 |
Töltse le ezt a cikket .PDF formátumban Ez a fájltípus adott esetben nagy felbontású grafikákat és vázlatokat tartalmaz. |
Az alumínium (Al) és a réz (Cu) között nyilvánvalóan vannak anyagtulajdonságbeli különbségek, például kapacitás, súly és költség, amelyeket egy elektromos alkalmazásnál figyelembe kell venni. Az Al a múltban elterjedtebb volt olyan termékeknél, mint a gyűjtősínek, biztosítékok és megszakítók. Idővel egyes tervezők az alkatrészeket Al-ról Cu-ra cserélték. Ma a költségstabilitás és a bevonat miatt néhány tervező visszavált.
Az anyagok
A különböző elektromos alkalmazásokban használt különböző minőségű fémek miatt tévhitek merülhetnek fel az Al és a Cu közötti tulajdonságokkal kapcsolatban. A vezetékekben és elektromos berendezésekben használt Cu névlegesen tiszta. A tiszta Al azonban gyakran nem elég erős az elektromos alkalmazásokhoz. Ne feledje azt sem, hogy a különböző ötvözetek az idők során és a fejlődő alkalmazások miatt megváltoztak.
A különböző Al-ötvözetek tulajdonságai a feldolgozástól függően szintén változnak. Például az Al 6101 erősebb, mint az Al 1350. Mégis az Al6101 hőkezelése megkeményíti és javítja a szilárdságát. A különböző fémminőségek, mint például az Al 6101 és az Al 1350, a Cu-val való összehasonlításban különböznek. A tervezési folyamat során ezért elengedhetetlen, hogy rendelkezzünk az adott anyagra vonatkozó anyagtulajdonságokkal.
Tulajdonságok
A tömeg, az elektromos kapacitás és a költség fontos szempontok az Al vagy a Cu kiválasztásakor egy elektromos alkalmazáshoz. Mégis más szempontok is ugyanolyan fontosak lehetnek. Például az elektromos csatlakozókban az ellenállás megnőhet, ha nem veszik figyelembe az anyag szilárdságát és tágulását. Ahogy egy csatlakozó hőciklusokon megy keresztül, a tágulás növelheti a szorítóerőt, ami deformálhatja az érintkezési pontokat és elősegítheti az anyagok kúszását. Ez az Al esetében nagyobb gondot jelent, mivel hőtágulási együtthatója az ötvözettől függően körülbelül 42%-kal nagyobb, mint a Cué, de az Al talán gyorsabban képes elvezetni a hőt.
A kilencvenes évek óta alacsonyabb rugalmassági modulust kihasználva az extrudált Al-sínsávok felületét megnövelték, ami segít alacsonyan tartani a hőmérsékletet. Bármelyik anyagból történő tervezéskor fontos, hogy a csatlakozások robusztusak legyenek, hogy elkerülhető legyen az idő múlásával a hőtágulásból eredő deformáció, valamint a kúszás miatti rossz csatlakoztathatóság.
Egy gyakori tévhit, hogy az Al lágy, és kompressziós csatlakozókat kell használni. Néhány tervezési és lemezelési változtatással azonban már nincs szükség mechanikus nyomócsatlakozókra és kompressziós csatlakozókra. Bizonyos esetekben ötvözeteket vagy feldolgozást alkalmaznak, hogy az alumíniumot majdnem a Cu-val egyenrangúvá tegyék. Az Al általában bevonatot igényelhet az oxidáció csökkentése érdekében, mivel ez hatással lehet a csatlakozásra – még az Al-Al kapcsolatra is. Ezenkívül a bevonatolás és a galvanizálás gyakran tartalmaz ónt vagy ezüstöt. Ezek az anyagok mind az Al, mind a Cu esetében csökkentik a korróziót, mivel a légkörnek kitéve hajlamosak az oxidációra.
