1. Waarom aluminium gebruiken om koper te vervangen?

In de energie- en elektrotechniek biedt het vervangen van koperen geleiders door aluminium geleiders aanzienlijke voordelen bij stroomtransmissie over lange afstanden, geleiders met grote doorsnede, lichtgewicht ontwerp en kostengevoelige projecten. Hoewel koper een veel hogere elektrische geleidbaarheid heeft dan aluminium, zijn er dwingende redenen om aluminium geleiders te gebruiken:

(1) Lagere kosten
Op basis van de huidige spotprijzen op de binnenlandse metaalmarkt wordt koper geprijsd op ongeveer 97.000-98.000 yuan per ton (98 yuan per kilogram), terwijl aluminium ongeveer 20.000 yuan per ton (20 yuan per kilogram) kost.

Dit betekent dat de materiaalkosten van aluminium geleiders grofweg een vijfde bedragen van die van koper, wat een duidelijk kostenvoordeel oplevert voor aluminium bij grootschalige energietransmissie en projecttoepassingen (hoewel de werkelijke kosten iets hoger kunnen zijn vanwege de lagere geleidbaarheid van aluminium, die slechts 61% bedraagt ​​van die van koper).

(2) Lichtgewicht
Aluminium heeft een dichtheid die ongeveer de helft is van die van koper, wat betekent dat aluminium geleiders lichter zijn bij dezelfde lengte en doorsnede. Dit resulteert in:

• Lagere transportkosten
• Gemakkelijkere installatie
• Minder eisen aan ondersteunende constructies en lastontwerp

Dit maakt aluminium bijzonder geschikt voor toepassingen met hoge lichtgewichteisen, zoals bovengrondse elektriciteitsleidingen, voertuigen en schepen.

(3) Betere corrosiebestendigheid
Aluminium vormt van nature een dichte oxidelaag op het oppervlak, waardoor het in veel omgevingen een betere corrosieweerstand biedt dan blank koper. In vochtige, zoute of soortgelijke omstandigheden vertonen aluminium geleiders een grotere duurzaamheid.

(4) Geschiktheid voor omgevingen met hoge temperaturen
Aluminium geleiders ervaren een relatief geleidelijke toename van de weerstand naarmate de temperatuur stijgt, waardoor stabiele geleidende prestaties binnen bepaalde temperatuurbereiken behouden blijven. Dit verbetert de betrouwbaarheid onder bedrijfsomstandigheden bij hoge temperaturen.

2. Basiskenmerken van aluminium geleiders

Vergeleken met koperen geleiders ligt het grootste verschil bij aluminium geleiders in hun elektrische geleidbaarheid.

Aluminium heeft ongeveer 61% van de elektrische geleidbaarheid van koper, wat betekent dat aluminium geleiders een lager stroomvoerend vermogen hebben voor hetzelfde dwarsdoorsnedeoppervlak. Daarom moeten aluminium geleiders in toepassingen die een hogere stroom vereisen hun dwarsdoorsnede vergroten om dit te compenseren.

De dichtheid van aluminium is slechts ongeveer de helft van die van koper, waardoor aluminium geleiders een aanzienlijk gewichtsvoordeel hebben, vooral in toepassingen waarbij een lichtgewicht ontwerp van cruciaal belang is.

Bovendien vertoont aluminium een ​​betere corrosieweerstand dan koper, vooral in vochtige of ruwe omgevingen, waar aluminium geleiders een grotere duurzaamheid kunnen bieden.

Elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid

Bij materiaalkeuze zijn elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid twee belangrijke prestatie-indicatoren. Zoals geïllustreerd in de onderstaande figuur, vertonen aluminiumlegeringen een relatief hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. Hoewel ze niet zo hoog zijn als die van koper, zijn hun prestaties voldoende in vergelijking met andere veelgebruikte metalen.

Koperlegeringen (rechtsboven in de grafiek) bieden de beste combinatie van elektrische en thermische geleidbaarheid.

Aluminiumlegeringen volgen op de voet, met een matige elektrische geleidbaarheid en een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor toepassingen waarbij warmteafvoer vereist is.

Op gebieden als krachtoverbrenging met grote dwarsdoorsneden en lichtgewicht ontwerp blijft aluminium aanzienlijke praktische waarde vertonen.

3. Toepassingen van aluminium geleiders

Aluminium geleiders worden op grote schaal toegepast, vooral in toepassingen die grote dwarsdoorsneden en transmissie over lange afstanden vereisen, zoals hoogspanningstransmissie, distributiesystemen, accurails voor elektrische voertuigen, transformatoren en verschillende soorten kabels.

