 |
Pobierz ten artykuł w formacie .PDF Ten typ pliku zawiera grafikę i schematy w wysokiej rozdzielczości, gdy ma to zastosowanie. |
Istnieją oczywiście różnice we właściwościach materiałów, takie jak pojemność, waga i koszt pomiędzy aluminium (Al) i miedzią (Cu) do rozważenia w zastosowaniach elektrycznych. Al było bardziej powszechne w przeszłości dla produktów takich jak szyny, bezpieczniki i wyłączniki. Z biegiem czasu, niektórzy projektanci zmienili komponenty z Al na Cu. Obecnie, ze względu na stabilność kosztów i powłok, niektórzy projektanci zmieniają je z powrotem.
Materiały
Mylne wyobrażenia o właściwościach pomiędzy Al i Cu mogą wynikać z różnych gatunków metali używanych w różnych zastosowaniach elektrycznych. Cu stosowany w drutach i urządzeniach elektrycznych jest nominalnie czysty. Czyste Al, jednak często nie jest wystarczająco silny dla zastosowań elektrycznych. Należy również pamiętać, że różne stopy zmieniły się w czasie i ze względu na ewoluujące aplikacje.
Różne właściwości stopu Al również się zmienią, w zależności od przetwarzania. Na przykład, Al 6101 jest silniejszy niż Al 1350. Jednak obróbka cieplna Al 6101 utwardza go i poprawia jego wytrzymałość. Różne gatunki metali, takie jak Al 6101 i Al 1350, będą się różnić w porównaniu z Cu. Podczas procesu projektowania istotne jest zatem posiadanie właściwości materiałowych dla konkretnego zastosowanego materiału.
Właściwości
Waga, pojemność elektryczna i koszt to główne czynniki brane pod uwagę przy wyborze Al lub Cu do zastosowań elektrycznych. Jednak inne czynniki mogą mieć równie duże znaczenie. Na przykład, opór w złączach elektrycznych może wzrosnąć, jeśli wytrzymałość materiału i rozszerzalność nie są brane pod uwagę. Ponieważ połączenie poddawane jest cyklom termicznym, rozszerzalność może zwiększać siłę zacisku, która może deformować punkty kontaktowe i powodować pełzanie materiałów. Będzie to większym problemem w przypadku Al, ponieważ jego współczynnik rozszerzalności cieplnej, w zależności od stopu, jest o około 42% większy niż Cu, ale Al może być w stanie szybciej rozpraszać ciepło.
Korzystając z niższego modułu sprężystości od lat 90-tych, wytłaczane szyny zbiorcze z Al zwiększyły powierzchnię, pomagając utrzymać niskie temperatury. Przy projektowaniu w obu materiałach ważne jest, aby połączenia były wytrzymałe, aby zapobiec słabej łączności w czasie, z powodu odkształceń spowodowanych rozszerzalnością cieplną, jak również pełzaniem.
Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że Al jest miękki i musi używać złączy zaciskowych. Jednakże, przy pewnych zmianach konstrukcyjnych i galwanicznych, mechaniczne złącza ciśnieniowe i złącza kompresyjne nie są już wymagane. W niektórych przypadkach, stopy lub przetwarzanie są używane, aby aluminium prawie na równi z Cu. Al może wymagać powlekania w celu zmniejszenia utleniania w ogóle, ponieważ może to mieć wpływ na połączenie – nawet połączenie Al z Al. Ponadto, powłoki i galwanizacja często zawierają cynę lub srebro. Materiały te zmniejszają korozję zarówno w Al, jak i Cu, ponieważ są podatne na utlenianie, gdy są wystawione na działanie atmosfery.
