 |
Descărcați acest articol în format .PDF Acest tip de fișier include grafice și scheme de înaltă rezoluție, atunci când este cazul. |
Există în mod evident diferențe de proprietăți ale materialelor, cum ar fi capacitatea, greutatea și costul între aluminiu (Al) și cupru (Cu) care trebuie luate în considerare pentru o aplicație electrică. Al era mai răspândit în trecut pentru produse cum ar fi barele colectoare, siguranțele și întrerupătoarele. De-a lungul timpului, unii proiectanți au schimbat componentele din Al în Cu. Astăzi, din cauza stabilității costurilor și a acoperirii, unii proiectanți trec înapoi.
Materiale
Inconștiențele greșite cu privire la proprietățile dintre Al și Cu pot apărea din cauza diferitelor calități ale metalelor utilizate în diferite aplicații electrice. Cu-ul utilizat în fire și echipamente electrice este nominal pur. Cu toate acestea, Al pur nu este adesea suficient de rezistent pentru aplicațiile electrice. De asemenea, rețineți că diferitele aliaje s-au modificat de-a lungul timpului și din cauza evoluției aplicațiilor.
Diferitele proprietăți ale aliajelor de Al se vor modifica, de asemenea, în funcție de prelucrare. De exemplu, Al 6101 este mai rezistent decât Al 1350. Cu toate acestea, tratarea termică a Al 6101 îl întărește și îi îmbunătățește rezistența. Diferitele calități ale metalelor, cum ar fi Al 6101 și Al 1350, vor varia în comparațiile cu Cu. În timpul procesului de proiectare, este, prin urmare, esențial să se dispună de proprietățile materialului pentru materialul specific utilizat.
Proprietăți
Greutatea, capacitatea electrică și costul sunt considerente majore atunci când se selectează Al sau Cu pentru o aplicație electrică. Cu toate acestea, altele pot să se profileze la fel de mari. De exemplu, rezistența în conectorii electrici poate crește dacă nu se iau în considerare rezistența și dilatarea unui material. Pe măsură ce o conexiune este supusă unor cicluri termice, expansiunea poate crește forța de strângere care poate deforma punctele de contact și poate favoriza fluajul în materiale. Aceasta va fi o preocupare mai mare în cazul Al, deoarece coeficientul său de dilatare termică, în funcție de aliaj, este cu aproximativ 42% mai mare decât Cu, dar Al poate fi capabil să disipeze căldura mai repede.
Aprovizionându-se de modulul de elasticitate mai mic din anii 1990, barele colectoare extrudate din Al au crescut suprafața, ajutând la menținerea temperaturilor scăzute. Este important, atunci când se proiectează în oricare dintre cele două materiale, ca conexiunile să fie robuste pentru a preveni o conectivitate slabă în timp, din cauza deformării din cauza dilatării termice, precum și a fluajului.
O concepție greșită frecventă este aceea că Al este moale și trebuie să se folosească conectori de compresie. Cu toate acestea, cu unele modificări de proiectare și placare, conectorii de presiune mecanică și conectorii de compresie nu mai sunt necesari. În unele cazuri, se folosesc aliaje sau prelucrări pentru ca aluminiul să fie aproape la egalitate cu Cu. Al poate necesita un strat de acoperire pentru a reduce oxidarea în general, deoarece aceasta poate afecta conexiunea – chiar și o conexiune Al la Al. În plus, acoperirea și placarea includ adesea staniu sau argint. Aceste materiale reduc coroziunea atât la Al, cât și la Cu, deoarece acestea sunt predispuse la oxidare atunci când sunt expuse la atmosferă.
