Les deux transformateurs sont égaux en termes de puissance, de tension et de paramètres de performance et appartiennent à la même classe d'efficacité. Cependant, malgré le fait que les deux transformateurs aient les mêmes paramètres techniques, l'un des transformateurs pèse environ 40% de plus que l'autre transformateur et coûte presque 20% de plus, néanmoins, il est opérationnel tandis que l'autre transformateur a déjà été remplacé. C'est une question de conducteurs de bobinage, qui est parmi les facteurs des matériaux utilisés dans tous les transformateurs, juste après le noyau.
En résumé, l'aluminium a une conductivité de 61% par rapport au cuivre et nécessite une section transversale 1,6 fois plus grande pour obtenir une résistance équivalente, mais son poids est environ deux fois moins élevé et il coûte de 15 à 30% de moins dans sa version finale. Le cuivre est meilleur en ce qui concerne l'efficacité des machines de 0,1 à 0,3% lorsqu'il est complètement chargé, en court-circuit et en fiabilité des connexions, car l'aluminium forme des oxydes autour de lui rendant chaque connexion un processus compliqué. Indépendamment des niveaux d'efficacité, le cuivre est préféré pour les situations de charge constante où l'entretien sera difficile à réaliser, tandis que l'aluminium est utilisé pour des cas avec des restrictions de poids, que ce soit dans des installations montées sur poteaux ou dans des projets avec des budgets serrés.
Pourquoi les deux matériaux existent-ils ?
Le cuivre est maintenant le matériau standard dans l'industrie depuis de nombreuses années. Le cuivre a également été la référence de l'industrie pour comparer les métaux entre eux. La norme internationale du cuivre recuit stipule que le fil de cuivre est basé sur la conductivité du cuivre à 100% IACS.
L'aluminium est arrivé dans ce domaine pour deux raisons qui n'ont rien à voir avec la performance. Premièrement, il y a le prix. Le prix de l'aluminium sur le marché n'est qu'une fraction du prix du cuivre par kilogramme et il est également assez stable. Deuxièmement, il y a une supériorité de poids de l'aluminium. L'aluminium est environ trois fois plus léger que le cuivre et ce facteur est important lorsqu'il s'agit de transformateurs montés sur poteaux.
En conséquence, le monde a été géographiquement divisé en deux groupes de pays en termes de choix de métal, et cela pourrait surprendre les acheteurs. Par exemple, le pays de l'Inde utilise des transformateurs de distribution à bobinage en aluminium depuis longtemps, et des transformateurs montés sur poteaux en aluminium ont été produits dans la région. D'autre part, les États-Unis étaient un pays utilisant du cuivre en raison d'échecs malheureux avec des fils en aluminium dans les années 1970, ce qui a créé une méfiance de longue date envers l'aluminium, et le cuivre est devenu le métal principal utilisé dans la région.
Chacune de ces stratégies n'est pas erronée ; elles reflètent les priorités des pays et permettent de faire le bon choix en fonction de ces priorités.
Sept chiffres qui les séparent
| Propriété | Cuivre | Aluminium |
|---|---|---|
| Conductivité | 100% IACS | 61% IACS |
| Résistivité à 20°C | 1,72 µΩ·cm | 2,83 µΩ·cm |
| Section transversale pour une résistance égale | 1.0 | 1.6 |
| Densité | 8,89 g/cm³ | 2,70 g/cm³ |
| Poids de bobinage à puissance égale | 1.0 | Environ 0,5 |
| Dilatation thermique | 16,5–17 ppm/K | 23,1 ppm/K |
| Résistance à la traction | 200–250 MPa | 70–100 MPa |
| Point de fusion | 1 085 °C | 660 °C |
Quatre rangées sont responsables de tout le reste.
- La section du courant est déterminée par la conductivité. L'aluminium a une conductivité de 61% IACS et nécessite une surface 1,6 fois plus grande pour conduire la même quantité de courant. En conséquence, il y a une plus grande fenêtre de bobinage qui nécessite généralement un noyau et un réservoir de transformateur plus grands. Il devient plus grand mais plus léger.
- La raison d'un tel effet est la densité. Il est important de souligner que ce n'est pas un facteur négligeable car il influence de nombreux aspects tels que la charge de la grue, le coût du transport et la conception de l'enceinte.
- L'expansion thermique est la raison des problèmes de connexion. L'expansion thermique de l'aluminium est beaucoup plus importante que celle du cuivre, ce qui signifie que chaque connexion du transformateur en aluminium sera soumise à un mouvement plus important.
- L'explication de la résistance à la traction est également importante pour la compréhension du moteur à court-circuit. Lorsqu'un défaut se produit, de nombreuses forces électromagnétiques apparaissent pour être égales au carré du courant appliqué aux enroulements du moteur.
Les différences de construction qui découlent de ces choix, y compris la manière dont un design en résine coulé s'adapte à une plus grande fenêtre de bobinage, sont visibles dans cette comparaison de SCB13 et des conceptions en résine coulée internationales.
Efficacité : L'argument de 0,1 à 0,3%, fait correctement
Bien que l'écart d'efficacité ne soit en réalité pas aussi substantiel que la plupart des conversations commerciales le laissent entendre, son impact économique est plus important que ce que les acheteurs supposent.
