Barre omnibus en cuivre vs barre omnibus en aluminium : intensité admissible, poids, coût et service en cas de panne

Content

1 Barre omnibus en cuivre ou en aluminium : les différences qui changent les dessins
2 Conductivité, intensité admissible et calcul du poids
3 Là où le cuivre et l’aluminium échouent réellement sur place
4 Coût, cycle de vie et chiffres manqués par les acheteurs
5 Des choix de conception qui changent le verdict
- 5.1 Alliage et trempe, pas seulement « aluminium »
- 5.2 Isolation qui scelle le conducteur
6 Une liste de contrôle de sélection pratique
7 Foire aux questions

Une extension de canalisation blindée de 3 200 A est généralement accompagnée de deux devis et d'un argument : l'option en aluminium est moins chère et pèse environ la moitié du poids, tandis que l'option en cuivre est plus petite, correspond aux dessins d'appareillage approuvés et se comporte comme prévu par les équipes de maintenance.

Voici la réponse courte. L'aluminium gagne lorsque le coût des matériaux, le poids et les longues distances droites dominent et que l'environnement du site est gérable. Le cuivre gagne lorsque l'enveloppe spatiale est étroite, les niveaux de défauts sont élevés, la chimie du site est agressive ou l'équipement aux deux extrémités a été construit autour de terminaux en cuivre. La plupart des problèmes ne proviennent pas du métal lui-même, mais de détails de conception copiés sur l’autre métal.

Barre omnibus en cuivre ou en aluminium : les différences qui changent les dessins

Le cuivre et l’aluminium diffèrent dans la manière dont vous pouvez mesurer, devis et concevoir. Les valeurs ci-dessous sont celles qui déplacent les dessins, pas celles qui remplissent les manuels.

Cuivre et aluminium comparés à 20 °C, avec la conséquence pratique de chaque différence.
Propriété	Cuivre	Aluminium	Ce que cela signifie sur le dessin
Conductivité électrique	100% SIGC	61% SIGC	Aluminium needs about 1.5 to 1.6 times the cross-section for the same current
Résistivité à 20 °C	1,72 µΩ·cm	2,83 µΩ·cm	Les calculs de perte et de chute de tension doivent utiliser la section réelle
Densité	8,96 g/cm ³	2,70 g/cm ³	À ampérage égal, l'aluminium pèse environ la moitié du poids
Conductivité thermique	401 W/m·K	237 W/m·K	La chaleur se propage plus lentement, l'augmentation de la température doit donc être confirmée par un essai de type
Expansion linéaire	16,5 × 10 ^-6 /K	23 × 10 ^-6 /K	Aluminium moves about 40% more, so long runs need expansion provision
Constante de court-circuit k (CEI 60949)	226 A·s ^1/2 /mm ²	148 A·s ^1/2 /mm ²	À section égale, le cuivre absorbe environ 2,3 fois le I²t
Oxyde superficiel	Fin et conducteur	Isolant, se forme en quelques minutes	Aluminium joints need brushing, compound and immediate assembly

Trois lignes déterminent la plupart des décisions. Si la largeur du boîtier est déjà fixe, la conductivité décide si l'aluminium convient ou non. Si la course est longue et à l'extérieur, l'expansion fixe l'allocation. Si le niveau de défaut est élevé, la constante de court-circuit décide si la section augmente de taille.

Conductivité, intensité admissible et calcul du poids

Le chiffre de 61 % du SIGC est souvent interprété à tort car « l'aluminium transporte 61 % du courant ». Cela n'est vrai que pour des sections identiques et personne ne dimensionne un jeu de barres de cette façon.

Une résistance CC égale nécessiterait environ 1,64 fois la surface en aluminium, mais les conceptions testées se rapprochent généralement de 1,5 à 1,6 fois, car une barre plus large a une plus grande surface de refroidissement par ampère. Le poids suit alors la densité : environ 1,6 × 2,70 g/cm ³ contre 8,96 g/cm ³ , donc une barre omnibus en aluminium à ampérage égal transporte environ la moitié de la masse de cuivre.

Indice de propriété relatif, cuivre = 100

Cette économie de poids n’est pas cosmétique : moins de supports, un contreventement sismique plus léger, moins d’acier de construction et un fret moins cher. Le compromis est le volume. La même intensité admissible en aluminium nécessite plus d'espace, et à l'intérieur d'un boîtier fixe de 600 mm qui seul peut exclure l'aluminium avant que le prix ne soit discuté.

Là où le cuivre et l’aluminium échouent réellement sur place

Joints et couche d'oxyde

L'aluminium produit un oxyde isolant quelques minutes après le brossage, et cette couche fond à plus de 2 000 °C. Un joint qui semble serré peut être considéré comme une résistance élevée et chauffer sous charge. Le travail de l'aluminium nécessite donc un brossage sous un composé antioxydant, un assemblage immédiat et un couple calibré. L'oxyde de cuivre est mince et ne bloque pas la conduction de la même manière.

Fluage et perte de couple

L'aluminium flue sous une pression soutenue des boulons au-dessus d'environ 90 à 100 °C au niveau du joint, perdant lentement la pression de contact. Les rondelles Belleville et un intervalle de resserrage documenté sont les contre-mesures standard. Le cuivre est plus indulgent ici, c'est pourquoi les équipes de maintenance expérimentées en cuivre résistent au changement.

Dilatation thermique sur de longues distances

L'aluminium se dilate environ 40 % plus que le cuivre. Sur une course de 30 m avec un swing de 60 K, cela représente environ 12 mm de mouvement supplémentaire à absorber via les supports coulissants ou les joints de dilatation. Re-spécifier une disposition en cuivre dans de l'aluminium sans toucher aux supports se traduit généralement par des barres déformées lors de la première saison chaude.

Énergie de défaut et température de court-circuit

Avec des constantes adiabatiques d'environ 226 A·s ^1/2 /mm ² pour le cuivre et 148 pour l'aluminium, une section identique atteint sa température limite à environ 43% du cuivre I²t. Soit la section en aluminium augmente, soit le temps de dégagement de la protection diminue. Une étude de coordination qui ignore cela n’est pas terminée.

Coût, cycle de vie et chiffres manqués par les acheteurs

Le prix du chef d’orchestre est le nombre que tout le monde cite et la plus petite partie de l’histoire. L'aluminium coûte une fraction du cuivre par kilogramme et vous avez besoin d'environ la moitié de la masse à intensité égale, de sorte que l'écart entre les matières premières est important. Sur un emballage livré, les économies diminuent une fois ajoutés l'enceinte plus large, les joints plus grands et la main d'œuvre nécessaire pour préparer correctement les joints en aluminium.

Où l’argent et le risque se situent dans une mise à niveau de 4 000 A (pondération illustrative)

Coût du matériel 35%

Installation et supports 20%

Espace et routage 15%

Environnement et corrosion 15%

Compatibilité de terminaison 10%

Entretien et inspection 5%

Deux coûts sont le plus souvent manqués. Tout d'abord, la modification du boîtier et de l'appareillage de commutation : si la conception en aluminium nécessite 800 mm alors que le cuivre est équipé de 600 mm, la tôle d'acier, le placage et le fret peuvent absorber un tiers de l'économie de conducteurs. Deuxièmement, la maintenance : un programme de recouple documenté sur 25 ans constitue un véritable travail, pas une note de bas de page.

Lorsque la comparaison s'effectue au niveau de la barre blindée plutôt qu'au niveau des barres, le conducteur cesse d'être la variable principale. Un système de barres blindées moyenne et basse tension testé regroupe le conducteur, l'isolation, les joints et les dispositifs de dilatation en un seul assemblage, de sorte que le résultat de l'essai de type et la conception du joint comptent plus que l'alliage.

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Système de barres blindées entièrement isolé haute et basse tension Un ensemble de barres blindées compact entièrement isolé pour la distribution moyenne et basse tension, conçu autour de projets de performances conjointes, d'expansion modulaire et de rénovation dans des espaces restreints. Voir le produit →

Des choix de conception qui changent le verdict

Trois décisions de conception rapprochent beaucoup une solution en aluminium du cuivre en termes de performances, et elles sont généralement moins chères que de changer de métal.

Alliage et trempe, pas seulement « aluminium »

La qualité électrique 1350 est douce et rampante. Les nuances telles que le 6101-T6 et les alliages magnésium-aluminium offrent une résistance à la traction et une rigidité plus élevées, ce qui est important pour les parcours tubulaires autoportants s'étendant entre les supports. Spécifier de l'« aluminium » ordinaire sans alliage ni trempe est la façon dont les projets se retrouvent avec des barres affaissées et des joints qui perdent du couple.