A korrózió akkor is problémát jelent, ha két különböző fém van egy rendszerben. Az Al elektrokémiai reakcióba lép a Cu-val, ha nedvesség kerül bele (nedvesség, amely elektrolitként viselkedne). Az Al-Cu kábelsaruk olyan csatlakozók, amelyeket súrlódási hegesztéssel és kupakkal láttak el, hogy megakadályozzák, hogy a korrózió károsítsa az Al-Cu kapcsolatot. A megfelelő csatlakozások fontosak, mivel a korróziós kopás is aggodalomra ad okot. Az Al és a Cu kompatibilis fémek, így az érintkezés olyan kötést hozhat létre, amely elősegítheti a kopást. Míg a korróziós kopás nagyobb problémát jelent a mozgó alkatrészek esetében, a technikusnak több időt kell szánnia a helyszínen, ha a vezetékek a gyűjtősínhez tapadnak.
Súly és elektromos kapacitás
Az Al vagy Cu elektromos alkalmazásban való használata közötti döntés meghozatalakor vitathatatlanul a fő anyagtulajdonság a kapacitás. A Cu jobb elektromos kapacitást kínál térfogatra vetítve. Az Al azonban jobb kapacitással rendelkezik tömegre vetítve. Uwe Schenk, a Helukabel globális szegmensvezetője szerint: “Nyersanyagként az Al körülbelül 70%-kal könnyebb, mint a Cu. Vezetékek esetében az Al akár 60%-kal könnyebb lehet, mint a hasonló áramvezető rézvezetékek.”
A súly nem közvetlen összefüggés, mivel több Al szükséges a Cu kapacitásának eléréséhez. Az Al körülbelül fele akkora kapacitást hordoz, mint a Cu (56% az Al6101-ben). A súly és az elektromos kapacitás arányának különbsége azt jelenti, hogy általában egy font Al elektromos vezetőképessége megegyezik 1,85 font Cu elektromos vezetőképességével. Például egy Cu gyűjtősín súlya kb. 550 font lehet, míg ugyanez a gyűjtősín Al-ban kb. 300 font. A súly csökkentése segíthet a szállítási vagy akár a munkaköltségekben.
Egyéb megfontolások
Bár a munkaerő nem anyagi tulajdonság, mégis befolyásolja a költségeket. Egyes projektek költséghatékonyabbak lehetnek, ha a súlyt csökkenteni lehet – akár a szállítási, telepítési vagy egyéb költségekben jelentkezik ez. A könnyebb azonban nem biztos, hogy minden alkalmazásban jobb. Vegyük figyelembe a hozzáadott átmérőt egy Al huzalban, hogy megfeleljen a Cu kapacitásának. A National Electric Code (NEC) szabályokat ad arra vonatkozóan, hogy egy kábel mennyire tölthet ki egy vezetékdarabot.
Ezeknél több szabály van, de általában három vagy több kábel esetén a csőtöltésnek legfeljebb 40%-osnak kell lennie. Az NEC 501. cikke azonban azt mondja, hogy ha a csővezeték veszélyes helyeken van, csak 25%-os vagy annál kisebb kitöltés fogadható el. Ez azt jelenti, hogy az Al megnövekedett mérete megnövelheti az extra vagy nagyobb csővezeték munkaköltségét, amelyet most az NEC teljesítéséhez kell lefuttatni.
Általános példával élve, ha 14 AWG Cu kábelről Al-re váltunk, a megnövekedett kábelméret (12 AWG) hárommal csökkenti a ¼ hüvelykes csővezetékben megengedett maximális vezetékmennyiséget (maximális töltés: Cu = hat vezeték, Al = három vezeték 40%-os töltés mellett). Ha ehhez az alkalmazáshoz négy kábelre van szükség, akkor két darab vezeték vagy nagyobb méretű vezeték futtatásával csökkentheti a kitöltést – ami több energiát igényel a hajlításhoz. Ezek a megoldások mindegyike növelheti a munkadíjat.
Az elektromos alkatrészekben lévő Al-lal kapcsolatban más problémák is felmerültek. Történelmileg az Al a kapcsolóberendezésekben (biztosítékok és megszakítók) volt elterjedt. Sajnos a múltban a kapcsolóberendezések rögzítéséhez gyakran volt szükség hegesztésre. Az Al hegesztése a terepen lehetett az, ami arra késztette a tervezőket, hogy áttérjenek a Cu használatára. Azóta kínálnak lyukakkal vagy fecskefarokszerű hornyokkal ellátott gyűjtősíneket, amelyek könnyebb szerelést tesznek lehetővé, és amelyeket nem feltétlenül kell hegeszteni.
