L'aluminium comme matériau conducteur : une alternative plus légère et plus économique

Jan 07, 2024

Par contenu sponsorisé | 24 mai 2019

Choisir des métaux conducteurs pour différentes industries et applications peut être un défi. Le cuivre est souvent utilisé dans les câbles et les fils en raison de son excellente conductivité et de sa malléabilité. Mais il est relativement lourd et cher par rapport à l'aluminium. Passer à l'aluminium, qui est plus léger et nettement moins coûteux que le cuivre, est une option viable dans de nombreux cas. Utiliser l'aluminium avec succès consiste à comprendre les capacités de ce métal conducteur et à relever les défis qu'il présente. Le cuivre, à 4 323 $ la tonne, est actuellement plus de deux fois plus cher que l'aluminium, qui coûte 2 043 $ la tonne (au 02/02/15). La plus grande disponibilité d'aluminium brut par rapport au cuivre explique cette importante différence de prix. Après l'oxygène et le silicium, l'aluminium est le troisième élément le plus courant de la croûte terrestre supérieure, tandis que le cuivre est classé 25e en termes de disponibilité sur la liste des matières premières. L'appréciation des prix actuels est encore renforcée par la volatilité du marché des matières premières. Si l'on regarde les chiffres des cinq dernières années (2010-2014), les prix du cuivre ont fluctué dans une fourchette allant de 3 674 $ à 5 980 $ la tonne. En 2004, la valeur moyenne annuelle était encore de 1 895 $ la tonne. Une telle plage de fluctuation n'existe pas dans le secteur de l'aluminium, ce qui permet une meilleure planification des matériaux. Si l'aluminium est utilisé comme matériau conducteur, sa conductivité plus faible nécessite une taille de fil environ un tiers plus grande que celle d'un fil de cuivre. Au final cependant, le matériau isolant utilisé avec le fil joue un rôle crucial dans les performances et un fil en aluminium peut posséder la même capacité de transport de courant qu'un fil en cuivre H07RN-F. La plus grande taille de fil de l'aluminium ne serait un inconvénient que dans les applications nécessitant un espacement restreint, comme lorsqu'il est installé dans des boîtiers de commande densément emballés. Les faits concernant l'aluminium parlent d'eux-mêmes en ce qui concerne la question du poids. En tant que matière première, l'aluminium est environ 70 % plus léger que le cuivre. Cela peut être utile dans les efforts de nombreux domaines d'application cherchant à réduire le poids de tous les composants. Naturellement, lorsqu'ils sont utilisés dans des câbles électriques, leur poids réduit facilite leur installation. Les lignes à haute tension ont longtemps été fabriquées en aluminium ; le poids plus léger réduit considérablement la force de traction exercée sur le fil et les mâts. Mais même des industries telles que la construction automobile et l'industrie aéronautique se tournent vers les fils d'aluminium. C'est pourquoi des faisceaux électriques complets en aluminium sont déjà installés dans l'Airbus A380. Les fils d'aluminium peuvent être jusqu'à 60 % plus légers que les fils de cuivre porteurs de courant comparables. Même pour les applications qui nécessitent des connexions de câbles flexibles, le cuivre n'a plus besoin d'être le premier choix. La série HELUWIND® WK POWERLINE ALU offre un programme de câblage fin, y compris la technologie de connexion. Les caractéristiques matérielles de l'aluminium sont considérablement différentes de celles du cuivre. Ces différences doivent être prises en compte lors du traitement d'un câble et de la sélection des composants de connexion.

Oxydation dans l'air

Lorsqu'il est exposé à l'oxygène, un revêtement d'oxyde dur et résistant se forme en peu de temps à la surface de l'aluminium. Le revêtement protège le matériau sous-jacent d'une corrosion supplémentaire. Cet effet fait de l'aluminium un matériau très résistant. Cependant, le revêtement d'oxyde protecteur sur la surface du matériau n'est pas souhaitable en matière d'électrotechnique. Il dégrade la conductivité de l'aluminium et rend difficile la mise en contact. Si un conducteur oxydé est connecté sans aucun prétraitement (pour enlever le revêtement), la résistance de contact sera augmentée entre le conducteur en aluminium et le composant du connecteur. Cela peut entraîner des augmentations de température et, dans les pires conditions, des incendies de câbles. Pour éviter de tels problèmes, le revêtement d'oxyde doit être cassé ou retiré physiquement. Cela peut être fait en brossant les extrémités nues des conducteurs en aluminium avant que les contacts ne soient établis et également pendant le processus de sertissage : les composants de connecteur pour les conducteurs en aluminium sont équipés d'une graisse de contact spéciale de l'usine, généralement un matériau granuleux et abrasif tel que le corindon. Combinées à une pression élevée, les particules de corindon provoquent un effet abrasif qui brise le revêtement d'oxyde non conducteur sur l'aluminium, améliorant les propriétés de contact et les connexions électriques. La graisse empêche également l'humidité et l'oxygène de pénétrer et de provoquer une nouvelle corrosion des points de contact. Les cosses de câble de meilleure qualité sont généralement équipées de bouchons en plastique, qui empêchent la graisse de contact de sécher ou de fuir pendant le stockage.

