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Kupfer oder Aluminium? Welches ist wann zu verwenden?

Abgesehen von ihrer elektrischen Leitfähigkeit können dieAndere technologisch wichtige Eigenschaften von Kupfer und Aluminium unterscheiden sich so signifikant (Dichte ist ein naheliegendes Beispiel), dass ihre Anwendungsbereiche immer klar voneinander getrennt sind. Und nicht viel hat sich in dieser Hinsicht geändert oder wird sich wahrscheinlich ändern.

Die einzig wirklich neuartige Entwicklung der letzten Jahre war die Einführung von Kupferguss Rotorkäfige.

Es gibt Kupferschienen, Aluminiumschienen und Kupferschienen aus Aluminium

Es gibt Kupferschienen, Aluminiumschienen… und Kupferschienen aus Aluminium

In der Elektrotechnik gibt es eigentlich nur drei, jetzt vier, in denen Aluminium und Kupfer in den gleichen Marktsegmenten konkurrieren:

Praktische Anwendungen von Kupfer und Aluminium in der Elektrotechnik

Praktische Anwendungen von Kupfer und Aluminium in der Elektrotechnik, in denen beide Metalle eingesetzt werden können, sind selten

Niederspannungs- und Mittelspannungskabel

Mittelspannungskabel

Mittelspannungskabel

Die Entscheidung hier ist die, die weniger von zwei istÜbel: ein größerer Kabelquerschnitt oder ein höheres Kabelgewicht? Aluminiumkabel sind im Allgemeinen wesentlich billiger. Es ist jedoch immer noch erwähnenswert, dass Kupferkabel duktiler und weniger anfällig für elektrische Kontaktprobleme sind und somit einen größeren Sicherheitsspielraum bieten als ein entsprechendes Aluminiumkabel. Aufgrund seines kleineren Querschnitts ist das Kupferkabel auch einfacher zu installieren, da die Steifigkeit des Kabels vom Quadrat der Querschnittsfläche und damit von der vierten Stärke des Durchmessers abhängt!

Es ist auch möglich, sehr klein gestrandet zu werdenKupferkabel; Aluminiumlitzen sind nur bei Nennquerschnitten von mindestens 10 mm2 verfügbar und die einzelnen Litzen sind im Vergleich zu Kupferkabeln mit äquivalenter Größe immer noch sehr dick. Aus technischen Gründen sind die sogenannten "feindrähtigen" und "extra feindrähtigen" Leiter nur in Kupfer erhältlich.

Als Ergebnis die feinsten Aluminiumleiterverfügbar sind, sind deutlich steifer als die feinsten Kupferleiter, und dieser Unterschied hat gelegentlich zu ziemlich kostspieligen Überraschungen geführt. Auf dem Papier ist der Aluminiumleiter zwar günstiger in der Anschaffung, jedoch werden die zusätzlichen Kosten und der Aufwand für die Installation der weniger biegbaren Aluminiumkabel nicht berücksichtigt.

Das unterirdische Kabel des Kraftwerks Dietlikon

Das unterirdische Kabel des Kraftwerks Dietlikon in der Schweiz - eine Kompromisslösung, die die technologischen Eigenschaften von Kupfer und den Preis von Aluminium vereint

Kürzlich ist eine Kombination aus Cu-Al-Kabel als Kompromisslösung aufgetaucht und wird bei Dietlikon in der Schweiz als unterirdisches Kabel in Niederspannungsverteilungsnetzen eingesetzt.

Ein Vertreter aus dem Schweizer Dietlikon-Werkhielt einen Vortrag über das Produkt und das zugrunde liegende Konzept, nachdem er zu den Sitzungen des DKE-Ausschusses 712 „Sicherheit von informationstechnischen Anlagen einschließlich Potenzialausgleich und Erdung“ eingeladen wurde (DKE: Deutsche Kommission für elektrische, elektronische und Informationstechnologien).

