Thanh cái đồng và thanh cái nhôm: Cường độ dòng điện, trọng lượng, chi phí và nhiệm vụ lỗi

Phần mở rộng đường xe buýt 3.200 A thường đi kèm với hai báo giá và một đối số: tùy chọn nhôm rẻ hơn và nặng khoảng một nửa, trong khi tùy chọn đồng nhỏ hơn, phù hợp với bản vẽ thiết bị đóng cắt đã được phê duyệt và hoạt động theo cách mà các nhóm bảo trì mong đợi.

Đây là câu trả lời ngắn gọn. Nhôm thắng khi chi phí vật liệu, trọng lượng và đường chạy thẳng dài chiếm ưu thế và môi trường tại công trường có thể quản lý được. Đồng giành chiến thắng khi đường bao không gian chật hẹp, mức độ lỗi cao, tính chất hóa học ở khu vực này có tính ăn mòn cao hoặc thiết bị ở cả hai đầu được chế tạo xung quanh các đầu nối bằng đồng. Hầu hết các vấn đề không đến từ bản thân kim loại mà đến từ các chi tiết thiết kế được sao chép từ kim loại khác.

Thanh cái bằng đồng và nhôm: Sự khác biệt làm thay đổi bản vẽ

Đồng và nhôm khác nhau về cách bạn có thể đo lường, báo giá và thiết kế. Các giá trị bên dưới là những giá trị di chuyển các bản vẽ, không phải những giá trị điền vào sách giáo khoa.

Đồng và nhôm được so sánh ở 20°C, với hệ quả thực tế của từng sự khác biệt.
Tài sản	đồng	Nhôm	Ý nghĩa trên bản vẽ
Độ dẫn điện	100% IAC	61% IAC	Nhôm needs about 1.5 to 1.6 times the cross-section for the same current
Điện trở suất ở 20°C	1,72 µΩ·cm	2,83 µΩ·cm	Tính toán tổn thất và sụt áp phải sử dụng phần thực
Mật độ	8,96 g/cm ³	2,70 g/cm ³	Ở cùng độ khuếch đại, nhôm nặng khoảng một nửa
Độ dẫn nhiệt	401 W/m·K	237 W/m·K	Nhiệt lan truyền chậm hơn, do đó độ tăng nhiệt phải được xác nhận bằng thử nghiệm điển hình
Khai triển tuyến tính	16,5 × 10 ^-6 /K	23 × 10 ^-6 /K	Nhôm moves about 40% more, so long runs need expansion provision
Hằng số ngắn mạch k (IEC 60949)	226 A·s ^1/2 /mm ²	148 A·s ^1/2 /mm ²	Ở cùng tiết diện, đồng hấp thụ khoảng 2,3 lần I2t
Oxit bề mặt	Mỏng và dẫn điện	Cách nhiệt, hình thành trong vài phút	Nhôm joints need brushing, compound and immediate assembly

Ba hàng thúc đẩy hầu hết các quyết định. Nếu chiều rộng vỏ đã được cố định, độ dẫn điện sẽ quyết định xem nhôm có phù hợp hay không. Nếu thời gian chạy dài và ở ngoài trời, việc mở rộng sẽ đặt ra mức cho phép. Nếu mức độ lỗi cao, hằng số ngắn mạch sẽ quyết định xem phần đó có tăng kích thước hay không.

Độ dẫn điện, độ khuếch đại và phép toán trọng lượng

Con số 61% IACS thường bị hiểu sai là "nhôm mang 61% dòng điện". Điều đó chỉ đúng ở những mặt cắt ngang giống nhau và không ai định cỡ thanh cái theo cách đó.

Điện trở DC tương đương sẽ cần gấp khoảng 1,64 lần diện tích nhôm, tuy nhiên các thiết kế được thử nghiệm thường đạt gần 1,5 đến 1,6 lần, vì thanh rộng hơn có nhiều bề mặt làm mát trên mỗi ampe hơn. Trọng lượng sau đó tuân theo mật độ: khoảng 1,6 × 2,70 g/cm ³ so với 8,96 g/cm3 ³ , do đó, một thanh cái bằng nhôm có cường độ bằng nhau mang khoảng một nửa khối lượng đồng.

