 |
Scarica questo articolo in formato .PDF Questo tipo di file include grafica ad alta risoluzione e schemi quando applicabile. |
Ci sono ovviamente differenze nelle proprietà dei materiali, come capacità, peso e costo tra alluminio (Al) e rame (Cu) da considerare per un’applicazione elettrica. L’Al era più prevalente in passato per prodotti come sbarre collettrici, fusibili e interruttori. Nel tempo, alcuni progettisti hanno cambiato i componenti da Al a Cu. Oggi, a causa della stabilità dei costi e del rivestimento, alcuni progettisti stanno tornando indietro.
Materiali
I malintesi sulle proprietà tra Al e Cu possono sorgere a causa dei diversi gradi di metalli usati in diverse applicazioni elettriche. Il Cu usato nei fili e nelle apparecchiature elettriche è nominalmente puro. L’Al puro, tuttavia, spesso non è abbastanza forte per le applicazioni elettriche. Inoltre, tenete a mente che le diverse leghe sono cambiate nel tempo e a causa dell’evoluzione delle applicazioni.
Le proprietà delle diverse leghe di Al cambieranno anche, a seconda della lavorazione. Per esempio, Al 6101 è più forte di Al 1350. Tuttavia, il trattamento termico di Al 6101 lo indurisce e migliora la sua resistenza. I diversi gradi di metalli, come Al 6101 e Al 1350, varieranno nel confronto con Cu. Durante il processo di progettazione, è quindi essenziale avere le proprietà del materiale specifico utilizzato.
Proprietà
Peso, capacità elettrica e costo sono considerazioni importanti quando si sceglie Al o Cu per un’applicazione elettrica. Tuttavia, altre considerazioni possono essere altrettanto importanti. Per esempio, la resistenza nei connettori elettrici può aumentare se non si considera la resistenza e l’espansione di un materiale. Quando una connessione è sottoposta a cicli termici, l’espansione può aumentare la forza di serraggio che può deformare i punti di contatto e promuovere il creep nei materiali. Questa sarà una preoccupazione maggiore con l’Al perché il suo coefficiente di espansione termica, a seconda della lega, è circa il 42% maggiore del Cu, ma l’Al può essere in grado di dissipare il calore più velocemente.
Approfittando del minore modulo di elasticità dagli anni ’90, le sbarre estruse in Al hanno aumentato la superficie, aiutando a mantenere basse le temperature. È importante, quando si progetta in entrambi i materiali, che le connessioni siano robuste per evitare una scarsa connettività nel tempo, a causa della deformazione da espansione termica, così come il creep.
Un malinteso comune è che l’Al è morbido e deve usare connettori a compressione. Tuttavia, con alcune modifiche al design e alla placcatura, i connettori meccanici a pressione e i connettori a compressione non sono più necessari. In alcuni casi, le leghe o la lavorazione sono utilizzate per rendere l’alluminio quasi alla pari con il Cu. L’Al può richiedere un rivestimento per ridurre l’ossidazione in generale, poiché questo può influenzare la connessione – anche una connessione Al-Al. Inoltre, il rivestimento e la placcatura spesso includono stagno o argento. Questi materiali riducono la corrosione sia in Al che in Cu, poiché sono inclini all’ossidazione quando sono esposti all’atmosfera.
La corrosione è anche un problema quando ci sono due metalli dissimili in un sistema. L’Al reagirà elettrochimicamente con il Cu se si introduce umidità (umidità che agirebbe come un elettrolita). I capicorda da Al a Cu sono connettori che sono stati saldati per attrito e capsulati per evitare che la corrosione danneggi una connessione Al-Cu. Le connessioni corrette sono importanti, poiché anche l’usura corrosiva è una preoccupazione. Al e Cu sono metalli compatibili, quindi il contatto può creare un legame che può promuovere l’usura. Mentre l’usura corrosiva è più di un problema per le parti che si muovono, un tecnico potrebbe dover impiegare più tempo sul campo se i fili sono attaccati alla sbarra collettrice.
Peso e capacità elettrica
Indubbiamente, la principale proprietà del materiale nel decidere se usare Al o Cu in un’applicazione elettrica è la sua capacità. Cu offre una migliore capacità elettrica per volume. Tuttavia, Al ha una migliore capacità per peso. Secondo Uwe Schenk, global segment manager di Helukabel, “Come materia prima, l’Al è circa il 70% più leggero del Cu. Per i fili, l’Al può essere fino al 60% più leggero dei fili di rame comparabili che trasportano corrente.”
Il peso non è un rapporto diretto, poiché è necessario più Al per eguagliare la capacità del Cu. L’Al porta circa la metà della capacità del Cu (56% in Al6101). La differenza nel rapporto tra peso e capacità elettrica significa generalmente che una libbra di Al ha una conducibilità elettrica pari a 1,85 libbre di Cu. Per esempio, una sbarra collettrice in Cu potrebbe pesare circa 550 libbre, mentre la stessa sbarra collettrice in Al sarebbe di circa 300 libbre. Ridurre il peso può aiutare la spedizione o anche il costo del lavoro.
Altre considerazioni
Anche se il lavoro non è una proprietà del materiale, influenza il costo. Alcuni progetti possono essere più convenienti se il peso può essere ridotto – se questo si traduce in costi di spedizione, installazione o altro. Tuttavia, più leggero potrebbe non essere migliore in tutte le applicazioni. Considerate il diametro aggiunto in un filo di Al per eguagliare la capacità del Cu. Il National Electric Code (NEC) dà regole per quanto un cavo può riempire un pezzo di condotto.
