¿Cuál es la diferencia entre aluminio y cobre en aplicaciones eléctricas?

Obviamente, hay que tener en cuenta las diferencias de propiedad de los materiales, como la capacidad, el peso y el costo entre el aluminio (Al) y el cobre (Cu) para una aplicación eléctrica.

El Aluminio (Al) era más frecuente en el pasado para productos como bus de barras, fusibles y cortacircuitos. Sin embargo últimamente, algunos diseñadores han cambiado componentes de Al a Cu (Cobre). Hoy, debido a la estabilidad de costos y el revestimiento, algunos diseñadores están volviendo a la normalidad osea a utilizar Aluminio.

Materiales

Pueden surgir conceptos erróneos sobre las propiedades entre Al y Cu debido a los diferentes grados de metales utilizados en diferentes aplicaciones eléctricas. El Cu (Cobre) utilizado en cables y equipos eléctricos es nominalmente puro.

El Aluminio Puro, sin embargo, a menudo no es lo suficientemente fuerte para aplicaciones eléctricas. Además, tenga en cuenta que las diferentes aleaciones han cambiado con el tiempo, debido a las aplicaciones en evolución.

Las diferentes propiedades de aleación de Aluminio también están cambiando, dependiendo del procesamiento. Por ejemplo, Al 6101 es más fuerte que Al 1350. Sin embargo, el tratamiento térmico Al6101 lo endurece y mejora su resistencia. Los diferentes grados de metales, como Al 6101 y Al 1350, variarán en las comparaciones con Cu. Durante el proceso de diseño, es esencial tener las propiedades del material específico utilizado.

Propiedades del Cobre y aluminio.

El peso, la capacidad eléctrica y el costo son consideraciones importantes cuando se selecciona Al o Cu para una aplicación eléctrica. Sin embargo existen otros factores también importantes, por ejemplo, la resistencia en los conectores eléctricos puede aumentar o disminuir ademas de la expansión de un material.

Cuando una conexión se somete a ciclos térmicos, la expansión puede aumentar la fuerza de sujeción que puede deformar los puntos de contacto y promover la fluencia en los materiales. Esta será una preocupación mayor con Aluminio porque su coeficiente de expansión térmica, dependiendo de la aleación, es aproximadamente 42% mayor que Cu, pero el Al puede disipar el calor más rápido.

Aprovechando el menor módulo de elasticidad desde la década de 1990, las barras extruidas de bus de Aluminio han aumentado la superficie, lo que ayuda a mantener bajas las temperaturas. Al diseñar en cualquiera de los materiales, es importante que las conexiones sean robustas para evitar una conectividad deficiente a lo largo del tiempo, debido a la deformación de la expansión térmica, así como a la fluencia.

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Un error común es tener en cuenta que el Aluminio es suave y se deba usar conectores de compresión. Sin embargo, con algunos cambios de diseño y chapado, ya no se requieren conectores de presión mecánica ni conectores de compresión. En algunos casos, las aleaciones o el procesamiento se utilizan para hacer que el aluminio esté a la par del Cu.

El Aluminio puede requerir un recubrimiento para reducir la oxidación ya que esto puede afectar la conexión, incluso una conexión Al a Al. Además, el recubrimiento a menudo incluye estaño o plata. Estos materiales reducen la corrosión en el Aluminio y Cu, ya que son propensos a la oxidación cuando se exponen a la atmósfera.

La corrosión también es un problema cuando hay dos metales diferentes en un sistema. el Aluminio reaccionará electroquímicamente con el Cu si se introduce humedad (humedad que actuaría como un electrolito). Las abrazaderas del cable Al a Cu son conectores que han sido soldados por fricción y encapsulados para evitar que la corrosión dañe una conexión de Al a Cu.

Las conexiones adecuadas son importantes, ya que el desgaste corrosivo también es una preocupación. Al y Cu son metales compatibles, por lo que el contacto puede crear una unión que puede promover el desgaste. Aunque el desgaste corrosivo es más un problema para las piezas que se mueven, un técnico puede necesitar más tiempo en el campo si los cables se quedan pegados a la barra colectora.

Peso y capacidad eléctrica del cobre y aluminio.

Posiblemente, la principal propiedad del material para decidir entre usar Al o Cu en una aplicación eléctrica es su capacidad de conducción.

El cobre (Cu) ofrece una mejor capacidad eléctrica por volumen. Sin embargo, el Alumino tiene una mejor capacidad por peso. Según Uwe Schenk, gerente de segmento global de Helukabel , «como materia prima, el Al es aproximadamente un 70% más ligero que Cu. Para los cables, el Aluminio puede ser hasta un 60% más liviano que el cable con capacidad de corriente comparable de cobre «

El peso no es una relación directa ya que se necesita más Aluminio (Al) para igualar la capacidad de Cu. Al lleva aproximadamente la mitad de la capacidad del Cu (56% en Al6101). La diferencia en la relación peso / capacidad eléctrica significa, en general, que una libra de Aluminio tiene una conductividad eléctrica igual a 1.85 libras de Cu.