Chỉ số tính chất tương đối, đồng = 100

Việc tiết kiệm trọng lượng đó không hề mang tính thẩm mỹ: ít trụ đỡ hơn, hệ giằng chống địa chấn nhẹ hơn, ít kết cấu thép hơn và vận chuyển hàng hóa rẻ hơn. Sự đánh đổi là khối lượng. Công suất tương tự trong nhôm cần nhiều không gian hơn và bên trong vỏ 600 mm cố định chỉ có thể loại trừ nhôm trước khi thảo luận về giá.

Trường hợp đồng và nhôm thực sự thất bại tại chỗ

Mối nối và lớp oxit

Nhôm tạo ra một lớp oxit cách điện trong vòng vài phút sau khi đánh răng và lớp đó tan chảy ở nhiệt độ trên 2.000°C. Một mối nối trông có vẻ chặt chẽ có thể được cho là có điện trở cao và nóng lên khi chịu tải, do đó, công việc làm bằng nhôm cần được chải dưới hợp chất chống oxy hóa, lắp ráp ngay lập tức và mô-men xoắn hiệu chỉnh. Ôxít đồng mỏng và không cản trở sự dẫn truyền theo cách tương tự.

Mất leo và mô-men xoắn

Nhôm bị rão dưới áp suất duy trì của bu lông ở nhiệt độ trên khoảng 90 đến 100 °C tại mối nối, từ từ mất đi áp suất tiếp xúc. Vòng đệm Belleville cộng với khoảng thời gian tái mô-men xoắn được ghi lại là các biện pháp đối phó tiêu chuẩn. Đồng ở đây dễ tha thứ hơn, đó là lý do tại sao các đội bảo trì có kinh nghiệm về đồng phản đối việc chuyển đổi.

Sự giãn nở nhiệt trong thời gian dài

Nhôm nở ra nhiều hơn khoảng 40% so với đồng. Trên đường chạy 30 m với cú xoay 60 K, nghĩa là chuyển động thêm khoảng 12 mm để hấp thụ thông qua các giá đỡ trượt hoặc khe co giãn. Việc xác định lại bố cục đồng bằng nhôm mà không chạm vào các giá đỡ thường xuất hiện dưới dạng các thanh bị vênh trong mùa nắng nóng đầu tiên.

Năng lượng sự cố và nhiệt độ ngắn mạch

Với hằng số đoạn nhiệt khoảng 226 A·s ^1/2 /mm ² đối với đồng và 148 đối với nhôm, mặt cắt ngang giống hệt nhau đạt đến nhiệt độ giới hạn ở khoảng 43% I2t đồng. Phần nhôm phát triển hoặc thời gian làm sạch bảo vệ rút ngắn lại. Một nghiên cứu phối hợp bỏ qua điều này vẫn chưa kết thúc.

Chi phí, vòng đời và những con số mà người mua bỏ lỡ

Giá dây dẫn là con số mọi người trích dẫn và là phần nhỏ nhất của câu chuyện. Nhôm có giá chỉ bằng một phần đồng trên mỗi kg và bạn cần khoảng một nửa khối lượng ở công suất bằng nhau, do đó khoảng cách nguyên liệu thô rất lớn. Trên một gói hàng được giao, mức tiết kiệm sẽ giảm đi khi có thêm lớp vỏ rộng hơn, các mối nối lớn hơn và công sức để chuẩn bị các mối nối nhôm đúng cách.

Tiền và rủi ro nằm ở đâu trong bản nâng cấp 4.000 A (trọng số minh họa)

Chi phí vật liệu 35%

Cài đặt và hỗ trợ 20%

Không gian và định tuyến 15%

Môi trường và ăn mòn 15%

Khả năng tương thích chấm dứt 10%

Bảo trì và kiểm tra 5%

Hai chi phí thường bị bỏ qua nhất. Đầu tiên, sửa đổi vỏ bọc và thiết bị đóng cắt: nếu thiết kế nhôm cần 800 mm trong đó đồng được lắp 600 mm, thép tấm, lớp mạ và cước phí có thể tiêu thụ một phần ba lượng tiết kiệm dây dẫn. Thứ hai, bảo trì: chương trình tái mô-men xoắn được ghi lại trong 25 năm là lao động thực sự chứ không phải chú thích cuối trang.

