مقایسه آلومینیوم و مس در هادی‌های الکتریکی
با افزایش قیمت تجهیزات تولیدی و افزایش هزینه‌های ساخت و نگهداری، ضرورت جستجوی یافتن مواد جایگزین برای تولیدکنندگان سیم وکابل که نگرش خاصی به هزینه‌ها دارند ، روزبه‌روز به امری حیاتی مبدل می‌شود. یکی از این مواد جایگزین، یعنی سیستم آلومینیومی، طی سال‌های اخیر در صنایع ساختمانی موردتوجه بسیار واقع‌شده است، خصوصاً اینکه قیمت مس مستمرا”روندی فزاینده داشته ، درحالی‌که بازار آلومینیوم و قیمت آن از اثبات نسبی بیشتری برخوردار بوده است . مسئله قیمت به‌تنهایی دلیل قانع‌کننده‌ای برای این واقعیت است که چرا هادی‌های نسل اخیر آلومینیومی دارای شرایط مناسبی برای عرضه می‌باشند . در زمان بررسی و تحقیق مربوط به این مقاله ( اکتبر سال ۲۰۱۱ ) برای خرید سیم مسی باید تقریباً بین ۲۵ تا ۴۰ درصد بیش از قیمت سیم آلومینیومی پرداخت شود ، بنابراین شگفت‌آور نیست که ملاحظه کنیم تعداد زیادی از مهندسین امکانات و عملکرد سیم‌کشی با کابل آلومینیوم را در دست بررسی قرار دهند.
امروزه ، هادی‌های آلومینیومی در صنعت سیم و کابل به‌طورمعمول و به‌صورت کارا مورداستفاده قرار می‌گیرند و در صنایع ساختمانی به‌طور گسترده کاربرد دارند. هادی‌های آلومینیومی در حال حاضر در بسیاری از کاربردهای صنعتی با موفقیت نصب و مورد بهره‌برداری قرارگرفته‌اند. در کاربردهای خدمات شهری، آلومینیوم نشان داده است که در درازمدت پابرجا بوده و چنین به نظر می‌رسد که عملکرد مستمر قابل‌توجهی در کاربردهای تجاری و بنیادی داشته باشد. از طرفی آلومینیوم در ساختمان‌های بزرگ تجاری به‌طور فزاینده مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. کابل‌های MC (Metal clad) با تغذیه‌کننده‌های آلومینیومی در بسیاری از ساختمان‌ها بلندمرتبه ، استادیوم‌ها ، فروشگاه‌های بزرگ ، ساختمان‌های تجاری ، عملیات بازیابی فاضلاب و وسایل تولید به‌صورت یک کالای اساسی مطرح می‌باشد . پیمانکاران کابل‌های آلومینیومی را در هادی‌های ورودی تأسیسات ، هادی‌های سایز بالا، و هادی‌های توزیع برق نصب و بهره‌برداری می‌کنند. این کاربردهای متعدد مبین این واقعیت است که گزینش آلومینیوم به معنای “یک موضوع جدید ” نیست و مفید بودن و عملکرد بسیار خوب این فلز در کاربردهای پیشین به اثبات رسیده است.
چون کاربردهای صنعتی همراه با تجارب مهم در عرصه بین‌المللی می‌باشد ، ما در این بررسی به تحقیق پرداخته‌ایم که کاربرد هادی‌های آلومینیومی را به‌عنوان جایگزین مس نشان می‌دهد. ما به کاربران مزیت‌ها، معایب، و برخی از موارد سودمند در زمینه نصب این محصول جایگزین را ارائه می‌کنیم تا به آن‌ها کمک کند تصمیم معقول‌تری در ارتباط بااینکه کدام یک از این فلزات نیازهای مربوط به تجهیزاتشان را برآورده می‌سازد، اتخاذ نمایند.
چرا آلومینیوم ممکن است انتخاب مناسبی برای تأسیسات شما باشد.