Korozja jest również problemem, gdy istnieją dwa niepodobne metale w jednym systemie. Al będzie reagować elektrochemicznie z Cu, jeśli zostanie wprowadzona wilgoć (wilgoć, która będzie działać jak elektrolit). Końcówki kablowe Al-Cu to złącza, które zostały zgrzane tarciowo i zabezpieczone kapturkiem, aby zapobiec uszkodzeniu połączenia Al-Cu przez korozję. Prawidłowe połączenie jest ważne, ponieważ zużycie korozyjne jest również problemem. Al i Cu są metalami kompatybilnymi, więc kontakt z nimi może powodować tworzenie się wiązań, które mogą sprzyjać zużyciu. Podczas gdy zużycie korozyjne jest większym problemem dla części, które się poruszają, technik może potrzebować więcej czasu w terenie, jeśli przewody są przyklejone do szyny.
Waga i pojemność elektryczna
Prawdopodobnie, główną właściwością materiału przy podejmowaniu decyzji pomiędzy użyciem Al lub Cu w aplikacji elektrycznej jest jego pojemność. Cu oferuje lepszą pojemność elektryczną na objętość. Jednakże, Al ma lepszą pojemność na wagę. Według Uwe Schenk, globalnego menedżera segmentu w Helukabel, „Jako surowiec, Al jest około 70% lżejszy niż Cu. W przypadku przewodów, Al może być do 60% lżejsze niż porównywalne przewody miedziane przenoszące prąd.”
Waga nie jest bezpośrednią zależnością, ponieważ większa ilość Al jest konieczna, aby dorównać pojemności Cu. Al przenosi około połowy pojemności Cu (56% w Al6101). Różnica w stosunku wagi do pojemności elektrycznej oznacza ogólnie, że jeden funt Al ma przewodność elektryczną równą 1,85 funta Cu. Na przykład, szyna Cu może ważyć około 550 funtów, podczas gdy ta sama szyna w Al będzie około 300 funtów. Zmniejszenie wagi może pomóc w kosztach transportu, a nawet pracy.
Inne rozważania
Ale praca nie jest właściwością materiału, wpływa na koszty. Niektóre projekty mogą być bardziej opłacalne, jeśli waga może być zmniejszona – niezależnie od tego, czy przekłada się to na koszty wysyłki, instalacji, czy inne. Jednakże, lżejszy nie musi być lepszy we wszystkich zastosowaniach. Należy rozważyć zwiększenie średnicy przewodu Al w celu dopasowania go do pojemności Cu. The National Electric Code (NEC) podaje zasady dotyczące tego, w jakim stopniu kabel może wypełnić kawałek przepustu.
Reguł jest więcej, ale ogólnie rzecz biorąc, gdy mamy do czynienia z trzema lub więcej kablami, wypełnienie rury musi wynosić 40% lub mniej. Jednak NEC art. 501 mówi, że jeśli przepust jest w niebezpiecznych miejscach, tylko 25% wypełnienia, lub mniej, jest akceptowane. Oznacza to, że zwiększony rozmiar Al może zwiększyć koszty pracy dla dodatkowego lub większego przepustu, który teraz musi być uruchomiony, aby spełnić wymagania NEC.
Dla ogólnego przykładu, przy przejściu z 14 AWG Cu kabla na Al, wzrost rozmiaru kabla (12 AWG) zmniejszy maksymalną ilość przewodów dozwolonych w ¼ cala przepustu przez trzy (max wypełnienie: Cu = sześć przewodów, Al = trzy przewody przy 40% wypełnieniu). Jeśli w tym zastosowaniu potrzebne są cztery przewody, można zmniejszyć wypełnienie, prowadząc dwa kawałki rurki lub rurkę o większym rozmiarze, co spowoduje zużycie większej ilości energii na zginanie. Każde z tych rozwiązań może zwiększyć nakład pracy.
Były też inne problemy z Al w komponentach elektrycznych. Historycznie, Al był powszechny w rozdzielnicach (bezpieczniki i wyłączniki). Niestety, w przeszłości często konieczne było spawanie, aby zamocować rozdzielnice. Spawanie Al w terenie mogło być tym, co popchnęło projektantów do przejścia na Cu. Od tego czasu oferują oni szyny zbiorcze z otworami lub rowkami w kształcie jaskółczego ogona, które umożliwiają łatwiejszą instalację i nie muszą być spawane.