Khi việc so sánh xảy ra ở cấp độ thanh cái chứ không phải ở cấp độ thanh, thì dây dẫn không còn là biến số chính nữa. Hệ thống thanh cái trung thế và hạ thế đã được thử nghiệm đóng gói dây dẫn, lớp cách điện, mối nối và bộ phận giãn nở thành một cụm, do đó, kết quả thử nghiệm điển hình và thiết kế mối nối quan trọng hơn hợp kim.

High and Low Voltage Fully Insulated Busway System

Hệ thống Busway cách điện hoàn toàn điện áp cao và thấp Cụm thanh dẫn nhỏ gọn, cách điện hoàn toàn dành cho phân phối trung thế và hạ thế, được thiết kế xoay quanh hiệu suất chung, mở rộng mô-đun và các dự án trang bị thêm có không gian hạn chế. Xem sản phẩm →

Lựa chọn thiết kế làm thay đổi phán quyết

Ba quyết định thiết kế giúp giải pháp nhôm gần giống với đồng hơn về hiệu suất và chúng thường rẻ hơn so với thay đổi kim loại.

Hợp kim và tính khí, không chỉ là "nhôm"

Cấp điện 1350 mềm và bò. Các loại như 6101-T6 và hợp kim nhôm-magiê mang lại độ bền kéo và độ cứng cao hơn, điều này quan trọng đối với các đường ống tự hỗ trợ kéo dài giữa các giá đỡ. Việc chỉ định "nhôm" trơn không có hợp kim và nhiệt độ là nguyên nhân khiến các dự án kết thúc với các thanh và khớp bị võng làm mất mô-men xoắn.

Ultra-High Voltage Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Bus Bar

Thanh cái hình ống hợp kim nhôm-magiê điện áp cực cao Thanh cái hình ống bằng nhôm magie UHV có độ dẫn điện cao, nhịp đỡ dài và khả năng tương thích với vật liệu đúc epoxy hoặc cách điện PTFE trong các trạm có yêu cầu cao. Xem sản phẩm →

Vật liệu cách nhiệt làm kín dây dẫn

Một thanh cái hình ống được cách nhiệt hoàn toàn sẽ đưa bề mặt dây dẫn ra khỏi môi trường hoàn toàn. Vỏ cao su EPDM và silicon phù hợp với các hệ thống lắp đặt tại hiện trường, vật đúc nhựa epoxy mang lại cấu trúc kín cứng cho công việc cấp 35 kV và vỏ PTFE được chọn ở những nơi có khả năng kháng hóa chất. Sau khi nhôm được bịt kín, lý do ăn mòn đối với đồng phần lớn sẽ biến mất và những gì còn lại là độ khuếch đại, năng lượng lỗi và không gian.

Thanh xe buýt hình ống đúc nhựa Epoxy Thanh cái hình ống được cách nhiệt hoàn toàn, được che chắn hoàn toàn với lớp cách nhiệt epoxy đúc chân không và dây dẫn bằng đồng không chứa oxy, phù hợp với các trạm biến áp 10–35 kV và phân phối trong nhà. Xem sản phẩm →

Trong các trạm biến áp và nhà máy hóa chất ven biển, tổ hợp mà chúng tôi xây dựng thường xuyên nhất là thanh cái hình ống bằng hợp kim nhôm với lớp cách điện đúc và chuyển tiếp lưỡng kim được mạ ở các đầu nối bằng đồng: giá thành và trọng lượng của nhôm, với chất hóa học chung được di chuyển bên trong một vỏ bọc kín.

Danh sách kiểm tra lựa chọn thực tế

Hãy giải quyết những vấn đề này trước khi ấn định báo giá. Mỗi mục có thể tự lựa chọn.

