Stromschienen aus Aluminium und Kupfer: Was ist die beste Wahl?

Mit den eskalierenden Preisen für Elektrolytkupfermaterialien sind die Kosten für Kupferschienen und elektrische Verteilungssysteme in technischen Projekten erheblich gestiegen. Während Kupferschienen derzeit den Markt dominieren, gibt es eine wachsende Nachfrage nach kostengünstigen Alternativen, die eine vergleichbare Leistung bieten.

Aluminium-Sammelschienen haben sich als äußerst praktikable Lösung erwiesen, da sie hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften zu erheblich niedrigeren Kosten bieten. Diese Stromschienen stellen eine überzeugende Alternative für Ingenieure und Projektmanager dar, die Kosten optimieren wollen, ohne die Zuverlässigkeit oder Effizienz des Systems zu beeinträchtigen.

Derzeit liegt der Stückpreis von Aluminiumsammelschienen etwa 50% unter dem von Kupfer, was sie zu einer attraktiven Option für eine erhebliche Kostenreduzierung in elektrischen Verteilungssystemen macht. Dieser Preisunterschied ist besonders bei Großprojekten von Bedeutung, bei denen die Gesamtlänge der Stromschienen sehr groß sein kann.

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die Wahl zwischen Kupfer- und Aluminiumschienen nicht allein auf den Kosten basieren sollte. Faktoren wie Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Gewicht und spezifische Anwendungsanforderungen müssen sorgfältig berücksichtigt werden. Die geringere Leitfähigkeit von Aluminium im Vergleich zu Kupfer (etwa 61% der Leitfähigkeit von Kupfer) wird oft durch einen größeren Querschnitt ausgeglichen, was immer noch zu Kosteneinsparungen führen kann.

Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse der Leistung unserer Aluminiumsammelschienen und beschreibt ihre elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Wir werden untersuchen, wie diese Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Kupferschienen sind und die spezifischen Anwendungen diskutieren, bei denen Aluminiumschienen sich auszeichnen. Am Ende dieses Überblicks werden die Benutzer ein gründliches Verständnis der Vorteile und Überlegungen haben, die mit dem Einsatz von Aluminiumschienen in ihren elektrischen Systemen verbunden sind.

I. Analyse der Leitfähigkeit von Aluminiumschienen

Unsere Kupfersammelschienen weisen eine außergewöhnliche Leitfähigkeit von 99,98% auf und übertreffen damit deutlich den Industriestandard von 52% bis 85%. Diese hervorragende Leitfähigkeit gewährleistet eine optimale elektrische Leistung und Energieeffizienz in Stromverteilungssystemen.

Um die Sicherheit und die Strombelastbarkeit weiter zu verbessern, weisen unsere Stromschienen einen vergrößerten Querschnitt auf. Diese Designentscheidung verbessert nicht nur das Wärmemanagement, sondern bietet auch einen höheren Sicherheitsfaktor, der für Hochstromanwendungen entscheidend ist.

In Anbetracht der wirtschaftlichen und gewichtsbezogenen Erwägungen bei bestimmten Projekten bieten wir Aluminiumschienen als kostengünstige Alternative an. Diese Aluminiumvarianten weisen eine Leitfähigkeit von ≥61% auf, die zwar niedriger ist als die unserer Kupfervarianten, aber mit einigen marktüblichen Kupferschienen vergleichbar ist. Um die inhärent geringere Leitfähigkeit von Aluminium auszugleichen, haben wir die Querschnittsfläche dieser Stromschienen proportional vergrößert.

Dieses strategische Design stellt sicher, dass die Strombelastbarkeit und die allgemeine Sicherheitsleistung unserer Aluminiumschienen auf dem gleichen Niveau liegen wie die ihrer Gegenstücke aus Kupfer. Die vergrößerte Querschnittsfläche erhält nicht nur die elektrische Effizienz, sondern verbessert auch die Wärmeableitung, die für die langfristige Zuverlässigkeit elektrischer Systeme entscheidend ist.

Durch das Angebot von hochleitfähigem Kupfer und optimiertem Aluminium bieten wir vielseitige Lösungen für unterschiedliche Projektanforderungen, die Leistung, Kosten und Gewicht in Einklang bringen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit oder elektrischen Effizienz einzugehen.

II. Analyse der Stromdichte von Aluminiumschienen

Vergleich der Stromdichte zwischen Aluminium- und Kupferleitern (Einheit: A/mm²)

Analyse des Laststroms unter Gleichgewichtsbedingungen:

Die Dichte von Aluminium beträgt 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter, während die von Kupfer 8,9 Gramm pro Kubikzentimeter beträgt.

Die Dichte von Kupfer ist etwa 3,3-mal so hoch wie die von Aluminium. Daher ist der Laststrom von Aluminium bei gleichem Gewicht deutlich höher als der von Kupfer.

In einem Szenario mit 1600 A beträgt der Laststrom von Aluminium pro Gewichtseinheit beispielsweise das 2,67-fache von Kupfer. Dadurch wird das Gewicht der Stromschiene erheblich reduziert, was sich positiv auf die Belastung des Gebäudes auswirkt und die Installation im Bauwesen erleichtert.

