Energibesparelse i forhold til købspris.

På markedet for induktivt viklede varer er der begyndt at dukke en trend op, som går imod energibesparelseskoncepterne i alle større lande – viklinger lavet af aluminium i stedet for kobber. Den store fordel, ud over den lavere vægt, er den relativt meget lavere indkøbspris for aluminium sammenlignet med kobber.

Især i tider med en stærk franc har mange maskin- og anlægsproducenter kun øje for prisen. Energieffektivitet må ikke være interessant under prispres, for så sparer man i den forkerte ende. I mange brancher, f.eks. private medier og husholdningsapparater, kæmper man for høj effektivitet og det lavest mulige standby-tab. I industrisektoren bliver “energistyring” dog alt for ofte udeladt. Eksempler er for små ledningstværsnit, billige afbrydere/kontakter eller “billige” induktive viklinger som transformere, drossler og motorer. Her er det ofte værd at se nærmere på tabene.

Lavere varmetab reducerer designet
Det skyldes, at de direkte energibesparelser ofte kompenserer for den højere startpris inden for 12 til 24 måneder. Desuden er det muligt at opnå indirekte energibesparelser i rum eller styreskabe, hvis de skal ventileres eller klimatiseres. Takket være lavere varmetab er det muligt at opnå yderligere bygningsvolumen og omkostningsbesparelser. I princippet kan tabene ved “billige” induktive viklingsvarer halveres i dag med økonomisk “normale” midler uden at skulle fordoble prisen.

Med undtagelse af sølv har kobber den bedste ledningsevne med γ = 56. Aluminium har på den anden side kun γ = 36. Aluminium følger således med en forskel på ca. 35 procent. Kobber er for eksempel det bedste ædelmetal, og aluminium er “kun” det næstbedste af de teknisk og økonomisk anvendelige ledermaterialer. Derefter ikke mere. Alle andre metaller kan ikke betragtes som ledere af elektricitet, og legeringer har generelt en betydeligt lavere ledningsevne end rene metaller. Sølv og guld er helt udelukket på grund af den høje pris. Aluminium er et let metal med kun omkring 35 procent af kobberets massefylde.

Aluminium giver lavere strømtæthed
For at kunne vikle en tilsvarende transformer med aluminium med hensyn til effektivitet, skal strømtætheden reduceres med omkring 35 procent sammenlignet med kobber. Dette kan opnås ved at forstærke ledertværsnittene tilsvarende. Det betyder, at pladepakkerne og alle mekaniske komponenter skal forstørres. Volumen, vægt og materialeforbrug for hele transformeren øges tilsvarende. Denne situation kan meget vel også resultere i en prisstigning. Besparelserne på ledermaterialet opvejes delvist af dette. Men for at spare omkostninger er transformere bygget med mange kølekanaler for at få temperaturen under kontrol. Mange aluminiumstransformere skal i dag have isoleringsklasse F, H eller mere, fordi varme er et problem. Ligesom at jo højere isoleringsklasse, jo bedre transformer.

Ledermateriale i aluminium sammenlignet med kobber
Aluminium er ret duktilt, men ikke så duktilt som kobber. Den magneto-mekaniske belastning på de enkelte vindinger i en viklet spole stiger enormt med strømtætheden og strømmængden. Du skal forestille dig, at spolen i 50 Hz AC-netværket er belastet med et 100 Hz ur. I den proces bliver viklingen bogstaveligt talt pustet op. Den maksimale trykbelastning på lederen kan være flere N/mm2, selv med små transformere. Det deformerer ledningens tværsnit og kan i værste fald få den til at knække i tilfælde af en længerevarende kortslutning. Dette tages der ofte ikke højde for ved dimensionering af transformeren. Dette problem øges med aluminium sammenlignet med kobber. Desuden begynder de enkelte viklinger at gnide mod hinanden ved 100 Hz, hvilket er skadeligt for isoleringen. Fejlen forbliver ubemærket, indtil viklingen bliver kortsluttet, hvilket kan tage flere år.

Den mekaniske friktion har indflydelse på viklingen.
I tilfælde af en kortslutning vil indsnævringen smelte igennem, hvilket til gengæld kan ske meget lettere end med kobber på grund af aluminiums lavere smeltepunkt og varmeledningsevne, for ikke at nævne tendensen til at danne sådanne indsnævringer, og der vil dannes en lysbue, som udgør en akut brandfare. I forhold til volumen er varmekapaciteten også lavere. Med α = 23,1 har aluminium en ca. 30 procent højere varmeafhængig udvidelseskoefficient end kobber med α = 16,5. Det betyder, at aluminium udvider sig mere, når det opvarmes, hvilket kan medføre, at viklingen mister mere styrke, og at mekanisk friktion får større indflydelse. Der er dog en lille fordel her: I fuldt indkapslede epoxyharpikstransformere har aluminium omtrent den samme udvidelseskoefficient som selve epoxyharpiksen. Dette kan resultere i færre interne viklingsspændinger i tilfælde af enorme temperatur- og belastningsudsving i F- eller H-isoleringssystemet. Når aluminium udsættes for luft, bliver det hurtigt dækket af et hårdt, modstandsdygtigt oxidlag, som ikke leder elektricitet, og som derfor gør det svært at komme i kontakt med det. Der kan opstå overgangsmodstande, som igen kan ende med brandfare.

“Mekanisk” er aluminium problematisk
Aluminium har en tendens til at flyde i lang tid. Materialet giver sig over tid under stærkt pres. På den måde kan oprindeligt faste forbindelser gradvist løsnes. Derfor bør lederender af aluminium altid kontaktes med stramt tilspændte skruekontakter og fjederskiver, men især disse er ofte stadig ikke holdbare. I princippet er fjederkontakter en løsning, men så er oxidlagene et problem igen. I begge tilfælde er der en langsom stigning i kontaktmodstanden og dermed en brandfare. Det eneste, der hjælper her, er lodning eller svejsning over et stort område. Men elektrokemisk kontaktkorrosion mellem aluminium og kobber kan ikke negligeres. Folk forbinder ofte aluminiumstransformere med kobberkabler forkert på grund af uvidenhed. Ellers ville aluminiums eneste rent tekniske domæne være vægten med en massefylde på ~2,7 g/cm³ i modsætning til kobber med ~8,93 g/cm³, hvor pladsbehovet ikke er et kriterium, men så meget desto mere vægten. Det er relevant for luftledninger eller f.eks. transformatorer, som skal være meget lette.

Konklusion
De, der ikke kun vil tage hensyn til den altdominerende pris, men også de livslange omkostninger, bør beskæftige sig mere intensivt med dette emne. Hele systemets effektivitet med hensyn til valg af materialer vil være afgørende for energieffektiviteten i fremtiden, hvis ikke kun økonomiske, geometriske eller funktionelle begrænsninger kræver specielle løsninger. ”

Forfatter:
Frank Hanisch, diplomingeniør i elektroteknik,
Chef for teknologi- og udviklingsafdelingen hos Bächli AG