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Aluminium und seine Legierungen in der Elektrotechnik

Aluminium und seine Legierungen in der Elektrotechnik

Aluminium und seine Legierungen in der Elektrotechnik (Foto von Daniel Richert @ Flickr)

Einführung

Aluminium wird seit vielen Jahren in fast allen Branchen als Leitermaterial eingesetzt Elektrotechnik. Neben dem reinen Aluminium sind einige seiner Legierungen auch hervorragende Leiter, die strukturelle Festigkeit mit einer durchaus akzeptablen Leitfähigkeit verbinden.

Aluminium wird überall in der Elektrik verwendetIndustrie. Motoren werden damit gewickelt, Hochspannungsleitungen werden damit hergestellt, und der Abfall von der Stromleitung zum Schutzschalterkasten Ihres Hauses ist wahrscheinlich Aluminium.

Das Material ist leichter als Kupfer (etwa ein Drittel der Dichte) und daher einfacher zu handhaben; es ist auch billiger.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Preis nicht iststarken Schwankungen unterworfen, ebenso wie Kupfer. In den 1960er und 1970er Jahren stieg der Kupferpreis weltweit stark an. Dies führte dazu, dass Aluminium häufig in Situationen eingesetzt wurde, in denen Kupfer bisher die Norm war.

In einigen Anwendungen zum Beispiel im InlandVerdrahtungen und Transformatorfolienwicklungen erwiesen sich als weniger geeignet als ursprünglich erhofft, so dass Ende der 1990er Jahre eine gewisse Rückkehr zu Kupfer stattfand und die Verwendung von Aluminium eher auf die Anwendungen beschränkt war, für die dies der Fall ist eindeutig überlegen.

Es gibt zwei Gruppen von britischen Standardspezifikationen für Aluminium:

  1. Ein Abdeckaluminium für elektrische Zwecke, das sich auf hochreines Aluminium mit Schwerpunkt auf elektrischen Eigenschaften bezieht, und
  2. Die zweite betrifft Aluminium für Allgemeiner Maschinenbau.
Aluminium für elektrische Zwecke umfasst Sorten mit Leitfähigkeiten zwischen 55% und 61% Internationaler Standard für geglühten Kupfer (IACS) und enthält reines Aluminium.

Im Folgenden sind die relevanten britischen Standards aufgeführt:

  • BS 215 Teil 1: (IEC 207) Aluminiumlitzen für die Stromübertragung.
  • BS 215 Teil 2: (IEC 209) Aluminiumleiter, stahlverstärkt für Zwecke der Stromübertragung.
  • BS 2627. Schmiedealuminium für elektrische Zwecke - Draht.
  • BS 2897. Schmiedealuminium für elektrische Zwecke - Streifen mit gezogenen oder gerollten Kanten.
  • BS 2898. Schmiedealuminium für elektrische Zwecke - Stangen, extrudierte Rundrohre und Profile.
  • BS 3242. (IEC 208) Litzenleiter aus einer Aluminiumlegierung zur Freileitungsübertragung.
  • BS 3988. Schmiedealuminium für elektrische Zwecke - massive Leiter für isolierte Kabel.
  • BS 6360. Spezifikationen für Leiter in isolierten Kabeln und Kabeln.

Diese Gruppe von Spezifikationen umfasst die Note 1350 (früher 1E) reines Aluminium mit einer Leitfähigkeit von 61% IACS und Sorte 6101A (früher 91E) eine wärmebehandelbare Legierung mit mäßiger Festigkeit und einer Leitfähigkeit von 55% IACS.

Aluminium für den allgemeinen Maschinenbau umfasst leitfähige Qualitäten So niedrig wie 30% IACSaber mit hoher struktureller Festigkeit bis zu 60% von Stahl, mit mehr Schwerpunkt auf mechanischen Eigenschaften.

Dies wird durch die folgenden britischen Standards abgedeckt:

  • BS 1471 Aluminium und Aluminiumlegierungen - gezogenes Rohr.
  • BS 1472 Aluminium und Aluminiumlegierungen - Schmiedevormaterial und Schmiedeteile.
  • BS 1473 Schmiedealuminium und Aluminiumlegierungen - Niet-, Bolzen- und Schraubenschaft.
  • BS 1474 Aluminium und Aluminiumlegierungen - Stangen, extrudiertes Rundrohr und Profile.
  • BS 1475 Aluminium und Aluminiumlegierungen - Draht.
  • BS 1490 Aluminiumbarren und Gussteile (basierend auf, aber nicht identisch mit ISO 3522).
  • BS EN 485 Aluminium und Aluminiumlegierungen - Blech, Streifen und Platten.

Diese Gruppe von Spezifikationen umfasst Grade 1050A (früher 1B) mit einer Leitfähigkeit von 61,6 IACS, Qualität 1080A (früher 1A) auch mit einer Leitfähigkeit von 61,6 IACS und Grade 1200 (früher 1C) mit einer Leitfähigkeit von 59,5% IACS. Diese Qualitäten werden im Allgemeinen in verwendet Blechform, Dicke bis zu 10 mm oder Platte, Dicke über 10 mm.

Weitere Informationen zu Aluminiumsorten und Spezifikationen erhalten Sie von der Aluminium Federation.


Aluminium-Anwendungen

Sammelschienen

Aluminium wird seit mehr als 60 Jahren für Stromschienen verwendet und wird seit 1960 aufgrund seiner Eigenschaften in einer ganzen Reihe von Stromschienenanwendungen eingesetzt geringes Gewicht und Haltbarkeit.

Rohrförmiges Aluminium wird ausschließlich für Sammelschienen für Netzstationen bei 275 kV und 400 kV (Gas Insulated Transmission Line - GIL) verwendet und wird zunehmend bei 132 kV für Umbauten und Sanierungen von Umspannwerken eingesetzt.