III. Analyse der Impedanz

Die Impedanzwerte für Aluminium- oder Kupferleiter des Typs H-P, die für 3-Phasen-Wechselstrom mit 50 Hz oder 60 Hz verwendet werden, sind wie folgt:

Einheit: ×10^-4Ω/m

Nimmt man 1600A als Beispiel, so ist die Impedanz von Kupfer R: 0,282, X: 0,129, Z: 0,311.

Die Impedanz von Aluminium ist: R: 0,360, X: 0,107, Z: 0,375. Einheit: (10^-4Ω/m).

Wie man sieht, ist die Impedanz von Aluminium und Kupfer fast identisch. Eine niedrige Impedanz kann die Übertragungsdistanz erhöhen und die Übertragung effektiver Signale verbessern.

IV. Analyse des Spannungsabfalls

Was den Spannungsabfall betrifft, so ist der Spannungsabfall von Kupfer und Aluminium wird nach der folgenden Formel berechnet:

Berechnung des Spannungsabfalls △V = √3 I (Rcosφ+Xsinφ)

• △V: Spannungsabfall von Leitung zu Leitung (V/m)
• I: Laststrom (A)
• cosφ: Leistungsfaktor der Last
• sinφ: √1- cos2φ
• R: Wechselstromwiderstand unter Laststrom (Ω/m)

R=R₉₅×(1+α{55×I/I₀+20}²/1+75α)

• R95: Angaben in der Impedanzwerttabelle. (10^-4Ω/m)
• α: Widerstandstemperaturkoeffizient Kupfer: 3,85×10^-3
• Aluminium: 4.00×10^-3
• I₀: Nennstrom (A)
• X: Reaktanz (Ω/m)

Zum Beispiel, wenn cosφ=0,8:

Es ist zu erkennen, dass der Unterschied im Spannungsabfall zwischen Aluminium und Kupfer mit zunehmendem Strom zwar leicht zunimmt, aber nicht sehr groß ist und den normalen Gebrauch nicht beeinträchtigt.

Bei einer Sammelschienenlänge von 100 Metern beträgt der Unterschied zwischen Aluminium und Kupfer für eine 3150-A-Sammelschiene 0,4 V, was praktisch vernachlässigt werden kann. Daher ist die Leistung von Aluminium und Kupfer in Bezug auf den Spannungsabfall im Wesentlichen gleich.

V. Analyse des Temperaturanstiegs

Nach der Zertifizierung durch die Abteilung China Compulsory Certification (CCC) entspricht die Leistung unseres Unternehmens beim Temperaturanstieg der Stromschienen den nationalen Normen und übertrifft diese deutlich:

1600A Stromschiene:
Die nationale Norm schreibt vor, dass der maximal zulässige Temperaturanstieg an der Anschlussstelle ≤70 K beträgt.

• Der höchste Temperaturanstieg unserer Aluminium-Sammelschiene: 49,7 K
• Der höchste Temperaturanstieg unserer Kupfersammelschiene: 43,1 K

3150A Sammelschiene:
Nationale Norm für den maximal zulässigen Temperaturanstieg: ≤70K

• Der höchste Temperaturanstieg unserer Aluminiumsammelschiene: 52,8 K
• Höchster Temperaturanstieg unserer Kupfersammelschiene: 51,5K

5000A Sammelschiene:
Nationale Norm für den maximal zulässigen Temperaturanstieg: ≤70K

• Der höchste Temperaturanstieg unserer Aluminiumsammelschiene: 39,4K
• Der höchste Temperaturanstieg unserer Kupfersammelschiene: 38,2 K

Diese Daten zeigen, dass unsere Stromschienen nicht nur die nationalen Normen erfüllen, sondern diese sogar deutlich übertreffen, da die Temperaturerhöhung weit unter den maximal zulässigen Werten liegt. Diese überragende Leistung deutet auf ein ausgezeichnetes Wärmemanagement und eine effiziente Stromtragfähigkeit hin.

Eine bemerkenswerte Beobachtung ist der minimale Unterschied im Temperaturanstieg zwischen unseren Kupfer- und Aluminiumsammelschienen, der über alle Stromstärken hinweg nur zwischen 2K und 4K liegt. Dieser geringe Unterschied zeigt die außergewöhnliche Qualität unserer Aluminiumsammelschienen, deren thermische Leistung der von Kupferschienen nahezu gleichwertig ist.

Die Auswirkungen dieser Daten sind erheblich:

1. Unsere Aluminium-Sammelschienen bieten eine vergleichbare thermische Leistung wie Kupfer-Sammelschienen und widerlegen damit die traditionelle Auffassung, dass Aluminium bei elektrischen Anwendungen minderwertig ist.
2. Die thermische Effizienz unserer Aluminiumsammelschienen kann eine kostengünstige Alternative zu Kupfer darstellen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Stromstärke, bei denen die Materialkosten einen wichtigen Faktor darstellen.
3. Der gleichbleibend niedrige Temperaturanstieg über verschiedene Stromstärken hinweg deutet auf ein robustes und skalierbares Sammelschienendesign hin, das sich für eine breite Palette von Stromverteilungssystemen eignet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Aluminiumsammelschienen unseres Unternehmens eine den Kupferschienen ebenbürtige thermische Leistung aufweisen und die Leistung vieler auf dem Markt erhältlicher Kupferschienen übertreffen. Diese Leistung unterstreicht unser Engagement für Innovation und Qualität in der Stromschienentechnologie und bietet unseren Kunden leistungsstarke und kostengünstige Lösungen für ihre Anforderungen in der Stromverteilung.