Ci sono più regole di questa ma, generalmente, quando si tratta di tre o più cavi, il riempimento del tubo deve essere del 40% o meno. Tuttavia, l’articolo 501 del NEC dice che se il condotto è in luoghi pericolosi, solo il 25% di riempimento, o meno, è accettato. Questo significa che l’aumento delle dimensioni dell’Al potrebbe aumentare il costo del lavoro per il condotto extra o più grande che ora deve essere eseguito per soddisfare il NEC.
Per un esempio generale, se si passa dal cavo Cu 14 AWG all’Al, l’aumento delle dimensioni del cavo (12 AWG) ridurrà la quantità massima di fili consentita nel condotto da ¼ di pollice di tre (riempimento massimo: Cu = sei fili, Al = tre fili al 40% di riempimento). Se questa applicazione ha bisogno di quattro cavi, è possibile ridurre il riempimento facendo scorrere due pezzi di guaina o una dimensione più grande, il che richiederà più energia per piegare. Entrambe queste soluzioni potrebbero aumentare la manodopera.
Ci sono stati altri problemi con l’Al nei componenti elettrici. Storicamente, l’Al era prevalente negli interruttori (fusibili e interruttori automatici). Sfortunatamente, in passato, la saldatura era spesso necessaria per fissare gli interruttori. La saldatura dell’Al sul campo potrebbe essere stato ciò che ha spinto i progettisti a passare al Cu. Da allora hanno offerto sbarre collettrici con fori o scanalature a coda di rondine che permettono un’installazione più facile e non devono necessariamente essere saldate.
Nonostante si siano rivolti a questi processi, produttori come GE hanno riferito che molti clienti hanno iniziato a richiedere sbarre collettrici in Cu piuttosto che in Al. I produttori producono in base a ciò che i progettisti ordinano, quindi il Cu è stato prodotto in volumi maggiori. Alcuni dei problemi passati di Al, anche se corretti, hanno dato slancio alla produzione di Cu.
Nonostante questa tendenza, il costo e la pianificazione rimangono fattori chiave nella stima dei progetti. L’Al è il terzo materiale più abbondante nella crosta terrestre, mentre il Cu è il 26°. Questo fa sì che i prezzi del Cu fluttuino mentre il costo dell’Al è più stabile. Se un progettista sta pianificando un progetto a lungo termine o futuro, i prezzi del Cu potrebbero essere difficili da prevedere. Se i prezzi del Cu diventano più alti del previsto, può danneggiare o addirittura far fallire un progetto. Questa è una delle ragioni per cui i grandi progetti eolici hanno usato l’Al. Spesso pianificano per lunghi periodi di tempo che hanno bisogno di un prezzo stabile per stime accurate. Inoltre, le turbine eoliche possono essere alte fino a 328 piedi e usano un cavo di grosso calibro per trasmettere l’elettricità a terra. Ridurre il peso di un cavo, come questo filo di trasmissione, potrebbe aiutare a ridurre i supporti e lo stress inutile sui connettori, e renderlo più facile da installare.
Grandi progetti che richiedono enormi quantità di cablaggio potrebbero trovare Al per essere conveniente. Al momento della scrittura, il NASDAQ mostra Cu a $2,14/lb. e Al a $0,73/lb. (3/16). Dato che il costo è un fattore trainante – senza negare quanto detto sopra – se un aumento delle dimensioni non è una preoccupazione e si ha bisogno di una grande quantità, l’Al potrebbe essere una scelta migliore.
Applicazioni
Applicazioni Al
Linee di trasmissione e distribuzione: Il filo di Al più leggero significa meno torri di supporto, portando la maggior parte del mondo ad utilizzare Al per le linee di trasmissione aeree ad alta tensione.
Applicazioni per l’illuminazione: Molte lampadine e altri connettori in passato usavano connettori di ottone. Oggi, molti connettori per l’illuminazione usano Al.
Applicazioni del Cu
Fili per telecomunicazioni: La maggiore duttilità del Cu funziona bene per fornire flessibilità e meno rotture all’industria delle telecomunicazioni.
Motori: Dimensioni e capacità sono fattori importanti nella progettazione dei motori e molti produttori usano il Cu per i loro progetti.
Applicazioni sia in Cu che in Al
Cablaggio di grandi edifici: L’Al è in molti dei cavi per grandi edifici. Offre la stabilità del prezzo durante il lungo tempo necessario per costruirli. Inoltre, se lo spazio non è un problema Al può ridurre il prezzo per i grandi edifici che possono contenere chilometri di fili. Tuttavia, la duttilità e le dimensioni più piccole del Cu funzionano bene per i condotti all’interno degli edifici. Questo è un paio di ragioni per cui entrambi i materiali offrono vantaggi nei grandi edifici.
Dopo i primi anni ’70 la lega di Al è stata modificata per migliorare la qualità delle applicazioni elettriche. Molti pensano ancora che i cablaggi in Al siano cattivi, ma se usati correttamente possono essere più economici e stabili nei costi.
Altre applicazioni in cui sono usati sia Cu che Al includono: Sbarre collettrici, trasformatori, cavi sotterranei a bassa e media tensione.
.