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Isolation qui scelle le conducteur

Un jeu de barres tubulaires entièrement isolé retire complètement la surface du conducteur de l’environnement. Les couvercles en EPDM et en caoutchouc de silicone conviennent aux systèmes installés sur site, le moulage en résine époxy donne une structure étanche et rigide pour les travaux de classe 35 kV, et les couvercles en PTFE sont sélectionnés là où la résistance chimique mène. Une fois l’aluminium scellé, l’argument de la corrosion du cuivre disparaît en grande partie, et ce qui reste, c’est l’intensité admissible, l’énergie de défaut et l’espace.

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Dans les sous-stations côtières et les usines chimiques, la combinaison que nous construisons le plus souvent est un jeu de barres tubulaires en alliage d'aluminium avec une isolation moulée et des transitions bimétalliques plaquées au niveau des bornes en cuivre : coût et poids de l'aluminium, la chimie du joint étant déplacée à l'intérieur d'une enveloppe scellée.

Une liste de contrôle de sélection pratique

Parcourez-les avant que le devis ne soit fixé. Chaque élément peut inverser le choix à lui seul.

Courant admissible après déclassement pour la température ambiante, l'altitude et la ventilation de l'enceinte.
Tenue aux courts-circuits : courant de crête et I²t thermique au temps réel de libération.
Enveloppe spatiale : largeur, hauteur et rayon de courbure disponibles le long du parcours.
Matériel de borne aux deux extrémités, y compris les connexions du transformateur et du générateur.
Chimie du site : cycles de chlorure, d’ammoniac, d’hydrogène sulfuré, d’humidité et de condensation.
Profil de charge : continu ou cyclique, car le cyclage pénalise plus durement les joints en aluminium.
Limites de poids sur l'acier, la structure de toit ou les cadres de support existants.
Qui resserrera les joints, avec quel outil et à quelle fréquence.
Essais de type applicables, par exemple la série CEI 61439 pour les systèmes de canalisations préfabriquées.
Coût du cycle de vie sur 20 à 25 ans, y compris les pertes, la maintenance et le boîtier.

Pour un tableau de distribution moyenne ou basse tension plutôt qu'un parcours tubulaire, ce guide pour choisir la bonne barre omnibus pour les systèmes moyenne et basse tension suit la même séquence étape par étape.

Foire aux questions

L'aluminium peut-il transporter le même courant que le cuivre ?

Pas à la même section transversale. À 61 % IACS, l’aluminium a besoin d’environ 1,5 à 1,6 fois plus de surface pour la même élévation de température. Dimensionné et testé selon cette classification, il fonctionne correctement ; la différence apparaît en termes de taille et de poids, et non en tant que compromis de principe.

Le cuivre et l’aluminium peuvent-ils être boulonnés directement ensemble ?

Les joints secs directs sont un point faible connu. Les deux métaux sont très éloignés l’un de l’autre dans la série galvanique, de sorte que tout film d’humidité entraîne la corrosion galvanique de l’aluminium. Utilisez des transitions bimétalliques plaquées ou des interfaces étamées avec un composé antioxydant, conservées au sec et accessibles pour inspection.

Quel métal est le meilleur à des niveaux de défauts élevés ?

Cuivre. A section égale, il absorbe environ 2,3 fois le I²t avant d'atteindre sa température limite. Dans les sous-stations à haut défaut, cela agrandit la section en aluminium ou fait du cuivre la solution totale la moins chère.

Le jeu de barres en aluminium nécessite-t-il plus d’entretien ?

Ses joints boulonnés nécessitent un programme de resserrage documenté, en particulier après les premiers cycles thermiques. Les conceptions coulées et entièrement isolées réduisent considérablement ce phénomène, car le conducteur est scellé et les joints sont conçus plutôt que préparés sur le terrain.

Aucun des deux métaux ne gagne universellement. Le cuivre achète de la compacité, de la tolérance aux pannes et des joints prévisibles. L'aluminium réduit le coût et le poids, à condition que les joints, la dilatation et l'environnement soient conçus plutôt que supposés. Comparez d'abord l'intensité admissible, le niveau de défaut, l'espace et la chimie du site, puis effectuez la comparaison de prix sur la conception finale au lieu du premier croquis.

Si vous pesez les deux matériaux pour un projet spécifique et que vous avez besoin de déterminer la section, le type d'isolation et les détails de transition, notre équipe d'ingénieurs peut analyser les chiffres avec vous. Envoyez-nous les conditions de garde et de chantier et nous vous renverrons une comparaison de taille plutôt qu'une page de catalogue.