Aluminium wird in großen Industrieanlagen wie zals Schmelzhütten und elektrochemische Anlagen, da große Gussteile (bis 600 mm × 150 mm) verfügbar sind Aluminium wird wegen seines geringeren Gewichts im Vergleich zu Kupfer auch in Schaltanlagen und aufsteigenden Hauptsystemen verwendet.

Ein Hauptproblem bei Aluminium ist die Schnelligkeit, mit der es funktioniert oxidiert wenn die Oberfläche für die Verschraubung vorbereitet ist. Das frühere CEGB hat viel über das Problem geforscht, insbesondere mit den starken Strömen, die zwischen einem Generator und dem zugehörigen Aufwärtstransformator auftreten. Dies führte zu signifikanten Verbesserungen bei den Verbindungstechniken.

Schraubverbindungen in Aluminium-Stromschienen, die häufig demontiert werden, werden häufig mit Silber oder Zinn galvanisiert.


Kabel

Aluminium wird weitgehend als Leiter verwendet über 16mm2 Querschnittsfläche für Stromkabel bis 66 kV. Aluminium wird in Hausinstallationen normalerweise nicht gefunden, da spezielle Füge- und Anschlusstechniken erforderlich sind, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.


Freileitungen

Das a.c.s.r. (Aluminiumleiter Stahl verstärkt) Freileitungen werden weltweit für Energieverteilungssysteme eingesetzt.

Einen Wagen. (Aluminiumleiter Aluminiumlegierung verstärkt) werden seit 1960 zunehmend eingesetzt, da das Risiko von Bimetallkorrosion und verbesserte Leitfähigkeit für eine gegebeneKreuzung. Einen Wagen. Oberleitungselektrifizierungssysteme für die Unterstützung des Fahrdrahts finden wegen der geringeren Masse und der geringeren Diebstahlgefahr im Vergleich zu Kupfer auch bei den Eisenbahnbehörden Anklang.


Motoren

Käfigrotoren für Induktionsmotoren verwenden häufig Aluminiumstangen. Gehäuse bestehen ebenso aus dem Material wie Lüfter, die zur Motorkühlung verwendet werden.


Folienwicklungen

Aluminium ist die Norm für die Wicklungen von Kondensatoren der kleinsten verwendeten Typen Beleuchtungskörper zu große Leistungskondensatoren.

Folienwicklungen eignen sich für einige Transformatoren, Reaktoren und Magnetspulen. Foliendicken reichen von 0,040 mm zu 1,20 mm im 34 Schritte. Man erhält einen besseren Raumfaktor als bei einer drahtgewickelten Kupferspule, wobei der Aluminiumleiter etwa 90% des Platzes einnimmt, verglichen mit 60% für Kupferdraht.

Heizung und Kühlung Unterstützt werden der bessere Raumfaktor und die geringere Isolationsstärke für Folienwickel. Die schnelle radiale Wärmeübertragung gewährleistet einen gleichmäßigen Temperaturgradienten.

Der Nachteil von Aluminium ist sein schlechtere mechanische Festigkeitinsbesondere aus der Sicht von Wicklungsendverbindungen herstellen.

Die Tendenz war daher die Verwendung von Kupferfolie für luftisolierte Niederspannungswicklungen.

Alufolie wird jedoch fast ausschließlich für die verwendet HV-Wicklungen von gießharzisolierten Transformatoren da es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der näher an dem des Harz-Einkapselungsmaterials liegt als Kupfer, wodurch die unter Belastung auftretenden Wärmespannungen verringert werden.


Konstanten und physikalische Eigenschaften von sehr reinem Aluminium

Beschreibung Wert
Ordnungszahl 13
Atomvolumen 10 cm3/ g-Atom
Atomares Gewicht 26.98
Wertigkeit 3
Kristallstruktur fcc
Interatomischer Abstand (Koordinationsnummer 12) 2,68 kX
Verbrennungswärme 200 kcal / g-Atom
Latente Schmelzwärme 94,6 cal / g
Schmelzpunkt 660,2 ° C
Siedepunkt 2480 ° C
Dampfdruck bei 1200 ° C 1 × 10-2 mm Hg
Mittlere spezifische Wärme (0–100 ° C) 0,219 cal / g ° C
Wärmeleitfähigkeit (0–100 ° C) 0,57 cal / cm s ºC
Temperaturkoeffizient der Längenausdehnung (0–100 ° C) 23,5 × 10-6 pro ° C
Elektrischer Widerstand bei 20 ° C 2,69 Mikrohm cm
Temperaturkoeffizient des Widerstands (0–100 ° C) 4,2 × 10-3 pro ° C
Elektrochemisches Äquivalent 3,348 × 10-1 g / Ah
Dichte bei 20 ° C 2,69898 g / cm3
Elastizitätsmodul 68,3 kN / mm2
Torsionsmodul 25,5 kN / mm2
Poisson-Verhältnis 0.34

Heizelemente

Aluminiumfolienheizelemente wurden entwickelt, werden jedoch derzeit nicht weit verbreitet verwendet. Anwendungen umfassen folienfilm tapete, aushärten von Beton und möglicherweise Bodenerwärmung.


Temperatur fällt

Hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium Durch das einfache Extrudieren oder Gießen in feste oder hohle Formen mit integrierten Lamellen ist das Material ideal für Kühlkörper.

Halbleiterbauelemente und Transformatorbehälterveranschaulichen die vielfältigen Anwendungen in diesem Bereich. Durch sein geringes Gewicht ist es ideal für Masttransformator-Tanks geeignet. Außerdem hat das Material den Vorteil, dass das Material nicht mit Transformatoröl reagiert und Schlamm bildet.

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Bemerkungen: