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Existem obviamente diferenças de propriedade dos materiais, tais como, capacidade, peso e custo entre o alumínio (Al) e o cobre (Cu) a considerar para uma aplicação elétrica. Al era mais prevalente no passado para produtos como barras de ônibus, fusíveis e disjuntores. Ao longo do tempo, alguns designers mudaram os componentes de Al para Cu. Hoje, devido à estabilidade de custos e revestimento, alguns projetistas estão mudando de volta.
Materiais
Misconceitos sobre as propriedades entre Al e Cu podem surgir devido a diferentes graus de metais usados em diferentes aplicações elétricas. O Cu usado em fios e equipamentos eléctricos é nominalmente puro. Puro Al, entretanto, muitas vezes não é forte o suficiente para aplicações elétricas. Tenha também em mente que diferentes ligas mudaram ao longo do tempo e devido à evolução das aplicações.
Diferentes propriedades da liga Al também irão mudar, dependendo do processamento. Por exemplo, o Al 6101 é mais forte que o Al 1350. No entanto, o Al 6101 endurece e melhora a sua resistência. Diferentes graus de metais, como o Al 6101 e o Al 1350, variam em comparações com o Cu. Durante o processo de design, é portanto essencial ter as propriedades do material para o material específico utilizado.
Propriedades
Peso, capacidade elétrica e custo são considerações importantes ao selecionar Al ou Cu para uma aplicação elétrica. Ainda outros podem surgir do mesmo tamanho. Por exemplo, a resistência em conectores elétricos pode aumentar se a resistência e a expansão de um material não forem consideradas. Como uma conexão passa por ciclos térmicos, a expansão pode aumentar a força de fixação que pode deformar os pontos de contato e promover a fluência nos materiais. Esta será uma preocupação maior com Al porque seu coeficiente de expansão térmica, dependendo da liga, é cerca de 42% maior do que Cu, mas Al pode ser capaz de dissipar o calor mais rapidamente.
Vantagem do menor módulo de elasticidade desde os anos 90, as barras extrudadas Al-Bus aumentam a área de superfície, ajudando a manter as temperaturas baixas. É importante ao projetar em qualquer um dos materiais que as conexões sejam robustas para evitar má conectividade ao longo do tempo, devido à deformação da expansão térmica, bem como a fluência.
Um equívoco comum é que Al é macio e deve usar conectores de compressão. Entretanto, com algumas mudanças de design e revestimento, os conectores mecânicos de pressão e os conectores de compressão não são mais necessários. Em alguns casos, ligas ou processamento são usados para fazer alumínio quase ao mesmo nível do Cu. Al pode exigir revestimento para reduzir a oxidação em geral, pois isso pode afetar a conexão – mesmo uma conexão Al a Al. Além disso, o revestimento e o chapeamento incluem frequentemente estanho ou prata. Estes materiais reduzem a corrosão tanto em Al quanto em Cu, pois são propensos à oxidação quando expostos à atmosfera.
Corrosão também é um problema quando há dois metais diferentes em um sistema. Al reagirá eletroquimicamente com o Cu se a umidade for introduzida (umidade que atuaria como um eletrólito). Os cabos Al to Cu são conectores que foram soldados por fricção e capsulados para evitar que a corrosão danifique uma conexão Al-to-Cu. Conexões adequadas são importantes, pois o desgaste corrosivo também é uma preocupação. Al e Cu são metais compatíveis, portanto o contato pode criar uma ligação que pode promover o desgaste. Embora o desgaste corrosivo seja mais um problema para as peças que se movem, um técnico pode precisar de mais tempo no campo se os fios estiverem presos à barra do barramento.
Peso e capacidade elétrica
Arguivelmente, a principal propriedade material na decisão entre usar Al ou Cu em uma aplicação elétrica é a sua capacidade. Cu oferece uma melhor capacidade elétrica por volume. No entanto, Al tem uma melhor capacidade por peso. De acordo com Uwe Schenk, gerente do segmento global da Helukabel, “Como matéria-prima, Al é aproximadamente 70% mais leve que Cu. Para os fios, Al pode ser até 60% mais leve que os fios de cobre que transportam corrente comparável”
O peso não é uma relação direta, pois mais Al é necessário para corresponder à capacidade de Cu. Al transporta cerca de metade da capacidade de Cu (56% em Al6101). A diferença na relação peso/capacidade elétrica significa que, geralmente, uma libra de Al tem a condutividade elétrica igual a 1,85 lb. de Cu. Por exemplo, um barramento Cu poderia pesar cerca de 550 lb., enquanto que o mesmo barramento em Al seria cerca de 300 lb. A redução do peso pode ajudar no transporte ou mesmo no custo de mão-de-obra.
Outras Considerações
Mão-de-obra não é uma propriedade material, mas afeta o custo. Alguns projetos podem ser mais econômicos se o peso for capaz de ser reduzido – quer isso se traduza em transporte, instalação ou outros custos. Entretanto, mais leve pode não ser melhor em todas as aplicações. Considere o diâmetro adicionado em um fio Al para corresponder à capacidade do Cu. O National Electric Code (NEC) dá regras para o quanto um cabo pode encher um pedaço de conduto.
