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Il y a évidemment des différences de propriétés des matériaux, telles que, la capacité, le poids et le coût entre l’aluminium (Al) et le cuivre (Cu) à considérer pour une application électrique. L’Al était plus répandu dans le passé pour des produits tels que les barres omnibus, les fusibles et les disjoncteurs. Au fil du temps, certains concepteurs ont remplacé l’aluminium par le cuivre dans les composants. Aujourd’hui, en raison de la stabilité des coûts et du revêtement, certains concepteurs reviennent en arrière.
Matériaux
Des idées fausses sur les propriétés entre Al et Cu peuvent survenir en raison des différentes qualités de métaux utilisées dans les différentes applications électriques. Le Cu utilisé dans les fils et les équipements électriques est nominalement pur. L’Al pur, cependant, n’est souvent pas assez résistant pour les applications électriques. Gardez également à l’esprit que les différents alliages ont changé au fil du temps et en raison de l’évolution des applications.
Les propriétés des différents alliages d’Al changent également, en fonction du traitement. Par exemple, l’Al 6101 est plus résistant que l’Al 1350. Pourtant, le traitement thermique de l’Al 6101 le durcit et améliore sa résistance. Les différentes qualités de métaux, comme l’Al 6101 et l’Al 1350, varieront en fonction des comparaisons avec le Cu. Au cours du processus de conception, il est donc essentiel de disposer des propriétés du matériau spécifique utilisé.
Propriétés
Le poids, la capacité électrique et le coût sont des considérations majeures lors du choix de l’Al ou du Cu pour une application électrique. Pourtant, d’autres facteurs peuvent être tout aussi importants. Par exemple, la résistance des connecteurs électriques peut augmenter si la résistance et l’expansion d’un matériau ne sont pas prises en compte. Lorsqu’une connexion subit des cycles thermiques, l’expansion peut augmenter la force de serrage, ce qui peut déformer les points de contact et favoriser le fluage des matériaux. Ce sera une plus grande préoccupation avec l’Al parce que son coefficient de dilatation thermique, selon l’alliage, est environ 42% plus élevé que le Cu, mais l’Al peut être en mesure de dissiper la chaleur plus rapidement.
Prenant avantage de la baisse du module d’élasticité depuis les années 1990, les barres omnibus en Al extrudé ont augmenté la surface, aidant à maintenir les températures basses. Il est important, lors de la conception dans l’un ou l’autre matériau, que les connexions soient robustes pour éviter une mauvaise connectivité au fil du temps, en raison de la déformation due à la dilatation thermique, ainsi que du fluage.
Une idée fausse courante est que l’Al est mou et doit utiliser des connecteurs à compression. Cependant, avec certaines modifications de conception et de placage, les connecteurs mécaniques à pression et les connecteurs à compression ne sont plus nécessaires. Dans certains cas, des alliages ou des traitements sont utilisés pour rendre l’aluminium presque équivalent au Cu. L’aluminium peut nécessiter un revêtement pour réduire l’oxydation en général, car celle-ci peut affecter la connexion – même une connexion Al à Al. En outre, le revêtement et le placage comprennent souvent de l’étain ou de l’argent. Ces matériaux réduisent la corrosion de l’Al et du Cu, car ils sont enclins à l’oxydation lorsqu’ils sont exposés à l’atmosphère.
La corrosion est également un problème lorsqu’il y a deux métaux dissemblables dans un système. L’Al réagira électrochimiquement avec le Cu si de l’humidité est introduite (humidité qui agirait comme un électrolyte). Les cosses de câble Al-Cu sont des connecteurs qui ont été soudés par friction et capsulés pour empêcher la corrosion d’endommager une connexion Al-Cu. Il est important d’avoir des connexions correctes, car l’usure par corrosion est également une préoccupation. L’aluminium et le cuivre étant des métaux compatibles, leur contact peut créer une liaison susceptible de favoriser l’usure. Alors que l’usure corrosive est plus un problème pour les pièces qui bougent, un technicien peut avoir besoin de prendre plus de temps sur le terrain si les fils sont collés à la barre omnibus.
Poids et capacité électrique
On peut soutenir que la principale propriété du matériau pour décider d’utiliser Al ou Cu dans une application électrique est sa capacité. Le Cu offre une meilleure capacité électrique par volume. Cependant, l’aluminium a une meilleure capacité par poids. Selon Uwe Schenk, directeur du segment mondial chez Helukabel, « En tant que matière première, l’aluminium est environ 70 % plus léger que le cuivre. Pour les fils, l’Al peut être jusqu’à 60% plus léger que des fils de cuivre comparables transportant du courant. »
Le poids n’est pas une relation directe car il faut plus d’Al pour égaler la capacité du Cu. L’Al porte environ la moitié de la capacité du Cu (56% dans l’Al6101). La différence dans le rapport poids/capacité électrique signifie généralement qu’une livre d’Al a une conductivité électrique égale à 1,85 livre de Cu. Par exemple, une barre de bus en Cu pourrait peser environ 550 lb, alors que la même barre en Al serait d’environ 300 lb. La réduction du poids peut aider à l’expédition ou même au coût de la main-d’œuvre.
Autres considérations
Bien que la main-d’œuvre ne soit pas une propriété matérielle, elle affecte le coût. Certains projets peuvent être plus rentables si le poids peut être réduit – que cela se traduise par des coûts d’expédition, d’installation ou autres. Cependant, plus léger n’est pas forcément meilleur dans toutes les applications. Considérez le diamètre supplémentaire d’un fil en aluminium pour correspondre à la capacité du cuivre. Le Code national de l’électricité (NEC) donne des règles pour savoir dans quelle mesure un câble peut remplir un morceau de conduit.
