Barra colectora de cobre versus barra colectora de aluminio: ampacidad, peso, costo y servicio de falla

Contenido

1 Barra colectora de cobre versus aluminio: las diferencias que cambian los dibujos
2 Conductividad, ampacidad y matemáticas del peso
3 Donde el cobre y el aluminio realmente fallan en el sitio
4 Costo, ciclo de vida y las cifras que los compradores pasan por alto
5 Opciones de diseño que cambian el veredicto
- 5.1 Aleación y temple, no sólo "aluminio"
- 5.2 Aislamiento que sella el conductor.
6 Una lista de verificación de selección práctica
7 Preguntas frecuentes

Una ampliación de vía de bus de 3200 A suele llegar con dos presupuestos y un argumento: la opción de aluminio es más barata y pesa aproximadamente la mitad, mientras que la opción de cobre es más pequeña, coincide con los planos de los tableros aprobados y se comporta como esperan los equipos de mantenimiento.

Aquí está la respuesta corta. El aluminio gana cuando dominan el costo del material, el peso y los tramos largos y rectos y el entorno del sitio es manejable. El cobre gana cuando el espacio es reducido, los niveles de fallas son altos, la química del sitio es agresiva o el equipo en ambos extremos se construyó alrededor de terminales de cobre. La mayoría de los problemas no provienen del metal en sí, sino de detalles de diseño copiados del otro metal.

Barra colectora de cobre versus aluminio: las diferencias que cambian los dibujos

El cobre y el aluminio se diferencian en las formas en que se pueden medir, cotizar y diseñar. Los valores siguientes son los que mueven los dibujos, no los que llenan los libros de texto.

Cobre y aluminio comparados a 20 °C, con las consecuencias prácticas de cada diferencia.
Propiedad	Cobre	Aluminio	Lo que significa en el dibujo.
Conductividad eléctrica	100% SIGC	61% SIGC	Aluminio needs about 1.5 to 1.6 times the cross-section for the same current
Resistividad a 20 °C	1,72 µΩ·cm	2,83 µΩ·cm	Los cálculos de pérdidas y caídas de tensión deben utilizar la sección real.
densidad	8,96 gramos/cm ³	2,70 gramos/cm ³	A igual ampacidad, el aluminio pesa aproximadamente la mitad
Conductividad térmica	401 W/m·K	237 W/m·K	El calor se propaga más lentamente, por lo que el aumento de temperatura debe confirmarse mediante una prueba de tipo.
Expansión lineal	16,5 × 10 ^-6 /K	23 × 10 ^-6 /K	Aluminio moves about 40% more, so long runs need expansion provision
Constante de cortocircuito k (IEC 60949)	226 A·s ^1/2 /mm ²	148 A·s ^1/2 /mm ²	En secciones iguales, el cobre absorbe aproximadamente 2,3 veces el I²t
Óxido superficial	Delgado y conductor	Aislante, se forma en minutos	Aluminio joints need brushing, compound and immediate assembly

Tres filas impulsan la mayoría de las decisiones. Si el ancho de la carcasa ya está fijado, la conductividad decide si el aluminio encaja o no. Si el recorrido es largo y al aire libre, la expansión establece el margen. Si el nivel de falla es alto, la constante de cortocircuito decide si la sección aumenta de tamaño.

Conductividad, ampacidad y matemáticas del peso

La cifra del 61% del IACS a menudo se interpreta erróneamente como "el aluminio transporta el 61% de la corriente". Esto sólo es cierto en secciones idénticas y nadie dimensiona una barra colectora de esa manera.

Una resistencia CC igual necesitaría aproximadamente 1,64 veces el área de aluminio, sin embargo, los diseños probados generalmente se acercan entre 1,5 y 1,6 veces, porque una barra más ancha tiene más superficie de enfriamiento por amperio. El peso sigue entonces la densidad: aproximadamente 1,6 × 2,70 g/cm ³ contra 8,96 g/cm3 ³ , por lo que una barra colectora de aluminio de igual ampacidad transporta aproximadamente la mitad de la masa de cobre.

Índice de propiedad relativo, cobre = 100

Ese ahorro de peso no es cosmético: menos soportes, refuerzos sísmicos más ligeros, menos acero estructural y transporte más barato. La compensación es el volumen. La misma ampacidad en aluminio necesita más espacio, y dentro de un recinto fijo de 600 mm eso solo puede descartar el aluminio antes de que se discuta precio.

Donde el cobre y el aluminio realmente fallan en el sitio

Juntas y capa de óxido.

