/ / Aluminium vs. Kupfer: Leiter in Niederspannungs-Trockentransformatoren

Aluminium vs. Kupfer: Leiter in Niederspannungs-Trockentransformatoren

Vorwiegende Wahl des Wickelgutes

In Nordamerika dominiert AluminiumWahl des Wickelmaterials für Niederspannungs-Trockentransformatoren mit mehr als 15 Kilovoltampere (kVA). In den meisten anderen Regionen der Welt ist Kupfer das vorherrschende Wicklungsmaterial. Der Hauptgrund für die Wahl der Aluminiumwicklungen sind die niedrigeren Anfangskosten.

Die Kosten für Kupfer-Basismetalle haben historisch zugenommenerwiesen sich als viel volatiler als die Kosten für Aluminium, so dass der Kaufpreis für Kupferleiter im Allgemeinen die teuerste Wahl ist. Da Aluminium eine größere Formbarkeit besitzt und einfacher zu schweißen ist, ist dies die kostengünstigere Fertigungsmöglichkeit. Zuverlässige Aluminiumverbindungen erfordern jedoch mehr Disziplin und Erfahrung von Transformatorinstallateuren als für Kupferverbindungen.

Aluminiumband für elektrische Transformatoren-Wicklung

Aluminiumband für elektrische Transformatoren-Wicklung


Technische Argumente über die Vor- und Nachteile vonAluminium und Kupfer werden seit vielen Jahren in der Elektroindustrie hin und her gehandelt. Die meisten dieser Argumente sind inkonsequent und einige können einfach als Fehlinformation klassifiziert werden. Der Zweck dieser Anwendungsbeschreibung besteht darin, einige allgemeine Bedenken hinsichtlich der Wahl zwischen diesen beiden Wickelmaterialien zu erörtern.

Häufige Gründe für die Materialauswahl

Tabelle 1
Wahr Falsch
Transformatorenanschlüsse aus Aluminium sind mit Kupferleitungen und Lastkabeln nicht kompatibel. X
Das korrekte Anschließen von Leitungs- und Lastverbindungen ist bei Transformatoren mit Aluminiumwicklung schwieriger. X
Leitungs- und Lastanschlüsse an Transformatoren mit Kupferwicklung sind zuverlässiger als Verbindungen mit Transformatoren mit Aluminiumwicklung. X
Aluminiumwickeltransformatoren sind leichter als Kupferwickeläquivalente. X
Niederspannungstransformatoren mit Kupferwicklungen eignen sich besser für hohe Belastungen, da Kupfer eine höhere Zugfestigkeit als Aluminium aufweist. X
Transformatoren mit Aluminiumwicklung haben höhere Verluste, da Kupfer ein besserer Leiter ist. X
Transformatoren mit Aluminiumwicklung haben höhere Hot-Spot-Temperaturen, da Kupfer einen besseren Wärmeleiter als Aluminium aufweist. X

Unterschiede zwischen Kupfer und Aluminium

Die meisten Bedenken hinsichtlich der Wahl des Wickelmaterials spiegeln fünf charakteristische Unterschiede zwischen Kupfer und Aluminium wider:

Fünf charakteristische Unterschiede zwischen Cu und Al Aluminium Kupfer
Ausdehnungskoeffizient pro ° C x 10-6 bei 20 ° C 23 16.6
Wärmeleitfähigkeit BTU / ft / hr / fft2/ ° F bei 20 ° C 126 222
Elektrische Leitfähigkeit% IAS bei 20 ° C 61 101
Zugfestigkeit ib / in2 (weich) 12,000 32,000

Konnektivität

Oxide, Chloride oder Sulfide des unedlen Metallssind für Kupfer viel leitfähiger als Aluminium. Diese Tatsache macht das Reinigen und Schützen der Verbindungen für Aluminiumverbindungen wichtiger. Einige betrachten Kupfer-Aluminium-Verbindungen als inkompatibel. Fraglich sind auch die Übergangsverbindungen zwischen Aluminiumtransformatoren und Kupferleitungsdraht.

Ausdehnungskoeffizient

Aluminium dehnt fast ein Drittel mehr ausKupfer bei wechselnden Temperaturen. Diese Erweiterung hat zusammen mit der duktilen Natur von Aluminium einige Probleme verursacht, wenn verschraubte Verbindungen nicht korrekt installiert wurden.

Um ein Lösen der Verbindung zu vermeiden, ist eine Art Federdruckverbindung erforderlich. Die Verwendung von geschlitzten oder geteilten Unterlegscheiben sorgt für die notwendige Elastizität an der Verbindung, ohne das Aluminium zusammenzudrücken.

Durch die Verwendung geeigneter Hardware können Aluminiumverbindungen den Kupferverbindungen entsprechen.

