanssa on ollut muitakin ongelmia sähkökomponenteissa. Aikaisemmin alumiini oli yleistä kytkinlaitteissa (sulakkeet ja katkaisijat). Valitettavasti aiemmin kytkinlaitteiden kiinnittämiseen tarvittiin usein hitsausta. Al-hitsaus kentällä saattoi olla syynä siihen, että suunnittelijat siirtyivät käyttämään Cu:ta. Sittemmin ne ovat tarjonneet virtakiskoja, joissa on reikiä tai sinipyrstömaisia uria, jotka mahdollistavat helpomman asennuksen ja joita ei välttämättä tarvitse hitsata.
Tämän prosessin käsittelemisestä huolimatta valmistajat, kuten GE, ilmoittivat, että monet asiakkaat alkoivat pyytää Cu-kiskoja Al:n sijaan. Valmistajat valmistavat sen mukaan, mitä suunnittelijat tilaavat, joten Cu:ta valmistettiin suurempia määriä. Jotkin Al:n aiemmista ongelmista, vaikka ne korjattiin, antoivat Cu:n valmistukselle vauhtia.
Tästä suuntauksesta huolimatta kustannukset ja suunnittelu ovat edelleen keskeisiä tekijöitä hankkeita arvioitaessa. Al on maankuoren kolmanneksi yleisin materiaali, kun taas Cu on 26. yleisin. Tämän vuoksi Cu:n hinta vaihtelee, kun taas Al:n hinta on vakaampi. Jos suunnittelija suunnittelee pitkän aikavälin tai tulevaa hanketta, Cu:n hintoja voi olla vaikea ennustaa. Jos Cu:n hinta nousee ennakoitua korkeammaksi, se voi vahingoittaa hanketta tai jopa viedä sen konkurssiin. Tämä on yksi syy siihen, miksi suurissa tuulivoimahankkeissa on käytetty alumiinia. Niissä suunnitellaan usein pitkiä ajanjaksoja, jolloin tarvitaan vakaata hintaa tarkkojen arvioiden tekemiseksi. Lisäksi tuulivoimalat voivat olla jopa 328 jalan korkuisia, ja niissä käytetään paksua johtoa sähkön siirtämiseksi maahan. Vähentämällä kaapelin, kuten tämän siirtojohdon, painoa voitaisiin vähentää tukia ja liittimiin kohdistuvaa tarpeetonta rasitusta sekä helpottaa asennusta.
Suurissa hankkeissa, jotka vaativat valtavia määriä johtoja, Al saattaa olla kustannustehokas. Tätä kirjoitettaessa NASDAQ osoittaa Cu:n hinnaksi 2,14 dollaria paunalta ja Al:n hinnaksi 0,73 dollaria paunalta. (3/16). Koska kustannukset ovat niin määräävä tekijä – mikä ei kumoa edellä mainittua – jos suurempi koko ei ole huolenaihe ja sitä tarvitaan suuri määrä, Al saattaa olla parempi valinta.
Sovellukset
Al-sovellukset
Lähetys- ja jakelulinjat: Kevyempi Al-johto merkitsee vähemmän tukimastoja, minkä vuoksi suurin osa maailmasta käyttää Al:a suurjänniteilmajohdoissa.
Valaistussovellukset: Monissa hehkulampuissa ja muissa liittimissä käytettiin aiemmin messinkiliittimiä. Nykyään monissa valaistusliittimissä käytetään Al:tä.
Cu-sovellukset
Telecommunication-johdot: Cu:n suurempi sitkeys sopii hyvin tarjoamaan joustavuutta ja vähemmän rikkoutumista tietoliikenneteollisuudelle.
Moottorit: Koko ja kapasiteetti ovat tärkeitä tekijöitä moottoreiden suunnittelussa, ja monet valmistajat käyttävät Cu:ta suunnittelussaan.
Sekä Cu- että Al-sovellukset
Suurten rakennusten johdotukset: Al on monissa suurten rakennusten johdoissa. Se tarjoaa hintavakauden niiden rakentamiseen tarvittavan pitkän ajan kuluessa. Lisäksi, jos tila ei ole ongelma, Al voi alentaa hintaa suurissa rakennuksissa, joissa voi olla kilometrien pituisia johtoja. Cu:n sitkeys ja pienempi koko soveltuvat kuitenkin hyvin rakennusten sisällä oleviin johtoihin. Tämä on pari syytä siihen, että molemmat materiaalit tarjoavat etuja suurissa rakennuksissa.
1970-luvun alun jälkeen Al-seosta muutettiin laadun parantamiseksi sähkösovelluksia varten. Monet ajattelevat edelleen, että Al-johdot ovat huonoja, mutta jos niitä käytetään oikein, ne voivat olla halvempia ja kustannusvakaita.
Muita sovelluksia, joissa sekä Cu:ta että Al:ta käytetään, ovat mm. seuraavat: Pien- ja keskijännitteiset maakaapelit.