Al aluminio se le forma un óxido aislante a los pocos minutos de cepillarlo, y esa capa se funde por encima de los 2.000 °C. Una junta que parece apretada puede leerse como de alta resistencia y calentarse bajo carga, por lo que el trabajo en aluminio necesita cepillado bajo compuesto antioxidante, ensamblaje inmediato y torque calibrado. El óxido de cobre es fino y no bloquea la conducción de la misma manera.

Pérdida de torsión y fluencia

El aluminio se arrastra bajo una presión sostenida del perno por encima de aproximadamente 90 a 100 °C en la junta, perdiendo lentamente presión de contacto. Las contramedidas estándar son las arandelas Belleville más un intervalo de reapriete documentado. El cobre es más indulgente aquí, razón por la cual los equipos de mantenimiento con experiencia en cobre se resisten al cambio.

Expansión térmica en tiradas largas

El aluminio se expande aproximadamente un 40% más que el cobre. En un recorrido de 30 m con un giro de 60 K, eso supone aproximadamente 12 mm de movimiento adicional para absorber a través de soportes deslizantes o juntas de expansión. Volver a especificar un diseño de cobre en aluminio sin tocar los soportes suele aparecer como barras pandeadas en la primera temporada de calor.

Energía de falla y temperatura de cortocircuito.

Con constantes adiabáticas de unos 226 A·s ^1/2 /mm ² para el cobre y 148 para el aluminio, una sección transversal idéntica alcanza su temperatura límite en aproximadamente el 43% de la I²t del cobre. O crece la sección de aluminio o se acorta el tiempo de limpieza de la protección. Un estudio de coordinación que ignore esto no está terminado.

Costo, ciclo de vida y las cifras que los compradores pasan por alto

El precio del director es el número que todos citan y la parte más pequeña de la historia. El aluminio cuesta una fracción del cobre por kilogramo y se necesita aproximadamente la mitad de masa a igual ampacidad, por lo que la brecha de materia prima es amplia. En un paquete entregado, el ahorro se reduce una vez que se agregan el recinto más ancho, las juntas más grandes y la mano de obra para preparar las juntas de aluminio adecuadamente.

Dónde se encuentran el dinero y el riesgo en una actualización de 4.000 A (ponderación ilustrativa)

Costo de materiales 35%

Instalación y soportes 20%

Espacio y enrutamiento 15%

Medio ambiente y corrosión 15%

Compatibilidad de terminación 10%

Mantenimiento e inspección 5%

Dos costos se pasan por alto con mayor frecuencia. En primer lugar, la modificación del recinto y del cuadro: si el diseño de aluminio necesita 800 mm, mientras que el cobre incluye 600 mm, la chapa de acero, el enchapado y el flete pueden absorber un tercio del ahorro de conductores. En segundo lugar, el mantenimiento: un programa de reapriete documentado a lo largo de 25 años es un verdadero trabajo, no una nota a pie de página.

Cuando la comparación se realiza a nivel de vía y no a nivel de barras, el conductor deja de ser la variable principal. Un sistema de electroductos de media y baja tensión probado incluye conductores, aislamiento, juntas y provisiones de expansión como un solo conjunto, por lo que el resultado de la prueba de tipo y el diseño de la junta importan más que la aleación.

High and Low Voltage Fully Insulated Busway System

Sistema de electroductos totalmente aislados de alto y bajo voltaje Un conjunto compacto de electroducto totalmente aislado para distribución de media y baja tensión, diseñado en torno a proyectos de rendimiento conjunto, expansión modular y modernización con limitaciones de espacio. Ver producto →

Opciones de diseño que cambian el veredicto

Tres decisiones de diseño acercan mucho más una solución de aluminio al cobre en cuanto a rendimiento y, por lo general, son más baratas que cambiar el metal.

Aleación y temple, no sólo "aluminio"

El grado eléctrico 1350 es suave y se arrastra. Grados como 6101-T6 y aleaciones de magnesio y aluminio ofrecen mayor resistencia a la tracción y rigidez, lo que es importante para tramos tubulares autoportantes que se extienden entre soportes. Especificar "aluminio" simple sin aleación ni temple es la forma en que los proyectos terminan con barras combadas y uniones que pierden torque.

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Barra colectora tubular de aleación de magnesio y aluminio de voltaje ultraalto Una barra colectora tubular de magnesio y aluminio UHV con alta conductividad, largos tramos de soporte y compatibilidad con fundición epoxi o aislamiento de PTFE en estaciones exigentes. Ver producto →

Aislamiento que sella el conductor.