Existem mais regras do que estas mas, geralmente, quando se lida com três ou mais cabos, o enchimento do tubo tem que ser de 40% ou menos. Entretanto, o artigo 501 da NEC diz que se o conduto estiver em locais perigosos, apenas 25% de enchimento, ou menos, é aceito. Isto significa que o tamanho aumentado de Al pode aumentar o custo de mão-de-obra para o conduíte extra ou maior que agora precisa ser executado para satisfazer o NEC.
Para um exemplo geral, se mudar de cabo de 14 AWG Cu para Al, o aumento do tamanho do cabo (12 AWG) reduzirá a quantidade máxima de fios permitida no conduíte ¼ polegadas em três (enchimento máximo: Cu = seis fios, Al = três fios a 40% de enchimento). Se esta aplicação precisar de quatro cabos, você pode reduzir o enchimento, rodando duas peças de conduíte ou um tamanho maior – o que usará mais energia para dobrar. Qualquer uma destas soluções pode aumentar a mão-de-obra.
Existiram outros problemas com Al em componentes elétricos. Historicamente, Al era predominante em interruptores (fusíveis e disjuntores). Infelizmente, no passado, a soldagem era frequentemente necessária para fixar os comutadores. A soldagem de Al no campo pode ter sido o que impulsionou os projetistas a mudar para Cu. Desde este tempo eles têm oferecido barras de barramento com furos ou encaixes como ranhuras que permitem uma instalação mais fácil e não necessariamente precisam ser soldadas.
Embora abordem estes processos, fabricantes como a GE relataram que muitos clientes começaram a solicitar barras de barramento Cu sobre Al. Os fabricantes irão produzir com base no que os designers encomendarem, por isso o Cu foi produzido em maior volume. Alguns dos problemas do passado de Al, enquanto corrigidos, deram ao Cu um impulso de fabricação.
Apesar desta tendência, o custo e o planeamento continuam a ser factores chave na estimativa de projectos. Al é o terceiro material mais abundante na crosta terrestre, enquanto Cu é o 26º. Isto tem os preços de Cu flutuando enquanto o custo de Al é mais estável. Se um projetista está planejando um projeto de longo prazo ou futuro, os preços do Cu podem ser difíceis de prever. Se os preços do Cu se tornarem mais altos do que o projectado, pode prejudicar ou mesmo falir um projecto. Esta é uma das razões pelas quais grandes projetos eólicos têm usado Al. Muitas vezes eles planejam por longos períodos de tempo que precisam de um preço estável para estimativas precisas. Além disso, as turbinas eólicas podem ter até 328 pés de altura e usar um fio pesado para transmitir eletricidade para o solo. A redução do peso de um cabo, como este fio de transmissão, pode ajudar a reduzir os suportes e o stress desnecessário nos conectores, e facilitar a instalação.
Projetos grandes que requerem grandes quantidades de fiação podem achar Al para ser rentável. A partir desta escrita, o NASDAQ mostra Cu a $2.14/lb. e Al a $0.73/lb. (3/16). Como o custo é um fator tão importante – não negando o acima mencionado – se um aumento de tamanho não for uma preocupação e você precisar de uma grande quantidade dele, Al pode ser uma escolha melhor.
Aplicações
Aplicações Al
Linhas de transmissão e distribuição: O fio mais leve Al significa menos torres de suporte, levando à maior parte do mundo a usar Al para linhas aéreas de transmissão de alta tensão.
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Aplicações de iluminação: Muitas lâmpadas e outros conectores no passado usavam conectores de latão. Hoje, muitos conectores de iluminação usam Al.
Cu Aplicações
Fios de telecomunicação: A maior ductilidade do Cu funciona bem para proporcionar flexibilidade e menos quebra para a indústria de telecomunicações.
Motores: Tamanho e capacidade são fatores importantes no projeto de motores e têm muitos fabricantes usando Cu para seus projetos.
Both Cu e Al Aplicações
Cablagem de edifícios grandes: Al está em muitos dos fios para grandes edifícios. Ele oferece a estabilidade de preços durante o longo tempo que leva para construí-los. Além disso, se o espaço não for um problema, Al pode reduzir o preço para grandes edifícios que podem conter quilômetros de fios. No entanto, a ductilidade da Cu e o tamanho menor funcionam bem para o conduíte dentro dos edifícios. Isto é um par de razões que ambos os materiais oferecem vantagens em grandes edifícios.
Após o início dos anos 70, a liga Al foi alterada para melhorar a qualidade para aplicações elétricas. Muitos ainda pensam que a fiação de Al é ruim, mas se usada adequadamente pode ser mais barata e de custo estável.
Outras aplicações tanto Cu como Al são usadas em incluem: Barramento, transformadores, cabos subterrâneos de baixa e média tensão.