VI. Analyse des zulässigen Kurzschluss-Überlaststroms

Bei einem Kurzschluss im Stromversorgungskreis ist der Kurzschlussstrom im Kurzschlusskreis um ein Vielfaches bis Hundertfaches höher als der Nennstrom und erreicht oft mehrere tausend Ampere.

Der Kurzschlussstrom, der durch elektrische Geräte und Leiter fließt, erzeugt unweigerlich eine große elektromotorische Kraft, und die Temperatur der Geräte kann stark ansteigen, wodurch die Stromschiene beschädigt werden kann.

Daher muss die Sammelschiene dem von der nationalen Norm geforderten Kurzschlussstrom standhalten.

Nach der CCC-Typenprüfung sind die Testergebnisse der Kurzzeitfestigkeit der Aluminiumsammelschienen unseres Unternehmens in der folgenden Tabelle dargestellt:

Vergleichstabelle der Kurzschlusstestleistung für Kupfer- und Aluminiumsammelschienen

Unser Produkt entspricht vollständig der nationalen Norm GB7251.2-2006. In dieser Hinsicht haben Kupfer- und Aluminiumsammelschienen die gleiche Leistung. Insbesondere wurden unsere Stromschienen in Japan getestet, wo der Teststrom 240KA betrug.

Die Leistung unserer Stromschienen entspricht daher nicht nur den nationalen Normen, sondern übertrifft sie sogar. Sollte also während der Nutzung ein Kurzschluss auftreten, halten unsere Stromschienen auch härteren Tests stand.

VII. Praktische Anwendungen

Trotz seiner weiten Verbreitung in verschiedenen Industriezweigen stellt Aluminium bei der Verwendung als elektrischer Leiter eine besondere Herausforderung dar, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Seine Korrosionsanfälligkeit ergibt sich aus seinen elektrochemischen Eigenschaften und den Wechselwirkungen mit den atmosphärischen Bedingungen. Wenn es feuchter Luft ausgesetzt ist, insbesondere oberhalb der kritischen Luftfeuchtigkeit von 65%, korrodiert Aluminium aufgrund der Bildung von Elektrolyten aus gelösten atmosphärischen Gasen beschleunigt.

Der Korrosionsprozess wird durch galvanische Reaktionen weiter verschärft, wenn Aluminium aufgrund der unterschiedlichen Standard-Elektrodenpotentiale mit anderen Metallen in Kontakt kommt. Darüber hinaus können Verunreinigungen im Aluminium örtlich begrenzte Mikrozellenreaktionen auslösen, die die Integrität des Materials weiter beeinträchtigen. Mit fortschreitender Korrosion bildet sich auf der Aluminiumoberfläche eine Oxidschicht, die zwar in einigen Fällen einen Schutz darstellt, bei elektrischen Anwendungen jedoch problematisch sein kann.

In Stromübertragungssystemen stellt diese Oxidschicht ein erhebliches Risiko dar. Während des Stromflusses kann sie zu einem erhöhten Übergangswiderstand führen, was eine lokale Erwärmung an den Verbindungspunkten zur Folge hat. Dieser thermische Aufbau verringert nicht nur die Energieeffizienz, sondern stellt auch ein Sicherheitsrisiko dar, da er zu Überhitzung, Verbindungsausfällen oder im Extremfall zu elektrischen Bränden führen kann.

Um diese Probleme zu entschärfen und die vorteilhaften Eigenschaften von Aluminium - wie sein geringes Gewicht und seine hervorragende Leitfähigkeit - zu nutzen, wurden fortschrittliche Oberflächenbehandlungsverfahren entwickelt. Unsere Stromschienensysteme verwenden ein spezielles Verzinnungsverfahren, das die inhärenten Einschränkungen von Aluminium als Leiter effektiv angeht. Diese innovative Behandlung schafft eine Schutzbarriere, die:

1. Verhindert den direkten Kontakt von Aluminium mit korrosiven Umgebungen
2. Reduziert den Übergangswiderstand an den Verbindungsstellen
3. Verbessert die langfristige Zuverlässigkeit und Leistungsstabilität
4. Verbessert die Wärmeableitungseigenschaften

Durch die Einführung dieser Verzinnungstechnologie haben wir die Anwendung von Aluminium in Stromübertragungssystemen erfolgreich erweitert und bieten eine kostengünstige und effiziente Alternative zu herkömmlichen Kupferleitern. Dieser Ansatz verlängert nicht nur die Lebensdauer von Aluminiumsammelschienen, sondern sorgt auch für eine sicherere und zuverlässigere Stromverteilung in verschiedenen industriellen und gewerblichen Anwendungen.