Una barra colectora tubular completamente aislada protege completamente la superficie del conductor del entorno. Las cubiertas de caucho de silicona y EPDM se adaptan a los sistemas instalados en el campo, la fundición de resina epoxi proporciona una estructura sellada rígida para trabajos de clase de 35 kV y se seleccionan cubiertas de PTFE donde conduce la resistencia química. Una vez sellado el aluminio, el argumento de la corrosión del cobre desaparece en gran medida, y lo que queda es ampacidad, energía de falla y espacio.

Barra colectora tubular de fundición de resina epoxi Una barra colectora tubular completamente aislada y blindada con aislamiento de epoxi fundido al vacío y conductores de cobre sin oxígeno, adecuada para subestaciones de 10 a 35 kV y distribución interior. Ver producto →

En subestaciones costeras y plantas químicas, la combinación que construimos con mayor frecuencia es una barra colectora tubular de aleación de aluminio con aislamiento fundido y transiciones bimetálicas chapadas en los terminales de cobre: costo y peso de aluminio, con la química de la junta movida dentro de un sobre sellado.

Una lista de verificación de selección práctica

Resuelva estos antes de que se fije la cotización. Cada elemento puede cambiar la elección por sí solo.

Ampacidad después de la reducción de potencia para temperatura ambiente, altitud y ventilación del recinto.
Resistencia al cortocircuito: corriente de pico e I²t térmica en el tiempo real de limpieza.
Envolvente espacial: ancho, alto y radio de curvatura disponibles a lo largo de la ruta.
Material de terminales en ambos extremos, incluidas conexiones de transformador y generador.
Química del sitio: cloruro, amoniaco, sulfuro de hidrógeno, humedad y ciclos de condensación.
Perfil de carga: continua o cíclica, porque el ciclo castiga con más fuerza las juntas de aluminio.
Límites de peso en acero existente, estructura de techo o marcos de soporte.
Quién volverá a apretar las juntas, con qué herramienta y con qué frecuencia.
Pruebas de tipo aplicables, por ejemplo la serie IEC 61439 para sistemas de canalización prefabricada.
Costo del ciclo de vida de 20 a 25 años, incluidas pérdidas, mantenimiento y cierre.

Para un tablero de distribución de voltaje medio o bajo en lugar de un tramo tubular, esta guía para elegir la barra colectora adecuada para sistemas de media y baja tensión Sigue la misma secuencia paso a paso.

Preguntas frecuentes

¿Puede el aluminio transportar la misma corriente que el cobre?

No en la misma sección transversal. Con un 61% de IACS, el aluminio necesita aproximadamente entre 1,5 y 1,6 veces más área para el mismo aumento de temperatura. Con tamaño y tipo probado según esa calificación, funciona correctamente; la diferencia se manifiesta en tamaño y peso, no como un compromiso en principio.

¿Se pueden atornillar directamente el cobre y el aluminio?

Las juntas secas directas son un punto débil conocido. Los dos metales se encuentran muy separados en la serie galvánica, por lo que cualquier película de humedad provoca corrosión galvánica del aluminio. Utilice transiciones bimetálicas revestidas o interfaces estañadas con compuesto antioxidante, mantenidas secas y accesibles para inspección.

¿Qué metal es mejor en niveles altos de falla?

Cobre. En secciones iguales absorbe aproximadamente 2,3 veces el I²t antes de alcanzar su temperatura límite. En subestaciones con alta falla, esto amplía la sección de aluminio o hace que el cobre sea la solución total más barata.

¿La barra colectora de aluminio necesita más mantenimiento?

Sus uniones atornilladas necesitan un programa de reapriete documentado, especialmente después de los primeros ciclos térmicos. Los diseños fundidos y completamente aislados reducen esto drásticamente, porque el conductor está sellado y las uniones están diseñadas en lugar de preparadas en el campo.

Ningún metal gana universalmente. El cobre adquiere compacidad, tolerancia a fallas y uniones predecibles. El aluminio compra costo y peso, siempre que las juntas, la expansión y el medio ambiente sean diseñados en lugar de asumidos. Primero compare la ampacidad, el nivel de falla, el espacio y la química del sitio, luego ejecute la comparación de precios en el diseño final en lugar del primer boceto.

Si está pesando los dos materiales para un proyecto específico y necesita determinar la sección, el tipo de aislamiento y los detalles de la transición, nuestro equipo de ingeniería puede realizar los cálculos con usted. Envíanos las condiciones del servicio y del sitio. y le devolveremos una comparación de tamaños en lugar de una página de catálogo.