Az ezen eljárások kezelése ellenére a gyártók, mint például a GE, arról számoltak be, hogy sok ügyfél kezdett Cu gyűjtősínt kérni az Al helyett. A gyártók a tervezők megrendelése alapján gyártanak, így a Cu-t nagyobb mennyiségben gyártották. Az Al néhány korábbi problémája, bár kijavították, lendületet adott a Cu gyártásának.
Ez a tendencia ellenére a költségek és a tervezés továbbra is kulcsfontosságú tényezők a projektek becslésénél. Az Al a harmadik leggyakoribb anyag a földkéregben, míg a Cu a 26. helyen áll. Emiatt a Cu ára ingadozik, míg az Al költsége stabilabb. Ha egy tervező hosszú távú vagy jövőbeli projektet tervez, a Cu árát nehéz lehet megjósolni. Ha a Cu ára magasabb lesz a tervezettnél, az árthat a projektnek, vagy akár csődbe is viheti azt. Ez az egyik oka annak, hogy a nagy szélerőmű-projektek az Al-t használják. Gyakran hosszú időre terveznek, és a pontos becslésekhez stabil árra van szükségük. Ráadásul a szélturbinák akár 328 láb magasak is lehetnek, és nagy vastagságú vezetéket használnak az elektromosság földre történő továbbítására. A kábel súlyának csökkentése, mint például ez az átviteli vezeték, segíthet csökkenteni a támasztékokat és a csatlakozók felesleges igénybevételét, és megkönnyítheti a telepítést.
A nagy projektek, amelyek hatalmas mennyiségű vezetéket igényelnek, költséghatékonynak találhatják az Alt. E sorok írásakor a NASDAQ a Cu-t 2,14 dollár/tonna, az Al-t pedig 0,73 dollár/tonna áron mutatja. (3/16). Mivel a költség ilyen meghatározó tényező – a fent említetteket nem negligálva -, ha a megnövelt méret nem jelent gondot, és nagy mennyiségre van szükség, az Al jobb választás lehet.
Alkalmazások
Al-alkalmazások
Átviteli és elosztóvezetékek: A könnyebb Al huzal kevesebb tartóoszlopot jelent, ami ahhoz vezet, hogy a világ nagy részén Al-t használnak nagyfeszültségű légvezetékekhez.
Világítási alkalmazások: Sok izzó és egyéb csatlakozó a múltban sárgaréz csatlakozókat használt. Ma sok világítási csatlakozó Al-t használ.
Cu alkalmazások
Távközlési vezetékek: A Cu nagyobb alakíthatósága jól működik, hogy rugalmasságot és kevesebb törést biztosítson a távközlési iparban.
Motorok: A méret és a kapacitás fontos tényező a motorok tervezésénél, ezért sok gyártó Cu-t használ a terveihez.
Mind a Cu, mind az Al alkalmazások
Nagy épületek vezetékei: Az Al a nagy épületek sok vezetékében megtalálható. Ez biztosítja az árstabilitást az építésükhöz szükséges hosszú idő alatt. Ezenkívül, ha a hely nem jelent problémát, az Al csökkentheti a nagy épületek árát, amelyek több kilométernyi vezetéket tartalmazhatnak. A Cu alakíthatósága és kisebb mérete azonban jól használható az épületeken belüli vezetékekhez. Ez egy pár ok, amiért mindkét anyag előnyöket kínál a nagy épületekben.
Az 1970-es évek eleje után az Al ötvözetet megváltoztatták, hogy javítsák az elektromos alkalmazások minőségét. Sokan még mindig úgy gondolják, hogy az Al-vezetékek rossz, de ha megfelelően használják, akkor olcsóbb és költségstabil lehet.
Az egyéb alkalmazások, amelyekben mind a Cu-t, mind az Al-t használják, a következők:
Az alumíniumot és az Al-t többek között a gyűjtősínekben, transzformátorokban, kis- és középfeszültségű földalatti kábelekben használják.