صرفه اقتصادی
هر فعال تجاری سعی بر آن دارد تا برای کار خود به بازگشت سرمایه مناسبی دست یابد، اما این موضوع با توجه به شرایط قیمت‌گذاری کنونی مواد اولیه همواره چالش‌برانگیز است. مزیت آشکار در انتخاب آلومینیوم به‌عنوان هادی همانا صرفه‌جویی اقتصادی آن به خاطر قیمت های کمتر مواد اولیه است. این میزان صرفه‌جویی درصورتی‌که آلومینیوم در همه کاربردهای ممکن بهره‌برداری شود، می‌تواند به حدود ۷۰ درصد نیز برسد. یکی از شرکت‌های مهندسی مطالعه ارزشمندی در زمینه مقایسه قیمت برای مشتریان انجام داده و به این نتیجه دست‌یافته است که کل هزینه سیم‌کشی آلومینیوم بین ۲۵ تا ۳۰ درصد کمتر است اگر مصرف‌کننده فقط در نظر داشته باشد که از مس استفاده کند. نه‌تنها قیمت آلومینیوم به میزان قابل‌توجهی کمتر از قیمت مس است، بلکه قیمت‌گذاری در بازار آلومینیوم از ثبات بیشتری نیز برخوردار است. باید توجه نمود که در حال حاضر قیمت آلومینیوم رو به رشد است، ولی در مقایسه با بازار مس که نوسان شدیدتری دارد، قیمت آلومینیوم با روندی یکنواخت و درصد بسیار کم رشد می‌یابد. در حال حاضر افزایش بی‌سابقه‌ای را در قیمت مس تجربه کرده‌ایم (افزایش قابل‌توجه ۸۵ درصدی طی سال گذشته – توجه کنید که سال مطالعه ۲۰۱۱ میلادی است) ، این ارتقاء عظیم در قیمت، اولویت و اهمیت نیاز برای تحقیقات یکپارچه برای موضوع دستیابی به هادی‌های جایگزین را دوچندان می‌سازد.
پیشرفت‌های طراحی فنی
بسیاری از گفته‌های “وحشتناک ” در سابقه به‌کارگیری آلومینیوم را می‌توان به مسایل مربوط به طراحی فنی آلیاژهای پیشین آن نسبت داد که امروزه با طراحی بهتر محصول این مشکلات از بین رفته است ، همچنین می‌توان برخی از این مشکلات را به کیفیت نصب مربوط دانست. در سال‌های گذشته، هنگام قرار دادن سیم‌های سایر پایین آلومینیوم توسط نصاب‌ها در ترمینال‌های دارای ویژگی انبساطی متفاوتی که برای کاربرد موردنظر مناسب نبودند، مثلاً به‌کارگیری پیچ‌های فولادی در وسایل سیم کشی امکان بروز عیب در کابل‌های آلومینیومی وجود داشت. متأسفانه، بسیاری از کاربران از پیشرفت‌های انجام‌شده در طراحی آلومینیوم و نصب آن اطلاع چندانی ندارند و برداشت‌های بدبینانه از این محصول کماکان ادامه دارد.
یکی از بهبودهای مهم در این محصول همانا افزایش کیفیت در ویژگی‌های فیزیکی (ناشی ازبهبود در ساختار شیمیایی) آلومینیوم است. آلیاژهایی که امروزه در هادی‌های آلومینیومی به کار می‌رود همگی واجد این خواص فیزیکی بهبودیافته می‌باشند و از طرفی بسیاری از مشکلات قبلی مربوط به هادی‌های آلومینیوم در آن‌ها رفع گردیده است. آلومینیم سری ۸۰۰۰ جدیدترین آلیاژهای مورد مصرف می‌باشد ، درحالی‌که آلیاژهای پیشین بخشی از مجموعه سری آلیاژهای ۱۳۰۵ را شامل می‌شد . علاوه بر آلومینیوم‌های سری ۸۰۰۰ ، گزینه‌های مناسب دیگری نیز برای انتخاب وجود دارند. همه این آلیاژهای جدید ، خصوصاً سری ۸۰۰۰ دارای خواص بهتری ازنظر هدایت الکتریکی، مقاومت در برابر خزش، استحکام و کارآیی در مقایسه با آلیاژهای قبلی آلومینیوم می‌باشند. از طرفی یکی از ویژگی‌های ذاتی هادی‌های آلومینیومی این است که در هدایت الکتریکی یکسان ، وزن آلومینیوم نسبت به مس ۵۰ درصد کمتر است. این امر نتایجی همچون آسان‌تر بودن نصب آن در ساختمان را در پی خواهد داشت، یعنی مواردی چون خمش و کشیدن کابل، شکل‌دهی کابل در محیط‌های تنگ و غیره در صورت به‌کارگیری کابل آلومینیومی آسان‌تر است.
تأییدیه NEC
یکی از مدارک الزام‌آور برای به‌کارگیری آلومینیوم تأییدیه استاندارد NEC برای استفاده از آن است. بخش ۱۴-۳۱۰ این استاندارد عنوان می‌دارد که هادی‌های آلومینیومی “باید از جنس هادی آلومینیوم آلیاژی الکتریکی سری‌های ۸۰۰۰-AA ساخته‌شده باشند.” بخش نهم استاندارد شامل چندین جدول است که ویژگی‌های هادی‌های آلومینیومی، شامل مقاومت الکتریکی، امپدانس، دمای نامی ، ظرفیت جریان و غیره را ارائه می‌کنند. برای جزئیات بیشتر به جدیدترین نسخه استاندارد NEC (National Electric Code) مراجعه نمایید.
آلومینیوم را کجا می‌توان استفاده کرد.
بررسی‌های مهندسی به کار بردن آلومینیوم از ترانس‌ها تا تابلوی توزیع را در کاربردهای برق‌رسانی ورودی و همچنین نصب هادی‌ها از تابلوهای توزیع به مراکز کنترل موتور در کاربردهای تغذیه برق را توصیه می‌کند. کاربرد بالقوه هادی‌های آلومینیوم از تغذیه‌کننده‌ها به تابلوهای برق نیز میسر است ، مشروط به آنکه ملاحظات مربوط به فضای سربندی در تابلوی برق در نظر گرفته‌شده باشد. یکی از توصیه‌های صنعتی استفاده از سیم‌کشی آلومینیوم در سایزهای حدود ۵۰mm۲ یا بالاتر است، چون در نصب هادی‌های با سایزکمتر افزایش هزینه محتمل‌تر است. این بدان سبب است که سربندی ترمینال‌ها در مدارهای انشعابی به فضای بیشتری نیاز دارد، و همچنین هر دو سربندی آلومینیوم به مس و سربندی مس به تجهیزات ضرورت دارد.
از طرفی، عموماً صرفه‌جویی اقتصادی بیشتر در صورت به‌کارگیری کابل‌های سایز بالا، مثلاً در تغذیه‌کننده‌ها به وقوع می‌پیوندد. بنابراین مشتریانی که از آلومینیوم استفاده می‌کنند سروکارشان با مصرف آمپر بالاتر است. سیم آلومینیوم به‌صورت تجاری در سایزهای مربوط به عبور جریان ۵۰ آمپری و بالاتر موجود است. محدودیت ظرفیت جریان عموماً در حدود ۱۰۰ آمپر است ولی توسط افراد مختلف محدودیت بالاتری نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. لازم به تذکر است که سیم انشعابی عموماً از آلومینیوم انتخاب نمی‌شود.
غلبه بر چالش‌های نصب و طراحی
نصب
ضوابط خاصی برای نصب وجود دارد تا از عملکرد مطلوب سیستم توزیع برق موردنظر اطمینان حاصل شود. اتصالات مربوط به آلومینیوم نسبت به اتصالات مس بحرانی‌تر می‌باشند و اگرچه این مراحل نصب دارای دشواری خاصی نیستند ولی در مقایسه با شرایط نصب کابل‌های مسی واقعاً متفاوتند و لازم است کاملاً مطابق دستورالعمل‌ها عمل شود. درصورتی‌که اتصالات به‌طور صحیحی انجام شود، هادی های آلومینیومی عملاً در مقاومت الکتریکی پایین‌تری کار می‌کنند، و بنابراین نسبت به هادی‌های مسی دمای کاری کمتری خواهند داشت. مراحلی که باید در هنگام به‌کارگیری آلومینیوم در شرایط نصب در نظر گرفت شامل موارد زیر است:
ابتدا و مهم‌تر از همه موارد، باید از یک ابزار لخت کن مناسب برای جلوگیری از آسیب به هادی باید استفاده نمود. از طرفی نصاب باید بداند که آلومینیوم مستعد تشکیل لایه‌ای بسیار نازک از اکسید است که ایجاد این لایه اکسید ظرف چند ثانیه پس از قرارگیری آلومینیوم در معرض هوا صورت می‌پذیرد. به همین دلیل، هادی را باید برای زدودن این لایه اکسید با یک برس سیمی کاملاً تمیز نمود، و سپس آمیزه مفصلی آنتی‌اکسیدان همانند NOOX یا Penetrox را در محل مفصل‌بندی هادی بر روی آن به کار برد تا از تشکیل بعدی لایه اکسید جلوگیری به عمل آید.
اعمال فشار در اتصالات باید مطابق توصیه‌های سازنده انجام شود. نقص در محکم کردن اتصالات به‌طور مناسب می‌تواند منجر به قطعی در اتصالات مدار یا موجب بروز جرقه در محل اتصالات شود، اما از طرفی اتصالات نباید بیش از حد لازم محکم شود و همچنین نباید نسبت به محکم کردن آن به‌طور سالیانه اقدام نمود. اقدام به چنین عملی باعث کاهش ظرفیت جریان عبوری ناشی از تغییر شکل هادی در اثر فشار شده و همچنین سبب داغ شدن در محل سربندی می‌شود.