Mimo uwzględnienia tych procesów, producenci tacy jak GE donoszą, że wielu klientów zaczęło żądać szyn zbiorczych z Cu zamiast z Al. Producenci będą produkować na podstawie zamówień projektantów, więc szyny Cu były produkowane w większych ilościach. Niektóre z wcześniejszych problemów związanych z Al, choć zostały skorygowane, nadały produkcji Cu rozmachu.
Mimo tego trendu, koszty i planowanie pozostają kluczowymi czynnikami przy szacowaniu projektów. Al jest trzecim najbardziej obfitym materiałem w skorupie ziemskiej, podczas gdy Cu jest 26. To powoduje, że ceny Cu ulegają wahaniom, podczas gdy koszt Al jest bardziej stabilny. Jeśli projektant planuje długoterminowy lub przyszły projekt, ceny Cu mogą być trudne do przewidzenia. Jeśli ceny Cu będą wyższe niż przewidywane, może to zaszkodzić projektowi, a nawet doprowadzić do jego bankructwa. Jest to jeden z powodów, dla których w dużych projektach wiatrowych stosuje się Al. Często są one planowane w długich okresach czasu, które wymagają stabilnej ceny dla dokładnych szacunków. Ponadto, turbiny wiatrowe mogą mieć wysokość do 328 stóp i wykorzystują przewód o dużym przekroju do przesyłania energii elektrycznej do ziemi. Zmniejszenie wagi kabla, takiego jak ten przewód transmisyjny, może pomóc zmniejszyć podpory i niepotrzebny stres na złączach, i uczynić go łatwiejszym do zainstalowania.
Duże projekty wymagające ogromnych ilości okablowania mogą znaleźć Al, aby być opłacalne. Od tego pisania, NASDAQ pokazuje Cu na $ 2.14/lb. i Al na $ 0.73/lb. (3/16). Ponieważ koszt jest takim czynnikiem napędowym – nie negując wyżej wymienionych – jeśli zwiększony rozmiar nie jest problemem i potrzebujesz dużej ilości, Al może być lepszym wyborem.
Aplikacje
Aplikacje Al
Linie przesyłowe i dystrybucyjne: Lżejszy drut Al oznacza mniejszą liczbę wież nośnych, co prowadzi do tego, że większość świata używa Al do napowietrznych linii przesyłowych wysokiego napięcia.
Zastosowania oświetleniowe: Wiele żarówek i innych złączy w przeszłości wykorzystywało złącza mosiężne. Obecnie wiele złączy oświetleniowych wykorzystuje Al.
Zastosowania Cu
Przewody telekomunikacyjne: Wyższa plastyczność Cu sprawdza się w zapewnieniu elastyczności i mniejszego łamania w przemyśle telekomunikacyjnym.
Silniki: Rozmiar i pojemność są ważnymi czynnikami przy projektowaniu silników i wielu producentów stosuje Cu w swoich projektach.
Zarówno Cu, jak i Al Zastosowania
Okablowanie w dużych budynkach: Al jest w wielu przewodów dla dużych budynków. Oferuje on stabilność cen w długim czasie, który jest potrzebny do ich budowy. Ponadto, jeśli przestrzeń nie jest problemem, Al może obniżyć cenę za duży budynek, który może zawierać kilometry przewodów. Jednakże, plastyczność Cu i mniejszy rozmiar dobrze sprawdzają się w przypadku przewodów wewnątrz budynków. Jest to kilka powodów, dla których oba materiały oferują korzyści w dużych budynkach.
Po wczesnych latach 70-tych stop Al został zmieniony w celu poprawy jakości dla zastosowań elektrycznych. Wielu nadal uważa, że okablowanie Al jest złe, ale jeśli jest używane prawidłowo, może być tańsze i stabilne kosztowo.
Inne zastosowania Cu i Al obejmują: Szyny zbiorcze, transformatory, kable podziemne niskiego i średniego napięcia.
.