Une cosse de câble hybride Al/Cu a été apposée sur un conducteur en aluminium finement toronné à l'aide d'un sertissage C8.

Contact optimal avec le sertissage C8

Pour les conceptions de conducteurs à fils fins, nous recommandons la norme CEI 61238-1 Cl. Les sertissages C8 testés A doivent être utilisés en raison de la plus grande surface oxydante du conducteur. Les contours du sertissage C8 pénètrent très profondément dans un faisceau toronné, déchirent également les brins individuels et permettent ainsi des contacts optimaux sur tous les brins, même dans un conducteur en faisceau. L'utilisation de sertissages C8 (développés dans le cadre de la série POWERLINE Aluminium) permet d'atteindre les meilleures valeurs électriques (faible résistance de contact) et forces mécaniques d'extraction possibles.

Compatibilité avec les métaux précieux électrochimiques

Lors de la spécification des composants de connexion électrique, les réactions corrosives de l'aluminium en présence d'autres métaux – principalement le cuivre – doivent également être prises en compte. Lorsque l'aluminium entre en contact avec des métaux plus nobles (ceux à potentiel électrique plus élevé) tels que le cuivre, le fer ou le laiton, une réaction électrochimique peut se produire au moyen de la formation d'éléments de contact. Cette réaction est activée par des liquides conducteurs - sur le terrain principalement par de l'eau condensée (condensation). Dans ce processus, les différences de potentiel produites par la série de tensions électrochimiques jouent un rôle crucial. L'électrode de cuivre (anode), l'électrolyte (eau) et l'électrode d'aluminium (cathode) créent un élément de contact. Toute tension aux bornes de ces éléments est court-circuitée par le contact entre le cuivre et l'aluminium. Le courant résultant crée un processus de décomposition dans l'aluminium, qui est visible comme un point d'oxydation radiant révélant la contamination de minuscules particules de cuivre. Cependant, le cuivre ne se décompose pas. Mais le processus de décomposition affecte négativement la connexion électrique à long terme, avec des résistances de contact croissantes qui entraînent des augmentations de température et même des incendies. Par conséquent, nous vous recommandons d'utiliser une cosse de câble en aluminium/cuivre (Al/Cu) pour connecter des périphériques en aluminium à des périphériques en cuivre. Les connecteurs bimétalliques tels que les cosses de câble Al/Cu, les connecteurs à sertir et les boulons de connexion sont fabriqués à l'aide d'un procédé de soudage par friction. Ils sont encapsulés pour empêcher les liquides de pénétrer dans la connexion et de provoquer des fuites indésirables. L'utilisation de connecteurs et de connexions Al/Cu est le moyen le plus judicieux de lutter contre les effets de l'oxydation sur l'aluminium. Un autre moyen de protection contre l'humidité consiste à installer une isolation secondaire sur la zone de contact. Selon le domaine d'application, la charge mécanique et les conditions environnementales, une gaine thermorétractable à froid, à rouleau ou à chaud peut être utilisée. Les meilleurs résultats de protection sont obtenus avec des gaines thermorétractables avec adhésif intérieur. Dans le même temps, les contacts électriques doivent être soigneusement inspectés lors de l'entretien régulier.

Diminution de la résistance de la connexion en raison de la fuite

Enfin, le comportement de fuite de l'aluminium est quelque chose qui doit être pris en compte. L'aluminium est un métal plus mou que le cuivre et a tendance à se dilater ou à s'étirer avec le temps, en particulier lorsqu'il est soumis à une pression et une température plus élevées. Les connexions à sertir classiques souffrant de fuites perdent de leur résistance et ne seraient plus fiables pour assurer une bonne connectivité. Le sertissage C8 d'HELUKABEL présente un degré de remplissage de 95 %, qui ne peut pas être obtenu avec des connexions à sertir conventionnelles. Le processus d'expansion/d'étirement décrit est compensé par des valeurs d'extraction exceptionnelles. Dans le même temps, nous recommandons d'effectuer une maintenance et une inspection régulières sur tous les points de serrage en fonction de leurs niveaux de charge.

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