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Por ejemplo, una barra colectora de Cu podría pesar alrededor de 550 lb., mientras que la misma barra colectora en Aluminio sería de aproximadamente 300 lb. Reducir el peso puede ayudar al envío o incluso al costo de mano de obra.

Otras Consideraciones al comparar aluminio y cobre (Al vs Cu)

Aunque el trabajo de instalación y manejo no es una propiedad del material, sí afecta el costo. Algunos proyectos pueden ser más rentables si se puede reducir el peso, ya sea que esto se traduzca en gastos de envío, instalación u otros costos.

Sin embargo, esto puede no ser mejor en todas las aplicaciones. Considere el diámetro agregado en un cable de Aluminio para que coincida con la capacidad de Cobre (Cu). El Código Eléctrico Nacional (NEC) da reglas sobre cuánto son los maximo cables para llenar un conducto.

Hay más reglas que esto, pero, en general, cuando se trata de tres o más cables, el llenado de la tubería debe ser del 40% o menos. Sin embargo, el Artículo 501 de NEC dice que si el conducto está en ubicaciones peligrosas, solo se acepta el 25% de llenado o menos. Esto significa que el aumento del tamaño de Aluminio puede aumentar el costo de la mano de obra para el conducto adicional o más grande que ahora se necesita ejecutar para satisfacer la NEC.

Para un ejemplo general, si se cambia del cable 14 AWG de Cu a Al, el tamaño del cable se aumenta a 12 AWG lo cual reducirá la cantidad máxima de cables permitidos en un conducto de ¼ de pulgada (máximo llenado: Cu = seis cables, Al = tres cables al 40% de llenado).

Si esta aplicación necesita cuatro cables, puede reducir el relleno utilizando dos piezas de conducto o un tamaño mayor, que utilizará más energía para doblar, materiales e instalación. Cualquiera de estas soluciones podría aumentar la mano de obra y lo materiales en la instalación.

Ha habido otros problemas con el Aluminio en componentes eléctricos. Históricamente, el Aluminiio era frecuente usado en conmutadores (fusibles e interruptores automáticos).

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Desafortunadamente, en el pasado, la soldadura a menudo era necesaria para sujetar los interruptores. El Aluminio soldado en el campo puede haber sido lo que impulsó a los diseñadores a cambiar a Cobre (Cu). Desde esta vez, han ofrecido barras colectoras con orificios o ranuras en forma de cola de milano que permiten una instalación más fácil y no tienen que soldarse necesariamente.

A pesar de abordar estos procesos, los fabricantes como GE informaron que muchos clientes comenzaron a solicitar barras de bus Cu en vez de Aluminio (Al). Los fabricantes producirán según el orden de los diseñadores, por lo que el Cu se produjo en mayor volumen. Algunos de los problemas pasados ​​del  Alumiinio, aunque corregidos, le dieron impulso a la fabricación de Cu.

A pesar de esta tendencia, el costo y la planificación siguen siendo factores clave al estimar proyectos. El Aluminio es el tercer material más abundante en la corteza terrestre, mientras que Cu es el 26. Esto tiene precios de Cu que fluctúan mientras que el costo del Aluminio es más estable.

Si un diseñador está planeando un proyecto a largo plazo o futuro, los precios del Cu pueden ser difíciles de predecir. Si los precios del Cu se vuelven más altos de lo proyectado, puede dañar o incluso llevar a la bancarrota un proyecto. Esta es una de las razones por las cuales los grandes proyectos eólicos han estado usando Aluminio.

A menudo planifican durante largos periodos de tiempo que necesitan un precio estable para obtener estimaciones precisas. Además, las turbinas de viento pueden tener hasta 328 pies de alto y usar un cable de gran calibre para transmitir electricidad al suelo. Reducir el peso de un cable, como este para transmisión de energia, podría ayudar a reducir los soportes y tensiones innecesarias en los conectores, y facilitar su instalación.

Los proyectos grandes que requieren cantidades masivas de cableado pueden encontrar que el Aluminio es rentable. Al escribir estas líneas, el NASDAQ muestra Cu a $ 2.14 / lb. y Al a $ 0.73 / lb. (3/16). Como el costo es un factor determinante, sin negar lo anterior, si un aumento de tamaño no es una preocupación y se necesita una gran cantidad de él, el Aluminio podría ser una mejor opción que el cobre.