Wärmeleitfähigkeit

Einige argumentieren, dass die Wärmeleitfähigkeit vonKupfer ist dem von Aluminium überlegen, wenn es darum geht, den Temperaturanstieg in den Transformatorwicklungen zu reduzieren. Dies trifft nur zu, wenn Kupfer- und Aluminiumwicklungen mit identischer Drahtgröße, -geometrie und -design verglichen werden. Daher können die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Aluminium für jede gegebene Transformator-kVA-Größe sehr nahe an denen von Kupfer liegen. Damit Aluminiumspulen die gleiche Strombelastbarkeit wie Kupfer erreichen, muss die Aluminiumspule in ihrem Querschnittsbereich um ca. 66% größer sein. Verantwortliche Hersteller entwerfen und testen die Hot-Spot-Eigenschaften ihrer Konstruktionen und verwenden Kühlfläche, Spulengeometrie, Luftführung und Leiterform, um unabhängig vom Wickelmaterial akzeptable Hot-Spot-Gradienten herzustellen.

Elektrische Leitfähigkeit

Oft deuten Argumente auf die Minderwertigkeit vonAluminiumleitfähigkeit, unter Berufung auf die Tatsache, dass Aluminium nur 61% der Leitfähigkeit von Kupfer aufweist, was zu höheren Energieverlusten in Aluminiumtransformatoren führt. Konstrukteure beschäftigen sich immer mit der Wicklungstemperatur. Um die Temperatur unter dem Isolationswert zu halten, sind Aluminiumtransformatoren mit Aluminiumleitern mit einem größeren Querschnitt als Kupfer ausgeführt. Dies führt im Durchschnitt zu Energieverlusten, die für Aluminium die gleichen sind wie für Kupfer. Transformatoren ähnlicher Bauart mit gleichem Temperaturanstieg haben daher unabhängig vom Leitermaterial in etwa gleiche Verluste.

Transformatorenhersteller begrenzen die Vielfalt vonLeitergrößen bestückt. Aus diesem Grund können einige Konstruktionen in Aluminium geringere Verluste als Kupfer erzielen, weil die Auswahl der Drahtstärke begrenzt ist. In anderen Ausführungen ist Kupfer effizienter. Wenn überhaupt, ändern die Hersteller von Niederspannungs-Trockentransformatoren beim Umschalten von Aluminium auf Kupfer die Baugröße des Kerns, so dass der Kernverlust unabhängig vom Wickelmaterial ungefähr gleich bleibt. Wenn durch Variieren der Drahtgröße gleiche Wirkungsgrade erzielt werden können und die Kernverluste gleich bleiben, besteht kein praktischer Grund zu der Annahme, dass eine Konstruktion effizienter ist als die andere. Die Kostenunterschiede zwischen Kupfer und Aluminium machen es häufig möglich, größere Aluminiumleiter bereitzustellen, was zu geringeren Lastverlusten bei geringeren Kosten führt als bei Verwendung von Kupferleitern.

Transformator-Spulenwicklung

Zerreißfestigkeit

Die niedrigere Zug- und Streckgrenze von Aluminiumhat einige Besorgnis über seine Verwendung in zyklischen Lastanwendungen ausgelöst. Lasten, die hohe Stromspitzen wie Gleichstromantriebe und andere SCR-Steuerungen verbrauchen, erzeugen elektromagnetische Kräfte, die die Bewegung von Leitern und Spulenleitern verursachen können. Wie in Tabelle 2 gezeigt, hat Aluminium nur 38% der Zugfestigkeit von Kupfer. Der Tabellenvergleich basiert jedoch auf der gleichen Querschnittsfläche. Wie zuvor angemerkt, erfordert es zur Erzielung gleicher Nennleistungen in Aluminiumtransformatoren typischerweise 66% mehr Querschnittsfläche als Kupferleiter. Die Verwendung von größeren Leitern führt zu einer Aluminiumwicklungsstärke, die nahezu der von Kupferwicklungen entspricht. Die Fähigkeit eines Transformators, den mechanischen Langzeitwirkungen „hoher Stoßbelastung“ standzuhalten, hängt eher von einer ausreichenden Spulenbalance und Leitungsunterstützung als von der Wahl des Leiters ab. Zwischen Kupfer- und Aluminium-Niederspannungstransformatoren wurde kein wesentlicher Unterschied beim mechanischen Ausfall festgestellt.

Konnektivität

Konnektivität ist bei weitem der häufigste Grund„Vorurteile“ gegen den Einsatz von Aluminium-Transformatoren. Sowohl Kupfer als auch Aluminium neigen bei Einwirkung der Atmosphäre zur Oxidation oder zu anderen chemischen Veränderungen. Das Problem ist, dass Aluminiumoxid ein sehr guter Isolator ist, wohingegen Kupferoxid, obwohl es nicht als guter Leiter angesehen wird, bei Schraubverbindungen bei weitem nicht so mühsam ist. Das Reinigen und Bürsten mit einer hochwertigen Fugenmasse zur Verhinderung von Oxidation wird für beide Materialien empfohlen und für Aluminium einfach wichtiger. Die meisten Elektriker sind in diesen Verfahren gut ausgebildet, und die Technik der Herstellung geschraubter Aluminiumverbindungen ist eine etablierte und bewährte Praxis.