Độ khuếch đại sau khi giảm định mức cho nhiệt độ môi trường, độ cao và thông gió bao vây.
Khả năng chịu ngắn mạch: dòng điện cực đại và I2t nhiệt tại thời điểm bù trừ thực tế.
Đường bao không gian: chiều rộng, chiều cao và bán kính uốn cong có sẵn dọc theo tuyến đường.
Vật liệu đầu cuối ở cả hai đầu, bao gồm các kết nối máy biến áp và máy phát điện.
Hóa học tại chỗ: clorua, amoniac, hydro sunfua, độ ẩm và chu trình ngưng tụ.
Cấu hình tải: liên tục hoặc theo chu kỳ, vì đạp xe khiến các khớp nhôm khó hơn.
Giới hạn trọng lượng đối với thép, kết cấu mái hoặc khung đỡ hiện có.
Ai sẽ vặn lại các khớp, bằng dụng cụ nào và tần suất như thế nào.
Các thử nghiệm điển hình có thể áp dụng, ví dụ như loạt tiêu chuẩn IEC 61439 cho hệ thống thanh cái.
Chi phí vòng đời từ 20 đến 25 năm, bao gồm tổn thất, bảo trì và bao bọc.

Đối với bảng phân phối điện áp trung bình hoặc hạ thế thay vì chạy dạng ống, hướng dẫn này dành cho lựa chọn thanh cái phù hợp cho hệ thống trung và hạ thế theo cùng một trình tự từng bước.

Câu hỏi thường gặp

Nhôm có thể mang dòng điện giống như đồng không?

Không cùng mặt cắt. Ở mức 61% IACS, nhôm cần diện tích gấp khoảng 1,5 đến 1,6 lần để có cùng mức tăng nhiệt độ. Đã kiểm tra kích thước và loại theo đánh giá đó, nó hoạt động chính xác; sự khác biệt thể hiện ở kích thước và trọng lượng chứ không phải là sự thỏa hiệp về nguyên tắc.

Đồng và nhôm có thể được bắt vít trực tiếp với nhau không?

Các khớp khô trực tiếp là một điểm yếu được biết đến. Hai kim loại nằm cách xa nhau trong dãy điện, do đó, bất kỳ màng ẩm nào cũng gây ra sự ăn mòn điện hóa của nhôm. Sử dụng các chuyển tiếp lưỡng kim được mạ hoặc bề mặt tiếp xúc mạ thiếc với hợp chất chống oxy hóa, được giữ khô và có thể tiếp cận để kiểm tra.

Kim loại nào tốt hơn ở mức độ lỗi cao?

Đồng. Ở tiết diện bằng nhau, nó hấp thụ khoảng 2,3 lần I2t trước khi đạt đến nhiệt độ giới hạn. Trong các trạm biến áp có sự cố cao cần mở rộng phần nhôm hoặc sử dụng đồng để trở thành giải pháp tổng thể rẻ hơn.

Thanh cái bằng nhôm có cần bảo trì thêm không?

Các mối nối bắt vít của nó cần có lịch trình tái mô-men xoắn được ghi lại, đặc biệt là sau các chu kỳ nhiệt đầu tiên. Các thiết kế đúc và cách điện hoàn toàn làm giảm đáng kể điều này vì dây dẫn được bịt kín và các mối nối được thiết kế thay vì chuẩn bị sẵn tại hiện trường.

Không có kim loại nào chiến thắng trên toàn cầu. Đồng mua lại độ nén, khả năng chịu lỗi và các mối nối có thể dự đoán được. Nhôm mua chi phí và trọng lượng, miễn là các mối nối, độ giãn nở và môi trường được thiết kế thay vì giả định. Trước tiên, hãy so sánh độ khuếch đại, mức độ lỗi, không gian và tính chất hóa học của địa điểm, sau đó chạy so sánh giá trên thiết kế cuối cùng thay vì bản phác thảo đầu tiên.

Nếu bạn đang cân hai vật liệu cho một dự án cụ thể và cần tính toán chi tiết mặt cắt, loại cách nhiệt và chuyển tiếp, nhóm kỹ thuật của chúng tôi có thể tính toán cùng bạn. Gửi cho chúng tôi nhiệm vụ và điều kiện địa điểm và chúng tôi sẽ trả lại một bản so sánh có kích thước thay vì một trang danh mục.