Der Dietlikon-Stromversorger ist der erstebekannter Verteilernetzbetreiber, der sein Verteilernetz systematisch auf ein fünfadriges TN-S-System umstellt - Arbeit, die er natürlich nur während Reparaturen, Netzwerkerweiterungen und Neuinstallationen durchführt

In diesem neuen Kabel haben die Phasenleiter diegleicher Querschnitt wie der Neutralleiter, wodurch eine symmetrische Kabelstruktur erzielt wird. Die Phasenleiter bestehen aus Aluminium, während der Neutralleiter gleichen Durchmessers aus Kupfer besteht, wodurch ein größerer Strom übertragen werden kann, wodurch das Kabel besser für die Bewältigung der Probleme der Oberschwingungen geeignet ist, die heute so häufig diskutiert werden.

Der Schutzleiter ist in diesem Fall als umlaufender Kupferdrahtschirm ausgeführt, der eine weitaus höhere Symmetrie und EMV bietet als ein herkömmlicher Leiter.

Transformer

Kupfer

Die hervorragende Konnektivität von Kupfer sorgt für hohe Zuverlässigkeit

Das Problem des Wickelraums ist bei Transformatoren nicht so akut wie bei Elektromotoren, deshalb kann der Einsatz von Aluminium zumindestberücksichtigt werden. Tatsächlich muss der Hauptverlustkanal, d. H. Der Spalt zwischen den HV- und LV-Wicklungen, aus den folgenden drei Gründen eine bestimmte Größe haben: Isolierung, Begrenzen des Kurzschlussstroms und Kühlung.

Allerdings ein Transformator mit Aluminiumwicklungenwird größer, wenn die Leistungsverluste und alle anderen wichtigen Betriebsdaten, wie z. B. die Kurzschlussspannung, auf dem gleichen Niveau wie ein gleichwertiger Transformator mit Kupferwicklungen gehalten werden sollen (schließlich meinen wir dies mit zwei Transformatoren) sind gleichwertig). Das Gesamtgewicht des geringfügig größeren Transformators mit Aluminiumwicklungen ist jedoch etwas geringer.

Unterschiede in der Herstellung kosten ziemlich vielsich gegenseitig auslöschen und die Wahl des Leitermaterials ist nach Ansicht einiger renommierter Fertigungsunternehmen vor allem eine Frage der Unternehmensphilosophie.

Sammelschienen

Zwei-Kupfer-Sammelschienen

Zwei-Kupfer-Sammelschienen


In dieser Anwendung wiegen die räumlichen Anforderungen bei der Entscheidungsfindung noch weniger, bleiben jedoch ein Faktor. Zweitens, Sammelschiene Anwendungen zeichnen sich durch eine große Menge leitfähigen Materials und eine geringe Menge Isoliermaterial auf kleinem Raum aus. Dies zeigt die Unterschiede bei den Materialpreisen.

Drittens die große Anzahl von elektrischenVerbindungen innerhalb dieses kleinen Volumens bedeuten, dass die Verbindungsprobleme, die mit Aluminium verbunden sind, in solchen Anwendungen stärker ausgeprägt sind. Wenn all diese Aspekte berücksichtigt werden, bleibt eine Pattsituation und die Frage, welches Material ausgewählt werden muss, wird fast philosophisch. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass Preise und Kosten nicht verwechselt werden. Wenn der Preis als Hauptkriterium für die Auswahl gilt, wird Aluminium im Allgemeinen bevorzugt. Wenn jedoch alle Kosten (einschließlich Betriebskosten) berücksichtigt werden, stellt sich in der Regel heraus, dass Aluminium ein oder zwei Dinge von Kupfer lernen kann.

Kupfer scheint auch das bessere Aussehen zu haben,weil einige der Aluminium-Stromschienen mit Kupfer beschichtet sind - nicht um den elektrischen Kontakt zu verbessern (weil Bohren, Lochen und Schrauben die Kupferschicht ohnehin beschädigen), sondern nur aus ästhetischen Gründen.

Ein neues Einsatzgebiet sind Kupfer-Käfige: Bei dieser Anwendung ist der entscheidende Faktor die größere elektrische Leitfähigkeit pro Volumeneinheit Kupfer. Allein aufgrund dieses Faktors lohnt es sich, alle mit der Entwicklung dieser Geräte verbundenen technischen Probleme anzugehen. Für weitere Informationen wird auf anderswo verfügbare Beschreibungen verwiesen.

Die unbestrittene Domäne von Aluminium ist die von OverheadHochspannungskabel, bei denen der Platzbedarf keine Rolle spielt, bei denen jedoch das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt. Die geringere Festigkeit von Aluminium bedeutet, dass die Leiterkabel mit einer Stahlseele verstärkt werden müssen. Dies ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass die Kabel kostengünstig hergestellt werden können und die beiden Materialien beim Verschrotten leicht magnetisch voneinander getrennt werden können .

Beschichtung und Umweltbelange

Sowohl Aluminium als auch Kupfer oxidieren, wennder Atmosphäre ausgesetzt. Oxide, Chloride oder Sulfide des Grundmetalls sind für Kupfer viel leitfähiger als Aluminium. Für eine Aluminiumverbindung mit geringem Widerstand müssen die Aluminiumstableiter plattiert werden, um die Oxidation zu minimieren. Die Besorgnis über die Al-Oxidation außerhalb der Verbindung ist kein Problem und dient dazu, den Leiter in den meisten Umgebungen vor weiterer Korrosion zu schützen. Aluminiumbusleiter sind für die Integrität der elektrischen Verbindung von der Beschichtung abhängig.

Aluminium- und Kupferleiter sind typischerweisemit Silber oder Zinn überzogen. Von einer Verschraubung von nicht plattiertem Aluminium mit Kupferschienen wird generell abgeraten. Die meisten Al-Cu-Verbindungen werden durch Aufbringen von Silber- oder Zinnplattierungen auf die Verbindungsbereiche eines oder beider Leiter hergestellt.

Die Anwesenheit von Schwefelwasserstoff (H2S) imDie Atmosphäre ist für das Basismetall Cu und die Versilberung von Belang. Beide korrodieren stark in einer relativ niedrigen Konzentration von H2S und am stärksten an Orten, die normalerweise eine erhöhte Temperatur haben, während das Gerät mit Strom versorgt wird. Gleichzeitig sind zwei Prozesse aktiv: allgemeine Silberkorrosion und Kriechkorrosion von Cu. Aufgrund seiner überlegenen Leitfähigkeit, Abriebfestigkeit und Langlebigkeit wird die Silberbeschichtung häufig für Kontakte und andere leitfähige Teile in elektrischen Geräten verwendet.

Schwefelwasserstoff ist in der Regel in chemischen Anlagen, Ölraffinerien, Stahlwerken, Zellstoff- und Papierfabriken sowie Abwasseraufbereitungsanlagen vorhanden.

In einer H2S-Umgebung Metallfilamente (Whisker)beginnen Sie zu wachsen, sobald sich eine ausreichend dicke Silbersulfidschicht gebildet hat. Diese Silberkorrosion führt zu einem hohen Widerstand, der mehr Wärme erzeugt, was das Anlaufen und das Wachstum von Whiskern weiter stimuliert. Wenn dieser Vorgang fortgesetzt wird, führt dies zu einem Ausfall aufgrund von Überhitzung oder Kurzschluss.

Das Verzinnen bietet einen guten Umweltschutz und ist eine praktische Lösung für das H2S-Korrosionsproblem von Kupfer und versilbertem Kupfer

Referenz: Praktische Anwendungen elektrischer Leiter von Stefan Fassbinder
Bemerkungen: