 |
Download dit artikel in .PDF-formaat Dit bestandstype bevat hoge-resolutie afbeeldingen en schema’s indien van toepassing. |
Er zijn duidelijk verschillen in materiaaleigenschappen, zoals capaciteit, gewicht en kosten tussen aluminium (Al) en koper (Cu) om te overwegen voor een elektrische toepassing. Al was meer overwegend in het verleden voor producten zoals busbars, zekeringen, en brekers. In de loop der tijd hebben sommige ontwerpers componenten van Al in Cu veranderd. Vandaag, wegens kostenstabiliteit en deklaag schakelen sommige ontwerpers terug.
Materials
Misconcepties over de eigenschappen tussen Al en Cu kunnen ontstaan wegens verschillende rangen van metalen die in verschillende elektrische toepassingen worden gebruikt. Het Cu dat in draad en elektrisch materiaal wordt gebruikt is nominaal zuiver. Zuiver Al is echter vaak niet sterk genoeg voor elektrische toepassingen. Bedenk ook dat verschillende legeringen in de loop der tijd zijn veranderd en als gevolg van evoluerende toepassingen.
Verschillende eigenschappen van Al legeringen zullen ook veranderen, afhankelijk van de verwerking. Bijvoorbeeld, Al 6101 is sterker dan Al 1350. Toch verhardt Al6101 door een warmtebehandeling en wordt het sterker. Verschillende metaalsoorten, zoals Al 6101 en Al 1350, zullen verschillen in vergelijkingen met Cu. Tijdens het ontwerpproces, is het daarom essentieel om de materiaaleigenschappen voor het specifieke gebruikte materiaal te hebben.
Properties
Gewicht, elektrische capaciteit, en kosten zijn belangrijke overwegingen wanneer het selecteren van Al of Cu voor een elektrotoepassing. Maar anderen kunnen net zo groot opdoemen. Bijvoorbeeld, kan de weerstand in elektroschakelaars stijgen als de sterkte en de uitbreiding van een materiaal niet worden overwogen. Als een verbinding thermische cycli ondergaat, kan de uitzetting de klemkracht verhogen waardoor contactpunten kunnen vervormen en kruip in materialen kan ontstaan. Dit zal een grotere zorg zijn met Al omdat de thermische uitzettingscoëfficiënt, afhankelijk van de legering, ongeveer 42% groter is dan Cu, maar Al kan de warmte sneller afvoeren.
Ter benutting van de lagere elasticiteitsmodulus sinds de jaren negentig hebben geëxtrudeerde Al-busstaven het oppervlak vergroot, waardoor de temperaturen laag kunnen worden gehouden. Bij het ontwerpen in beide materialen is het van belang dat de verbindingen robuust zijn om te voorkomen dat de verbinding na verloop van tijd slecht wordt door vervorming als gevolg van thermische uitzetting en kruip.
Een veel voorkomende misvatting is dat Al zacht is en dat compressieverbindingen moeten worden gebruikt. Echter, met sommige ontwerp en plating veranderingen, mechanische druk connectoren en compressie connectoren zijn niet langer nodig. In sommige gevallen, worden de legeringen of de verwerking gebruikt om aluminium bijna op pari met Cu te maken. Al kan een coating nodig hebben om oxidatie in het algemeen te verminderen, omdat dit de verbinding kan beïnvloeden – zelfs een Al naar Al verbinding. Bovendien wordt bij coating en plating vaak tin of zilver gebruikt. Deze materialen verminderen de corrosie in zowel Al als Cu, omdat zij gevoelig zijn voor oxidatie wanneer zij aan de atmosfeer worden blootgesteld.
Corrosie is ook een probleem wanneer er twee ongelijke metalen in één systeem zijn. Het Al zal elektrochemisch reageren met het Cu als er vocht wordt ingebracht (vocht dat als elektrolyt zou werken). Kabelschoenen van Al naar Cu zijn connectoren die zijn gelast en afgedicht om te voorkomen dat corrosie een Al-naar-Cu verbinding beschadigt. Goede verbindingen zijn belangrijk, omdat corrosieslijtage ook een probleem is. Al en Cu zijn compatibele metalen, dus contact kan een binding tot stand brengen die slijtage kan bevorderen. Terwijl corrosieve slijtage meer een probleem is voor onderdelen die bewegen, kan een technicus meer tijd in het veld moeten nemen als draden aan de busbar vastzitten.
Gewicht en elektrische capaciteit
Ongetwijfeld is de belangrijkste materiaaleigenschap bij het beslissen tussen het gebruik van Al of Cu in een elektrische toepassing zijn capaciteit. Cu biedt een betere elektrocapaciteit per volume aan. Al heeft echter een betere capaciteit per gewicht. Volgens Uwe Schenk, global segment manager bij Helukabel, “is Al als grondstof ongeveer 70% lichter dan Cu. Voor draden kan Al tot 60% lichter zijn dan vergelijkbare stroomvoerende koperdraden.”
Het gewicht is geen directe relatie, omdat er meer Al nodig is om de capaciteit van Cu te evenaren. Al heeft ongeveer de helft van de capaciteit van Cu (56% in Al6101). Het verschil in de gewicht aan elektrische capaciteitsverhouding betekent over het algemeen, één pond van Al heeft het elektrogeleidingsvermogen gelijk aan 1.85 pond van Cu. Bijvoorbeeld, zou een Cu-rail rond 550 pond kunnen wegen, terwijl zelfde rail in Al ongeveer 300 pond zou zijn. Het verminderen van gewicht kan verschepen of zelfs arbeid cost.
Other Considerations
Hoewel arbeid geen materiële eigenschap is, beïnvloedt het kosten. Sommige projecten kunnen rendabeler zijn als het gewicht kan worden verminderd – of dit zich in het verschepen, installatie, of andere kosten vertaalt. Lichter is echter niet in alle toepassingen beter. Denk aan de extra diameter in een Al-draad om de capaciteit van Cu te evenaren. De National Electric Code (NEC) geeft regels voor hoeveel een kabel een stuk leiding mag vullen.
Er zijn meer regels dan dit, maar in het algemeen geldt dat wanneer er sprake is van drie of meer kabels, de leidingvulling 40% of minder moet zijn. In NEC-artikel 501 staat echter dat als de buis zich op gevaarlijke locaties bevindt, slechts 25% vulling of minder wordt geaccepteerd. Dit betekent dat de grotere afmetingen van Al kunnen leiden tot hogere arbeidskosten voor de extra of grotere leidingen die nu moeten worden gelegd om aan het NEC te voldoen.
Een algemeen voorbeeld: als van 14 AWG Cu-kabel wordt overgestapt op Al, zal de grotere kabelmaat (12 AWG) het maximaal toegestane aantal draden in ¼ inch-buis met drie verminderen (max. vulling: Cu = zes draden, Al = drie draden bij 40% vulling). Als voor deze toepassing vier kabels nodig zijn, kunt u de vulling verminderen door twee stukken kabelbuis te gebruiken of een grotere maat, wat meer energie zal kosten om te buigen. Elk van deze oplossingen kan tot meer werk leiden.
Er zijn nog andere problemen geweest met Al in elektrische componenten. Historisch gezien kwam Al veel voor in schakelapparatuur (zekeringen en stroomonderbrekers). Helaas moest er in het verleden vaak worden gelast om schakelkasten te bevestigen. Het lassen van Al in het veld heeft de ontwerpers er wellicht toe aangezet over te schakelen op Cu. Sindsdien hebben zij busbars aangeboden met gaten of zwaluwstaartachtige groeven die een gemakkelijkere installatie mogelijk maken en niet noodzakelijkerwijs hoeven te worden gelast.
Ondanks de aanpak van deze processen, meldden fabrikanten zoals GE dat veel klanten begonnen te vragen om Cu-busbars boven Al. Fabrikanten produceren op basis van wat ontwerpers bestellen, dus werd Cu in grotere hoeveelheden geproduceerd. Sommige van de problemen die Al in het verleden heeft gekend, zijn weliswaar verholpen, maar hebben de productie van Cu een impuls gegeven.
Ondanks deze trend blijven kosten en planning sleutelfactoren bij de raming van projecten. Al is het op twee na meest overvloedige materiaal in de aardkorst, terwijl Cu het 26e is. Hierdoor fluctueren de Cu-prijzen, terwijl de kosten van Al stabieler zijn. Als een ontwerper een langetermijn- of toekomstig project plant, kunnen de Cu-prijzen moeilijk te voorspellen zijn. Als de Cu-prijzen hoger worden dan geraamd, kan dit een project schaden of zelfs failliet doen gaan. Dit is een van de redenen waarom grote windprojecten gebruik maken van Al. Vaak plannen zij over een lange periode die een stabiele prijs nodig heeft voor nauwkeurige ramingen. Bovendien kunnen windturbines tot 328 ft hoog zijn en maken ze gebruik van een zware kabel om de elektriciteit naar de grond te transporteren. Vermindering van het gewicht van een kabel, zoals deze transmissiedraad, zou kunnen helpen bij het verminderen van steunen en onnodige stress op connectoren, en maakt het gemakkelijker te installeren.
Grote projecten die enorme hoeveelheden bedrading vereisen, zouden Al als kosteneffectief kunnen beschouwen. Op dit moment noteert de NASDAQ Cu op $2.14/lb. en Al op $0.73/lb. (3/16). Aangezien de kosten zulk een drijvende factor zijn-niet ontkennend voornoemd-als een verhoogde grootte geen zorg is en u een grote hoeveelheid nodig hebt, zou Al een betere choice.
Applications
Al toepassingen
Transmissie en distributielijnen: De lichtere Al-draad betekent minder steunmasten, wat ertoe leidt dat het grootste deel van de wereld Al gebruikt voor bovengrondse hoogspanningstransmissielijnen.
Verlichtingstoepassingen: Veel lampen en andere connectoren in het verleden gebruikten messing connectoren. Tegenwoordig wordt voor veel verlichtingsconnectoren Al gebruikt.
Cu-toepassingen
Telecommunicatiedraden: De hogere rekbaarheid van Cu werkt goed om flexibiliteit en minder het breken aan de telecommunicatie-industrie te verstrekken.
Motoren: Grootte en capaciteit zijn belangrijke factoren bij het ontwerpen van motoren en veel fabrikanten gebruiken Cu voor hun ontwerpen.
Zowel Cu- als Al-toepassingen
Bekabeling voor grote gebouwen: Al is in veel van de draden voor grote gebouwen. Het biedt de prijsstabiliteit gedurende de lange tijd die nodig is om ze te bouwen. Bovendien, als ruimte geen probleem is kan Al de prijs drukken voor grote gebouwen die kilometers draden kunnen bevatten. De buigzaamheid en de kleinere afmetingen van Cu werken echter goed voor leidingen binnen de gebouwen. Dit is een paar redenen waarom beide materialen voordelen bieden in grote gebouwen.
Na het begin van de jaren 1970 werd de Al-legering gewijzigd om de kwaliteit voor elektrische toepassingen te verbeteren. Velen denken nog steeds dat Al bedrading slecht is, maar bij goed gebruik kan het een goedkopere en kosten stabiele.
Andere toepassingen zowel Cu en Al worden gebruikt in omvatten: Busbars, transformatoren, ondergrondse kabels voor laag- en middenspanning.