(a) Hoogspanningstransmissie
Aluminium geleiders worden gebruikt in hoogspanningstransmissielijnen om grootschalige stroomafgifte te ondersteunen, waarbij gebruik wordt gemaakt van hun lichtgewicht karakter en kosteneffectiviteit voor het overbruggen van lange afstanden.

(b) Hoogspanningsrails
Aluminium geleiders worden gebruikt in hoogspanningsrails en bieden voordelen op het gebied van gewichtsvermindering, thermische prestaties en algehele systeemefficiëntie in onderstations en stroomdistributieopstellingen.

(c) Batterijrails voor elektrische voertuigen
In elektrische voertuigen, vooral in batterijsystemen, zorgen aluminium geleiders voor een uitgebalanceerde combinatie van goede elektrische geleiding en corrosieweerstand, wat bijdraagt ​​aan een lichtere en efficiëntere energiedistributie.

(d) Transformatoren
Transformatoren met aluminiumwikkelingen helpen het totale gewicht en de kosten van de apparatuur te verminderen, terwijl betrouwbare prestaties bij stroomconversie- en distributietoepassingen behouden blijven.

(e) Kabelontwerp
Aluminium geleiders worden gebruikt in hoogspanningskabels en kabels voor speciale doeleinden, waar ze uitstekende elektrische geleidbaarheid en warmteafvoereigenschappen vertonen, waardoor ze geschikt zijn voor veeleisende elektrische infrastructuur.

4. Factoren die de prestaties van aluminium geleiders beïnvloeden

De belangrijkste factoren die de prestaties van aluminium geleiders beïnvloeden, zijn onder meer:

(1) Materiaallegering
Door elementen als magnesium en silicium toe te voegen, kunnen de mechanische sterkte en geleidbaarheid van aluminiumlegeringen worden verbeterd. Dit kan echter de elektrische geleidbaarheid enigszins verminderen.

(2) Beheer van temperatuurstijging en warmteafvoer
Aluminium geleiders hebben een hogere weerstand dan koper, wat leidt tot een grotere temperatuurstijging onder dezelfde huidige omstandigheden. Om veroudering en defecten als gevolg van overmatige hitte te voorkomen, vereisen het ontwerp van thermisch beheer en warmteafvoer speciale aandacht.

(3) Milieu-impact
Vochtigheid en corrosieve omgevingen kunnen galvanische corrosie in aluminium geleiders versnellen, vooral wanneer aluminium in contact komt met andere metalen zoals koper. Om de duurzaamheid onder zware omstandigheden te verbeteren, kunnen corrosiebestendige aluminiumlegeringen of geschikte oppervlaktecoatings worden gebruikt.

(4) Mechanische spanning en vermoeidheid
Aluminium heeft een relatief lage mechanische sterkte en is gevoelig voor vermoeiingsbreuk of plastische vervorming (bijvoorbeeld doorzakken of verlenging van draden) onder hoogfrequente trillingen of overbelasting. Deze factoren moeten tijdens het ontwerp zorgvuldig worden overwogen.

5. Faalwijzen van aluminium geleiders

(1) Galvanische corrosie
In vochtige of corrosieve omgevingen, wanneer aluminium in contact komt met andere metalen (zoals koper), kan galvanische corrosie optreden, wat leidt tot versnelde corrosie van de geleider.

(2) Thermische vermoeidheid
Vanwege de relatief hoge temperatuurstijging van aluminium geleiders kunnen langdurige thermische cycli leiden tot vermoeidheidsfalen. Met name onder omstandigheden waarbij de thermische uitzetting niet overeenkomt, kunnen scheuren of delaminatie optreden bij grensvlakken.

(3) Mechanische vermoeidheid en slecht contact
Bij langdurig gebruik kunnen aluminium geleiders vermoeiingsscheuren ontwikkelen, vooral bij verbindingen of soldeerpunten. Deze scheuren kunnen resulteren in slecht elektrisch contact en verhoogde weerstand, wat uiteindelijk de prestaties en veiligheid kan beïnvloeden.

Conclusie
Lichtgewicht, lage kosten en sterke corrosieweerstand zijn de belangrijkste voordelen van aluminium geleiders. Door technieken als legering en microstructuuroptimalisatie kunnen de elektrische en mechanische prestaties van aluminium geleiders effectief worden verbeterd. Ontwerpoverwegingen moeten echter nog steeds rekening houden met uitdagingen zoals temperatuurstijging, mechanische eigenschappen en faalwijzen om betrouwbaarheid en prestaties op de lange termijn in praktische toepassingen te garanderen.