Coroziunea este, de asemenea, o problemă atunci când există două metale diferite într-un sistem. Al va reacționa electrochimic cu Cu dacă se introduce umiditate (umiditate care ar acționa ca un electrolit). Capsele de cablu Al-Cu sunt conectori care au fost sudate prin frecare și capsulate pentru a împiedica coroziunea să deterioreze o conexiune Al-Cu. Conexiunile corespunzătoare sunt importante, deoarece uzura corozivă este, de asemenea, o preocupare. Al și Cu sunt metale compatibile, astfel încât contactul poate crea o lipire care poate favoriza uzura. În timp ce uzura corozivă este mai mult o problemă pentru piesele care se mișcă, un tehnician poate fi nevoit să petreacă mai mult timp pe teren dacă firele sunt lipite de bara colectoare.
Greutate și capacitate electrică
Cert este că principala proprietate a materialului pentru a decide între utilizarea Al sau Cu într-o aplicație electrică este capacitatea acestuia. Cu oferă o capacitate electrică mai bună pe volum. Cu toate acestea, Al are o capacitate mai bună pe greutate. Potrivit lui Uwe Schenk, manager de segment global la Helukabel, „Ca materie primă, Al este cu aproximativ 70% mai ușor decât Cu. Pentru fire, Al poate fi cu până la 60% mai ușor decât firele de cupru care transportă un curent comparabil.”
Greutatea nu este o relație directă, deoarece este necesar mai mult Al pentru a egala capacitatea Cu. Al transportă aproximativ jumătate din capacitatea Cu (56% în Al6101). Diferența în raportul dintre greutate și capacitate electrică înseamnă că, în general, o livră de Al are o conductivitate electrică egală cu 1,85 lb de Cu. De exemplu, o bară colectoare din Cu ar putea cântări în jur de 550 lb, în timp ce aceeași bară colectoare din Al ar fi de aproximativ 300 lb. Reducerea greutății poate ajuta la costurile de transport sau chiar la costul forței de muncă.
Alte considerații
Deși forța de muncă nu este o proprietate materială, ea afectează costul. Unele proiecte pot fi mai eficiente din punct de vedere al costurilor dacă greutatea poate fi redusă – indiferent dacă acest lucru se traduce în costuri de transport, instalare sau alte costuri. Cu toate acestea, este posibil ca o greutate mai mică să nu fie mai bună în toate aplicațiile. Luați în considerare diametrul adăugat într-un fir de Al pentru a se potrivi cu capacitatea de Cu. Codul național de electricitate (NEC) oferă reguli pentru cât de mult poate umple un cablu o bucată de conductă.
Există mai multe reguli decât aceasta, dar, în general, atunci când este vorba de trei sau mai multe cabluri, umplerea conductei trebuie să fie de 40% sau mai puțin. Cu toate acestea, articolul 501 din NEC spune că, dacă conducta se află în locații periculoase, este acceptată doar o umplere de 25% sau mai puțin. Acest lucru înseamnă că dimensiunea crescută a Al ar putea crește costul forței de muncă pentru conducta suplimentară sau mai mare care trebuie acum să fie executată pentru a satisface NEC.
Pentru un exemplu general, dacă se trece de la cablu Cu 14 AWG la Al, creșterea dimensiunii cablului (12 AWG) va reduce cu trei fire numărul maxim de fire permise în conducta de ¼ inch (umplere maximă: Cu = șase fire, Al = trei fire la 40% umplere). Dacă această aplicație are nevoie de patru cabluri, puteți reduce gradul de umplere prin trecerea a două bucăți de conductă sau o dimensiune mai mare – care va folosi mai multă energie pentru îndoire. Oricare dintre aceste soluții ar putea crește manopera.
Au existat și alte probleme cu Al în componentele electrice. Din punct de vedere istoric, Al a fost predominant în comutatoare (siguranțe și întrerupătoare de circuit). Din nefericire, în trecut, era adesea necesară sudarea pentru a fixa comutatoarele. Este posibil ca sudarea Al pe teren să fi fost ceea ce a împins proiectanții să treacă la Cu. De atunci, aceștia au oferit bare colectoare cu găuri sau caneluri în formă de coadă de rândunică care permit o instalare mai ușoară și nu trebuie neapărat să fie sudate.