Il y a plus de règles que cela mais, généralement, lorsqu’il s’agit de trois câbles ou plus, le remplissage du conduit doit être de 40% ou moins. Cependant, l’article 501 du NEC dit que si le conduit est dans des endroits dangereux, seul un remplissage de 25%, ou moins, est accepté. Cela signifie que l’augmentation de la taille de l’Al pourrait augmenter le coût de la main-d’œuvre pour le conduit supplémentaire ou plus grand qui doit maintenant être exécuté pour satisfaire le NEC.
Pour un exemple général, si vous passez d’un câble Cu 14 AWG à l’Al, l’augmentation de la taille du câble (12 AWG) réduira de trois la quantité maximale de fils autorisés dans un conduit de ¼ pouce (remplissage maximal : Cu = six fils, Al = trois fils à 40% de remplissage). Si cette application nécessite quatre câbles, vous pouvez réduire le remplissage en faisant passer deux morceaux de conduit ou une taille supérieure – ce qui nécessitera plus d’énergie pour le pliage. L’une ou l’autre de ces solutions pourrait augmenter la main-d’œuvre.
Il y a eu d’autres problèmes avec l’Al dans les composants électriques. Historiquement, l’Al était répandu dans les appareillages de commutation (fusibles et disjoncteurs). Malheureusement, dans le passé, le soudage était souvent nécessaire pour fixer les appareillages de commutation. La soudure à l’aluminium sur le terrain est peut-être ce qui a poussé les concepteurs à passer au cuivre. Depuis lors, ils ont proposé des barres omnibus avec des trous ou des rainures en forme de queue d’aronde qui permettent une installation plus facile et ne doivent pas nécessairement être soudées.
Malgré la prise en compte de ces processus, des fabricants comme GE ont signalé que de nombreux clients ont commencé à demander des barres omnibus en Cu plutôt qu’en Al. Les fabricants produisent en fonction de ce que les concepteurs commandent, de sorte que le Cu a été produit en plus grand volume. Certains des problèmes passés de l’Al, bien que corrigés, ont donné un élan à la fabrication du Cu.
Malgré cette tendance, le coût et la planification restent des facteurs clés dans l’estimation des projets. L’Al est le troisième matériau le plus abondant dans la croûte terrestre, tandis que le Cu est le 26e. De ce fait, les prix du Cu fluctuent alors que le coût de l’Al est plus stable. Si un concepteur planifie un projet à long terme ou futur, les prix du cuivre peuvent être difficiles à prévoir. Si les prix du cuivre deviennent plus élevés que prévu, cela peut nuire à un projet, voire le mettre en faillite. C’est l’une des raisons pour lesquelles les grands projets éoliens utilisent l’Al. Ils sont souvent planifiés sur de longues périodes et ont besoin d’un prix stable pour des estimations précises. En outre, les éoliennes peuvent atteindre une hauteur de 328 pieds et utilisent un câble de gros calibre pour transmettre l’électricité au sol. Réduire le poids d’un câble, tel que ce fil de transmission, pourrait aider à réduire les supports et les contraintes inutiles sur les connecteurs, et le rendre plus facile à installer.
Les grands projets nécessitant des quantités massives de câblage pourraient trouver Al pour être rentable. Au moment de la rédaction de cet article, le NASDAQ affiche le Cu à 2,14 $/lb et l’Al à 0,73 $/lb. (3/16). Comme le coût est un tel facteur moteur – sans nier ce qui précède – si une taille accrue n’est pas une préoccupation et que vous en avez besoin en grande quantité, l’Al pourrait être un meilleur choix.
Applications
Applications de l’Al
Lignes de transmission et de distribution : Le fil Al plus léger signifie moins de tours de support, ce qui conduit la plupart du monde à utiliser l’Al pour les lignes de transmission aériennes à haute tension.
Applications d’éclairage : Dans le passé, de nombreuses ampoules et autres connecteurs utilisaient des connecteurs en laiton. Aujourd’hui, de nombreux connecteurs d’éclairage utilisent de l’Al.
Applications du Cu
Fils de télécommunication : La ductilité plus élevée du Cu fonctionne bien pour fournir une flexibilité et moins de rupture à l’industrie des télécommunications.
Moteurs : La taille et la capacité sont des facteurs importants dans la conception des moteurs et font que de nombreux fabricants utilisent le Cu pour leurs conceptions.
Applications à la fois du Cu et de l’Al
Câblage de grands bâtiments : L’Al est dans beaucoup de fils pour les grands bâtiments. Il offre la stabilité du prix sur la longue durée de leur construction. De plus, si l’espace n’est pas un problème, l’Al peut réduire le prix des grands bâtiments qui peuvent contenir des kilomètres de fils. Cependant, la ductilité et la taille réduite du cuivre conviennent bien aux conduits à l’intérieur des bâtiments. Ce sont deux raisons pour lesquelles les deux matériaux offrent des avantages dans les grands bâtiments.
Après le début des années 1970, l’alliage Al a été modifié pour améliorer la qualité pour les applications électriques. Beaucoup pensent encore que le câblage en Al est mauvais, mais s’il est utilisé correctement, il peut être un coût moins cher et stable.
Autres applications dans lesquelles le Cu et l’Al sont utilisés comprennent : Les barres omnibus, les transformateurs, les câbles souterrains de basse et moyenne tension.