In der Regel Schraubverbindung von nicht plattiertVon Aluminium zu Kupfer wird abgeraten. Obwohl zum Verbinden der beiden Metalle mehrere zuverlässige Schweißverfahren und Sprengklebetechniken durchgeführt werden können, werden beide bei der heutigen Transformatorenherstellung in hohem Maße verwendet. Die meisten Aluminium-Kupfer-Verbindungen werden durch Aufbringen einer Silber- oder Zinnplattierung auf eines oder beide der Leitermetalle in der Schraubverbindung hergestellt. Bei den meisten Kabelverbindungen zu Aluminium-Transformatoren werden verzinnte Aluminiumkabelschuhe verwendet. Diese Kabelschuhe sind speziell für die Verbindung von Kupfer-Baudraht mit einem der beiden Metalle (Al / Cu) ausgelegt. Diese Praxis ist allgemein anerkannt und hat sich seit über 30 Jahren als zuverlässig erwiesen. Aluminium-Wickeltransformatoren werden verwendet.

Theorie vs. praktischer Einsatz

Die meisten Argumente für Kupfer basieren auf Theorien, die in der Praxis nichts Wesentliches bedeuten. Es gibt auch mehrere Theorien, die die Verwendung von Aluminium begünstigen.

Ein Argument konzentriert sich auf die verschiedenen Technikenverwendet, um Kupfer- und Aluminiumverbindungen herzustellen. Interne Transformatoranschlüsse aus Kupfer werden im Allgemeinen hartgelötet, während dieselben Aluminiumverbindungen mit Inertgas geschweißt werden. Technisch bedingt die Hartlöttechnik, dass die Kupferverbindung eine geringere Leitfähigkeit als das Metall auf Kupferbasis aufweist. Beim Inertgasschweißen von Aluminium entsteht eine durchgehende Aluminiumverbindung ohne Verschlechterung der Leitfähigkeit. Darüber hinaus argumentieren einige, dass sich im Laufe der Zeit immer noch Kupferoxid bildet, das freiliegendes Kupfer abblättert und schließlich den gesamten Leiter beschädigt. Auf der anderen Seite bildet Aluminiumoxid eine hartnäckige Schutzschicht über dem freiliegenden Metall, die die Oxidation bereits nach wenigen Millionstel Zoll stoppt. Ja, dies können gültige Punkte sein, die sich in ungewöhnlich aggressiven Umgebungen oder extremen Belastungsbedingungen auswirken können. Der durchschnittliche Benutzer sollte sich jedoch nicht allzu sehr um diese theoretischen Überlegungen kümmern, da sowohl Kupfer- als auch Aluminiumtransformatoren in der Praxis viele Jahre lang hervorragende Ergebnisse erzielt haben.

Der einzig gültige technische Grund für die WahlKupfer über Aluminium scheint Platz zu sein. Eine unwiderlegbare Tatsache ist, dass Kupfer-Transformatoren kleiner als Aluminium-Transformatoren hergestellt werden können. Vor allem OEM-Kunden, die Open-Core-and-Coil-Transformatoren für ihre eigenen Geräte erwerben, profitieren von der Platzersparnis. Die meisten gekapselten Allzweck-Transformatoren werden in der gleichen Gehäusegröße für Aluminium oder Kupfer verkauft, so dass dieser kleine Vorteil für Kupfer nicht realisiert wird.

Fazit

Die Wahl zwischen Transformatorenwicklungen aus Aluminium oder Kupfer hängt von den persönlichen Vorlieben ab. Der Premiumpreis für Kupfer erfordert häufigKauf Begründung, aber diese Argumente wurden in diesem Bulletin widerlegt. In der Tat unterstützt die Industrieerfahrung einfach keine der allgemein genannten Gründe für die Wahl von Kupfer gegenüber Aluminium. Niederspannungstransformatoren mit Aluminiumwicklung werden aufgrund ihres erheblichen Kostenvorteils gegenüber Kupfer wahrscheinlich weiter an Akzeptanz gewinnen.

Da einige der alten Mythen wegen der verschwindenBei einem überwältigenden Erfolg des Aluminiums werden mehr Benutzer mit der relativ geringen zusätzlichen Aufmerksamkeit für Details vertraut, die zum Herstellen zuverlässiger Aluminiumverbindungen erforderlich ist. Es wurde theoretisch angenommen, dass die besondere Aufmerksamkeit, die Aluminiumverbindungen gegeben wird, dazu beiträgt besser Verbindungen in Aluminium als in Kupfer.

Gute Praktiken bei der elektrischen HerstellungAnschlüsse sind für jeden in der Branche von Vorteil, unabhängig davon, ob Aluminium oder Kupfer verwendet wird. Bevor Sie in die zusätzlichen Kosten für Kupfertransformatoren investieren, prüfen Sie die Gründe für die Kupferpräferenzen in den Spezifikationen.

Referenz // Aluminium vs. Kupfer: Leiter in Niederspannungs-Trockentransformatoren von Square D

Bemerkungen: