Aluminium als Leitermaterial: eine leichtere und wirtschaftlichere Alternative

Durch gesponserte Inhalte | 24. Mai 2019

Die Auswahl leitfähiger Metalle für verschiedene Branchen und Anwendungen kann eine Herausforderung sein. Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und Formbarkeit wird Kupfer häufig in Kabeln und Leitungen verwendet. Allerdings ist es im Vergleich zu Aluminium relativ schwer und teuer. Der Umstieg auf Aluminium, das leichter und deutlich kostengünstiger als Kupfer ist, ist in vielen Fällen eine sinnvolle Option. Der erfolgreiche Einsatz von Aluminium erfordert ein Verständnis der Fähigkeiten dieses leitfähigen Metalls und des Umgangs mit den damit verbundenen Herausforderungen. Kupfer ist mit 4.323 US-Dollar pro Tonne derzeit mehr als doppelt so teuer wie Aluminium, das 2.043 US-Dollar pro Tonne kostet (Stand: 02.02.15). Dieser erhebliche Preisunterschied ist auf die größere Verfügbarkeit von Rohaluminium im Vergleich zu Kupfer zurückzuführen. Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element in der oberen Erdkruste, während Kupfer in der Rohstoffliste auf Platz 25 der Verfügbarkeit steht. Die Einschätzung der aktuellen Preise wird durch die Volatilität des Rohstoffmarktes zusätzlich verstärkt. Betrachtet man die Zahlen der letzten fünf Jahre (2010-2014), so schwankten die Kupferpreise in einer Spanne von 3.674 bis 5.980 US-Dollar pro Tonne. Im Jahr 2004 lag der jährliche Durchschnittswert noch bei 1.895 US-Dollar pro Tonne. Im Aluminiumbereich gibt es keine solche Schwankungsbreite, was eine bessere Materialplanung ermöglicht. Wenn Aluminium als Leitermaterial verwendet wird, erfordert dessen geringere Leitfähigkeit eine Drahtstärke, die etwa ein Drittel größer ist als die eines Kupferdrahtes. Letztlich spielt jedoch das mit dem Draht verwendete Isoliermaterial eine entscheidende Rolle für die Leistung und ein Aluminiumdraht kann die gleiche Stromtragfähigkeit wie ein H07RN-F-Kupferdraht besitzen. Der größere Drahtdurchmesser von Aluminium wäre nur dann von Nachteil, wenn enge Abstände erforderlich sind, beispielsweise bei der Installation in dicht gepackten Schaltkästen. Beim Thema Gewicht sprechen die Fakten für Aluminium eine deutliche Sprache. Als Rohstoff ist Aluminium rund 70 Prozent leichter als Kupfer. Dies kann bei den Bemühungen zahlreicher Anwendungsbereiche hilfreich sein, das Gewicht aller Komponenten zu reduzieren. Beim Einsatz in Elektrokabeln erleichtert das geringere Gewicht natürlich die Montage. Hochspannungsleitungen bestehen schon lange aus Aluminium; Durch das geringere Gewicht wird die auf Seile und Masten wirkende Zugkraft deutlich reduziert. Aber auch Branchen wie der Automobilbau und die Luftfahrtindustrie stellen auf Aluminiumdrähte um. Deshalb sind im Airbus A380 bereits komplette Kabelbäume aus Aluminium verbaut. Aluminiumdrähte können bis zu 60 Prozent leichter sein als vergleichbare stromführende Kupferdrähte. Selbst für Anwendungen, die flexible Kabelverbindungen erfordern, muss Kupfer nicht mehr die erste Wahl sein. Die HELUWIND® WK POWERLINE ALU-Serie bietet ein feindrahtiges Verdrahtungsprogramm inklusive Anschlusstechnik. Die Materialeigenschaften von Aluminium unterscheiden sich erheblich von denen von Kupfer. Diese Unterschiede müssen bei der Verarbeitung eines Kabels und der Auswahl der Anschlusskomponenten berücksichtigt werden.

Oxidation in der Luft

Unter Einwirkung von Sauerstoff bildet sich auf der Oberfläche von Aluminium innerhalb kurzer Zeit eine harte und widerstandsfähige Oxidschicht. Die Beschichtung schützt das darunter liegende Material vor weiterer Korrosion. Dieser Effekt macht Aluminium zu einem äußerst langlebigen Material. Allerdings ist die schützende Oxidschicht auf der Materialoberfläche in der Elektrotechnik unerwünscht. Es verschlechtert die Leitfähigkeit des Aluminiums und erschwert die Kontaktierung. Wenn ein oxidierter Leiter ohne Vorbehandlung (Entfernen der Beschichtung) angeschlossen wird, erhöht sich der Kontaktwiderstand zwischen dem Aluminiumleiter und dem Steckerteil. Dies kann zu Temperaturerhöhungen und im schlimmsten Fall zu Kabelbränden führen. Um solche Probleme zu verhindern, muss die Oxidschicht aufgebrochen oder physisch entfernt werden. Dies kann durch Bürsten der blanken Aluminiumleiterenden vor der Kontaktierung und auch während des Crimpvorgangs erfolgen: Steckerteile für Aluminiumleiter sind ab Werk mit speziellem Kontaktfett ausgestattet, meist einem körnigen, abrasiven Material wie Korund. In Kombination mit hohem Druck erzeugen die Korundpartikel eine abrasive Wirkung, die die nichtleitende Oxidschicht auf dem Aluminium aufbricht und so die Kontakteigenschaften und elektrischen Verbindungen verbessert. Das Fett verhindert außerdem, dass Feuchtigkeit und Sauerstoff eindringen und neue Korrosion an den Kontaktstellen verursachen können. Hochwertigere Kabelschuhe sind in der Regel mit Kunststoffstopfen ausgestattet, die verhindern, dass das Kontaktfett während der Lagerung austrocknet oder ausläuft.

