 |
Ladda ner den här artikeln i .PDF-format Den här filtypen innehåller högupplöst grafik och scheman i förekommande fall. |
Det finns uppenbarligen skillnader i materialegenskaperna, t.ex. kapacitet, vikt och kostnad, mellan aluminium (Al) och koppar (Cu) som man bör ta hänsyn till i en elektrisk tillämpning. Al var tidigare vanligare för produkter som samlingsskenor, säkringar och brytare. Med tiden har vissa konstruktörer bytt komponenter från aluminium till koppar. På grund av kostnadsstabilitet och beläggning byter vissa konstruktörer i dag tillbaka till Cu.
Material
Missuppfattningar om egenskaperna mellan Al och Cu kan uppstå på grund av olika kvaliteter av metaller som används i olika elektriska tillämpningar. Den Cu som används i tråd och elektrisk utrustning är nominellt ren. Ren Al är dock ofta inte tillräckligt stark för elektriska tillämpningar. Tänk också på att olika legeringar har förändrats med tiden och på grund av utvecklade tillämpningar.
De olika egenskaperna hos Al-legeringar kommer också att förändras, beroende på bearbetning. Al 6101 är till exempel starkare än Al 1350. Men värmebehandling av Al 6101 härdar den och förbättrar dess hållfasthet. Olika metallkvaliteter, till exempel Al 6101 och Al 1350, kommer att variera vid jämförelser med Cu. Under konstruktionsprocessen är det därför viktigt att ha materialegenskaperna för det specifika material som används.
Egenskaper
Vikt, elektrisk kapacitet och kostnad är viktiga överväganden när man väljer Al eller Cu för en elektrisk applikation. Men andra faktorer kan vara lika viktiga. Till exempel kan motståndet i elektriska kontaktdon öka om man inte tar hänsyn till materialets hållfasthet och expansion. När en anslutning genomgår termiska cykler kan expansionen öka klämkraften som kan deformera kontaktpunkterna och främja krypning i materialen. Detta blir ett större problem med Al eftersom dess värmeutvidgningskoefficient, beroende på legering, är cirka 42 % större än Cu, men Al kan kanske avleda värmen snabbare.
Med utnyttjande av den lägre elasticitetsmodulen sedan 1990-talet har extruderade Al-sammelstänger ökat ytan, vilket bidrar till att hålla temperaturen låg. Det är viktigt när man konstruerar i något av materialen att anslutningarna är robusta för att förhindra dålig konnektivitet över tid, på grund av deformation från termisk expansion samt krypning.
En vanlig missuppfattning är att Al är mjukt och att man måste använda kompressionskopplingar. Med vissa konstruktions- och pläteringsändringar krävs dock inte längre mekaniska tryckkontakter och kompressionskontakter. I vissa fall används legeringar eller bearbetning för att göra aluminium nästan likvärdigt med Cu. Al kan kräva beläggning för att minska oxidation i allmänhet eftersom detta kan påverka anslutningen – även en Al till Al-anslutning. Dessutom innehåller beläggning och plätering ofta tenn eller silver. Dessa material minskar korrosionen i både Al och Cu, eftersom de är benägna att oxidera när de utsätts för atmosfären.
Korrosion är också ett problem när det finns två olikartade metaller i ett system. Al kommer att reagera elektrokemiskt med Cu om fukt tillförs (fukt som skulle fungera som en elektrolyt). Kabelskor för Al till Cu är kopplingar som har friktionssvetsats och kapslats för att förhindra att korrosion skadar en Al-till-Cu-anslutning. Korrekta anslutningar är viktiga, eftersom korrosivt slitage också är ett problem. Al och Cu är kompatibla metaller, så kontakt kan skapa en bindning som kan främja slitage. Medan korrosivt slitage är ett större problem för delar som rör sig, kan en tekniker behöva ta mer tid på fältet om ledningar sitter fast i samlingsskenan.
Vikt och elektrisk kapacitet
Den viktigaste materialegenskapen när det gäller att avgöra om man ska använda Al eller Cu i en elektrisk tillämpning är förmodligen dess kapacitet. Cu erbjuder en bättre elektrisk kapacitet per volym. Al har dock bättre kapacitet per vikt. Enligt Uwe Schenk, global segmentchef på Helukabel, ”är Al som råmaterial cirka 70 % lättare än Cu. För ledningar kan Al vara upp till 60 % lättare än jämförbara strömförande koppartrådar.”
Vikten är inte ett direkt samband, eftersom det krävs mer Al för att matcha kapaciteten hos Cu. Al har ungefär hälften av kapaciteten hos Cu (56 % i Al6101). Skillnaden i förhållandet mellan vikt och elektrisk kapacitet innebär i allmänhet att ett pund Al har en elektrisk ledningsförmåga som motsvarar 1,85 pund Cu. Till exempel kan en Cu-skena väga cirka 550 pund, medan samma skena i Al skulle väga cirka 300 pund. Minskad vikt kan minska frakt- eller till och med arbetskostnaden.
Andra överväganden
Och även om arbetskraften inte är en materialegenskap, påverkar den kostnaden. Vissa projekt kan bli mer kostnadseffektiva om vikten kan minskas – oavsett om det innebär frakt-, installations- eller andra kostnader. Lättare kanske dock inte är bättre i alla tillämpningar. Tänk på den extra diametern i en Al-tråd för att matcha kapaciteten hos Cu. National Electric Code (NEC) ger regler för hur mycket en kabel kan fylla ett rörstycke.
Det finns fler regler än så, men i allmänhet gäller att när det handlar om tre eller fler kablar måste rörfyllningen vara 40 % eller mindre. NEC artikel 501 säger dock att om ledningen är i farliga platser accepteras endast 25 % fyllning eller mindre. Detta innebär att den ökade storleken på Al kan öka arbetskostnaden för det extra eller större rör som nu måste dras för att uppfylla NEC.
För ett allmänt exempel, om man byter från 14 AWG Cu-kabel till Al, kommer den ökade kabelstorleken (12 AWG) att minska det maximala antalet ledningar som tillåts i ¼-tumsröret med tre (max fyllning: Cu = sex ledningar, Al = tre ledningar vid 40 % fyllning). Om den här tillämpningen kräver fyra kablar kan du minska fyllningen genom att använda två rörstycken eller en större storlek – vilket kräver mer energi för att böja. Båda dessa lösningar kan öka arbetskraften.
Det har funnits andra problem med Al i elektriska komponenter. Historiskt sett var Al vanligt förekommande i ställverk (säkringar och brytare). Tyvärr var det tidigare ofta nödvändigt att svetsa för att fästa ställverk. Al-svetsning i fält kan ha varit det som fick konstruktörerna att byta till Cu. Sedan dess har de erbjudit kopplingsskenor med hål eller skvaltliknande spår som möjliggör enklare installation och som inte nödvändigtvis behöver svetsas.
Trots att de tagit itu med dessa processer rapporterade tillverkare som GE att många kunder började efterfråga kopplingsskenor av Cu i stället för Al. Tillverkarna producerar utifrån vad konstruktörerna beställer, så Cu producerades i större volymer. Vissa av Al:s tidigare problem, som visserligen åtgärdades, gav Cu-tillverkningen fart.
Trots denna trend förblir kostnader och planering nyckelfaktorer vid uppskattning av projekt. Al är det tredje vanligaste materialet i jordskorpan, medan Cu är det 26:e. Detta gör att Cu-priserna fluktuerar medan kostnaden för Al är mer stabil. Om en konstruktör planerar ett långsiktigt eller framtida projekt kan Cu-priserna vara svåra att förutsäga. Om Cu-priserna blir högre än beräknat kan det skada eller till och med leda till att projektet går i konkurs. Detta är ett av skälen till att stora vindkraftsprojekt har använt Al. Ofta planerar de över långa tidsperioder som behöver ett stabilt pris för exakta uppskattningar. Dessutom kan vindkraftverk vara upp till 328 fot höga och använda en tung tråd för att överföra el till marken. Att minska vikten på en kabel, som denna överföringsledning, skulle kunna bidra till att minska stöd och onödig belastning på kontakterna och göra den lättare att installera.
Stora projekt som kräver enorma mängder ledningar skulle kunna finna att Al är kostnadseffektivt. I skrivande stund visar NASDAQ Cu till 2,14 dollar/lb och Al till 0,73 dollar/lb. (3/16). Eftersom kostnaden är en sådan drivande faktor – utan att förneka det ovan nämnda – om en ökad storlek inte är ett bekymmer och du behöver en stor mängd kan Al vara ett bättre val.
Användningar
Al-tillämpningar
Transmissions- och distributionsledningar: Den lättare Al-tråden innebär färre stödtorn, vilket leder till att större delen av världen använder Al för högspänningsöverföringsledningar.
Belysningstillämpningar: Många glödlampor och andra kopplingar använde tidigare kopplingar av mässing. Idag används Al för många belysningskontakter.
Cu-tillämpningar
Telekommunikationstrådar: Cu:s högre duktilitet fungerar bra för att ge flexibilitet och mindre brott i telekommunikationsindustrin.
Motorer: Storlek och kapacitet är viktiga faktorer vid utformning av motorer och många tillverkare använder Cu i sina konstruktioner.
Både Cu- och Al-tillämpningar
Trådar för stora byggnader: Al finns i många ledningar för stora byggnader. Det ger prisstabilitet under den långa tid det tar att bygga dem. Om utrymmet inte är ett problem kan Al dessutom sänka priset för stora byggnader som kan innehålla flera kilometer långa ledningar. Cu:s duktilitet och mindre storlek fungerar dock bra för ledningar inne i byggnaderna. Detta är ett par anledningar till att båda materialen erbjuder fördelar i stora byggnader.
Efter början av 1970-talet ändrades Al-legeringen för att förbättra kvaliteten för elektriska tillämpningar. Många tror fortfarande att Al-ledningar är dåliga, men om de används på rätt sätt kan det vara en billigare och kostnadsstabil.
Andra tillämpningar som både Cu och Al används i inkluderar: Busbars, transformatorer, låg- och mellanspänningskablar för underjordiska kablar.