از اتصالات فشاری دو سوراخه مخصوص آلومینیوم باید استفاده شود. اتصالات مکانیکی به دلیل ویژگی‌های انبساطی آلومینیوم از گونه اتصالات مناسب به شمار نمی‌آیند. امّا برخی فروشندگان با این موضوع مخالفند، و ادعا می‌کنند که برق‌کاران در مقایسه با استفاده نامناسب از اتصالات مکانیکی از موضوع به‌کارگیری قالب‌های نادرست در پرس‌ها بیشتر شاکی می‌باشند. در هر صورت، توجه خاصی باید به جزئیات کشیدن کابل در هنگام نصب معطوف نمود. چنین طرحی ممکن است نیاز به توجه خاصی در ارتباط با برخی فضاهای در اختیار تجهیزات، مثلاً تابلوهای برق در حین کابل‌کشی داشته باشد.
شرایط طراحی
یکی دیگر از موضوعات چالش‌برانگیز این است که آلومینیوم را نمی‌توان به خاطر فهرست موجود در محدودیت‌های جاری مطرح‌شده در موتورها توسط مؤسسه استاندارد UL مستقیماً به موتور متصل کرد. این محدودیت را می‌توان با وصل کردن آلومینیوم به کلیدهای قطع کن و از طرفی وصل کردن مس به موتور برطرف کرد. به‌کارگیری Pigtail یا تبدیل از آلومینیوم به مس یا برعکس نیز گزینه مناسبی است. با این وجود، این روش ممکن است نیاز به فضای اضافی در جعبه اتصال موتور داشته باشد. هر چند طراحی بهبود یافته آلیاژهای جدید آلومینیوم باعث افزایش ویژگی هدایت الکتریکی آن‌ها شده است ، اما هنوز هدایت الکتریکی آلومینیوم تنها حدود ۸۰ درصد هدایت الکتریکی مس می‌باشد. به همین دلیل، کابل‌های آلومینیوم باید دارای سایز بالاتری باشند تا امکان ظرفیت عبور جریان مشابهی را با سیم مسی معادل خود فراهم کنند. از طرفی سایز کانال‌های کابل‌کشی را باید بررسی نمود که در اغلب اوقات نیاز به افزایش سایز آن‌ها است؛ به‌طورمعمول در مورد کابل‌های آلومینیومی لازم است سایز کانال‌ها حدود ۵ تا ۷ درصد افزایش یابد.
گاهی نیز نیازی به افزایش سایز کانال کابل‌کشی نیست ولی در هر صورت باید هر موردی به‌طور خاص مورد بررسی قرار گیرد . امروزه کابل‌های آلومینیومی را عموماً به‌صورت تابیده فشرده تولید می‌کنند، که این موضوع سبب جبران بخشی از افت هدایت الکتریکی در اثر فشردگی بیشتر رشته‌های تابیده آلومینیوم و کاهش قطر کابل می‌گردد. بنابراین، سیم آلومینیومی را می‌توان نسبت به روش معمول در قطرهای کمتر تولید کرد به‌طوری‌که الزامات مربوط به ظرفیت جریان عبوری را برآورده سازد. همچنین سایز کانال‌ها در اغلب اوقات نیازی به افزایش ندارند، چون‌که تنها لازم است فقط رقمی در حدود ۵ تا ۷ درصد به اندازه کانال‌ها اضافه شود.
روش‌های اجرایی:
یکی از موضوعات قابل‌توجه به‌کارگیری روش‌های اجرایی کنترل کیفی و مستندسازی آن‌ها است. آزمون اشعه مادون‌قرمز که آزمونی غیر مخرب است و همچنین بازرسی‌های کیفی برای هر سیستم توزیع برق موضوعی اساسی است، چه هادی موردنظر آلومینیوم باشد یا مس. سیستم‌های توزیع برق را باید توسط افراد با تجربه و ذی‌صلاح در سازمان مورد بازرسی قرار داد و مجدداً این کار باید در فاصله ۳۰ تا ۶۰ روز پس از شروع به‌کارگیری کابل بازرسی را تکرار نمود تا مشکلات زودرس تحت بار کاملاً مشخص شوند.
نتیجه‌گیری
همانند هرگونه تغییرات اساسی، احتمال بروز خطراتی در ارتباط با گزینش آلومینیوم در طراحی سیستم شما وجود خواهد داشت. مصرف‌کننده باید مزایا و معایب آلومینیوم در برابر مس را مورد سنجش قرار داد و در پایان بر اساس هر یک از طرح‌ها و برنامه‌های خود تصمیم درست را اتخاذ نماید.
مهندس محمدباقر پورعبداله