Ein Al/Cu-Hybridkabelschuh wurde mittels C8-Crimp an einen feindrähtigen Aluminiumleiter befestigt.

Optimale Kontaktierung durch C8-Crimp

Für feindrähtige Leiterausführungen empfehlen wir die IEC 61238-1 Cl. Aufgrund der größeren oxidierenden Oberfläche des Leiters können A-geprüfte C8-Crimpverbindungen verwendet werden. Die Konturen des C8-Crimps dringen sehr tief in ein Litzenbündel ein, reißen die einzelnen Litzen gleichmäßig auf und ermöglichen so eine optimale Kontaktierung aller Litzen, auch in einem Bündelleiter. Durch den Einsatz von C8-Crimpverbindungen (entwickelt im Rahmen der POWERLINE Aluminium-Serie) werden bestmögliche elektrische Werte (geringer Übergangswiderstand) und mechanische Auszugskräfte erreicht.

Kompatibilität mit elektrochemischen Edelmetallen

Bei der Spezifikation elektrischer Verbindungskomponenten müssen auch die korrosiven Reaktionen von Aluminium in Gegenwart anderer Metalle – hauptsächlich Kupfer – berücksichtigt werden. Wenn Aluminium mit edleren Metallen (mit höherem Elektropotential) wie Kupfer, Eisen oder Messing in Kontakt kommt, kann es zu einer elektrochemischen Reaktion durch Kontaktelementbildung kommen. Diese Reaktion wird durch leitfähige Flüssigkeiten aktiviert – im Feld meist durch kondensiertes Wasser (Kondensation). Dabei spielen die durch die elektrochemische Spannungsreihe erzeugten Potentialunterschiede eine entscheidende Rolle. Die Kupferelektrode (Anode), der Elektrolyt (Wasser) und die Aluminiumelektrode (Kathode) bilden ein Kontaktelement. Jegliche Spannung an diesen Elementen wird durch den Kontakt zwischen Kupfer und Aluminium kurzgeschlossen. Der entstehende Strom erzeugt einen Zersetzungsprozess im Aluminium, der als strahlender Oxidationspunkt sichtbar ist und die Verunreinigung durch winzige Kupferpartikel sichtbar macht. Das Kupfer zersetzt sich jedoch nicht. Doch der Zersetzungsprozess wirkt sich langfristig negativ auf die elektrische Verbindung aus, es kommt zu steigenden Übergangswiderständen, die zu Temperaturerhöhungen und sogar zu Bränden führen. Daher empfehlen wir für den Anschluss von Aluminium- an Kupferperipherie einen Kabelschuh aus Aluminium/Kupfer (Al/Cu). Bimetallverbinder wie Al/Cu-Kabelschuhe, Pressverbinder und Verbindungsbolzenstifte werden im Reibschweißverfahren hergestellt. Sie sind gekapselt, um zu verhindern, dass Flüssigkeiten in die Verbindung eindringen und unerwünschte Kriechströme verursachen. Der Einsatz von Al/Cu-Steckern und -Verbindungen ist die sinnvollste Möglichkeit, den Auswirkungen der Oxidation auf Aluminium entgegenzuwirken. Eine weitere Möglichkeit zum Schutz vor Feuchtigkeit ist die Anbringung einer Sekundärisolierung im Kontaktbereich. Je nach Einsatzgebiet, mechanischer Belastung und Umgebungsbedingungen kann ein Kalt-, ein Roll- oder ein Heißschrumpfschlauch verwendet werden. Die besten Schutzergebnisse werden durch Schrumpfschläuche mit Innenkleber erzielt. Gleichzeitig sollten die elektrischen Kontakte im Rahmen der regelmäßigen Wartung gründlich überprüft werden.

Nachlassende Verbindungsfestigkeit durch Kriechstrom

Schließlich muss noch das Kriechverhalten von Aluminium berücksichtigt werden. Aluminium ist ein weicheres Metall als Kupfer und neigt dazu, sich im Laufe der Zeit auszudehnen oder zu dehnen, insbesondere wenn es höherem Druck und höherer Temperatur ausgesetzt wird. Klassische Crimpverbindungen, die unter Kriechstrom leiden, verlieren an Festigkeit und wären nicht mehr zuverlässig, um eine ordnungsgemäße Verbindung sicherzustellen. Der C8-Crimp von HELUKABEL weist einen Füllgrad von 95 Prozent auf, der mit herkömmlichen Crimpverbindungen nicht erreicht werden kann. Der beschriebene Expansions-/Streckvorgang wird durch hervorragende Extraktionswerte kompensiert. Gleichzeitig empfehlen wir, alle Spannstellen entsprechend ihrer Belastung regelmäßig zu warten und zu prüfen.

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