În ciuda abordării acestor procese, producători precum GE au raportat că mulți clienți au început să solicite bare colectoare din Cu în locul celor din Al. Producătorii vor produce în funcție de ceea ce comandă proiectanții, astfel încât Cu a fost produs într-un volum mai mare. Unele dintre problemele anterioare ale Al, deși au fost corectate, au dat un impuls producției de Cu.
În ciuda acestei tendințe, costul și planificarea rămân factori cheie în estimarea proiectelor. Al este al treilea cel mai abundent material din scoarța terestră, în timp ce Cu este al 26-lea. Acest lucru face ca prețurile Cu să fluctueze, în timp ce costul Al este mai stabil. În cazul în care un proiectant planifică un proiect pe termen lung sau viitor, prețurile Cu ar putea fi greu de prevăzut. În cazul în care prețul Cu devine mai mare decât se preconizează, poate afecta sau chiar falimenta un proiect. Acesta este unul dintre motivele pentru care marile proiecte eoliene au folosit Al. Adesea, acestea planifică pe perioade lungi de timp și au nevoie de un preț stabil pentru estimări precise. În plus, turbinele eoliene pot avea o înălțime de până la 328 de metri și folosesc un cablu de calibru mare pentru a transmite electricitatea la sol. Reducerea greutății unui cablu, cum ar fi acest fir de transmisie, ar putea ajuta la reducerea suporturilor și a stresului inutil asupra conectorilor, precum și la o instalare mai ușoară.
Proiectele mari care necesită cantități masive de cabluri ar putea găsi Al ca fiind rentabil. În momentul scrierii acestui articol, NASDAQ arată Cu la 2,14 dolari/lb. și Al la 0,73 dolari/lb. (3/16). Deoarece costul este un factor atât de determinant – fără a nega cele menționate mai sus – dacă o dimensiune crescută nu este o preocupare și aveți nevoie de o cantitate mare, Al ar putea fi o alegere mai bună.
Aplicații
Aplicații ale Al
Aplicații ale Al
Liniile de transmisie și distribuție: Firul de Al mai ușor înseamnă mai puține turnuri de susținere, ceea ce face ca în cea mai mare parte a lumii să se folosească Al pentru liniile aeriene de transmisie de înaltă tensiune.
Aplicații pentru iluminat: În trecut, multe becuri și alți conectori foloseau conectori din alamă. Astăzi, mulți conectori pentru iluminat folosesc Al.
Aplicații ale Cu
Cabluri de telecomunicații: Ductilitatea mai mare a Cu funcționează bine pentru a oferi flexibilitate și mai puține rupturi în industria telecomunicațiilor.
Motori: Mărimea și capacitatea sunt factori importanți în proiectarea motoarelor și au făcut ca mulți producători să folosească Cu pentru proiectele lor.
Aplicații atât pentru Cu cât și pentru Al
Cabluri pentru clădiri mari: Al se regăsește în multe dintre cablurile pentru clădiri mari. Oferă stabilitatea prețului pe durata lungă de timp necesară pentru a le construi. În plus, dacă spațiul nu este o problemă, Al poate reduce prețul pentru clădirile mari care pot conține kilometri de cabluri. Cu toate acestea, ductilitatea Cu și dimensiunile mai mici funcționează bine pentru conductele din interiorul clădirilor. Acestea sunt câteva motive pentru care ambele materiale oferă avantaje în clădirile mari.
După începutul anilor 1970, aliajul Al a fost modificat pentru a îmbunătăți calitatea pentru aplicațiile electrice. Mulți încă mai cred că instalația electrică din Al este rea, dar dacă este folosită în mod corespunzător poate fi o soluție mai ieftină și stabilă din punct de vedere al costurilor.
Alte aplicații în care sunt folosite atât Cu cât și Al includ: Barele colectoare, transformatoare, cabluri subterane de joasă și medie tensiune.
.