Lorsque les deux transformateurs sont fabriqués selon la même norme et que l'enroulement en aluminium obtient une section transversale plus grande que nécessaire, la différence d'efficacité à pleine charge s'élève à environ 0,1% à 0,3%, ce qui est en effet prouvé par la littérature technique. En fait, les chiffres d'environ 1,5-2 % comparent généralement les transformateurs en aluminium avec des transformateurs en cuivre fabriqués selon une norme supérieure.
Calculons les mathématiques. Prenons un transformateur de 1 000 kVA évalué pour 4 000 heures de fonctionnement et une charge moyenne de 60%. À cette capacité, la différence d'efficacité de 0,2% signifie pratiquement que le transformateur perd environ 1,2 kW d'énergie, ce qui équivaut à environ 4 800 kWh perdus par an. Le coût résultant de cette perte d'énergie aux tarifs commerciaux s'élève à plusieurs centaines de dollars par an, ce qui signifie que les avantages en matière d'efficacité sont nettement supérieurs à l'investissement initial effectué pour acheter l'équipement.
Par conséquent, c'est aussi la raison pour laquelle la plupart des évaluations du cycle de vie réalisées dans cette industrie concluent que le cuivre récupère ses coûts en 4 à 7 ans pour les transformateurs fonctionnant en continu avec une capacité de 1 000 kVA. Au-delà de ces capacités, qu'il s'agisse de transformateurs de secours ou de transformateurs fonctionnant de manière intermittente, l'aluminium s'avère être un meilleur choix.
En ce qui concerne la conformité, il en va de même pour les deux matériaux. Les réglementations sur l'efficacité en place, y compris celles établies par le DOE américain et le niveau 2 des normes d'efficacité de l'UE, impliquent que si la conception en aluminium respecte la classification d'efficacité, elle est conforme aux réglementations. La seule chose dont on a généralement besoin dans ce cas est d'utiliser un noyau plus grand et des conducteurs plus grands – des matériaux qui feraient naturellement une différence dans les pertes d'énergie en pratique.
Comment cette différence de prix se répartit entre les classifications est plus facile à voir dans des devis réels que dans la théorie, et l'écart entre les tailles est couvert dans cette analyse des prix des transformateurs au niveau de 100 kVA.
Connexions : Où l'aluminium mérite sa réputation
Cette section explique la majorité des résultats du monde réel.
Le cuivre s'oxyde également, mais l'oxyde de cuivre est un semi-conducteur et se décompose sous pression de contact, ce qui signifie que lorsque la connexion en cuivre est serrée, la connexion métal à métal est rétablie. L'oxyde d'aluminium, en revanche, consiste en un isolant dur et résistant avec un point de fusion très élevé qui ne se décompose pas sous pression et qui se forme rapidement sur une surface nouvellement abrasée. Une connexion paraissant serrée peut avoir une résistance suffisamment élevée pour produire de la chaleur.
Cette caractéristique unique sert d'explication aux échecs du câblage en aluminium en Amérique du Nord dans les années 1970 et à la raison pour laquelle tout transformateur en aluminium fiable utilise de nombreuses contre-mesures combinées.
- Placage. Le placage en cuivre ou en étain du conducteur en aluminium empêche la formation d'oxyde à l'interface de contact.
- Joints de transition. Une pièce de transition cuivre-aluminium, soit soudée par friction, soit liée de manière explosive, passe d'une interface difficile à contrôler à une pièce contrôlée en usine.
- Soudage ultrasonique. Brise la couche d'oxyde et lie au niveau moléculaire, créant une jointure avec une interface exempte de corrosion.
- Composé antioxydant combiné avec un connecteur approprié. La terminaison sur site doit inclure une pâte et un matériel adaptés au conducteur en aluminium. Les codes sont généralement stricts concernant la compatibilité de la connexion avec le matériau du conducteur.
- Les transformateurs en aluminium modernes ayant des conducteurs plaqués avec des joints de transition en usine sont des dispositifs fiables, contrairement à un transformateur en aluminium terminé sur le terrain par quelqu'un qui n'est pas familier avec les règles et qui a ainsi gagné cette mauvaise réputation.
Si un enroulement finit par échouer, la question de savoir s'il peut être reconstruit est une question matérielle à part entière. Le cuivre se réenroule proprement et est facile à souder ; l'aluminium est plus difficile à réparer et est souvent mis au rebut à la place, ce qui constitue le contexte pratique pour le réenroulement et la réparation de transformateurs.
Durée de vie et ce qui vieillit réellement
En ce qui concerne l'isolation, l'âge est un facteur clé car il est affecté par l'augmentation de la température. Chaque augmentation de 8-10°C des températures de point chaud peut entraîner une réduction de la durée de vie de l'isolation. L'essence de l'isolation thermique peut être observée à partir de ces variations de température plutôt qu'à partir des propriétés métalliques.
De plus, le cuivre génère le moins de résistance par rapport à l'aluminium, c'est pourquoi très peu de chaleur se forme avec le cuivre puisque la chaleur est moindre. De plus, le cuivre peut répartir la chaleur de manière uniforme et très efficace. L'aluminium produit encore plus de chaleur, mais il ne peut pas la dissiper efficacement, ce qui augmente le point chaud pour le même design à moins qu'un refroidissement supplémentaire ne soit fourni.
La technologie de l'aluminium peut traiter tous ces problèmes efficacement, et l'une des meilleures façons de le faire est d'améliorer l'isolation. Passer de la classe B (à 130°C) à la classe H (à 180°C) signifie que le désavantage thermique est compensé, ce qui est une approche standard pour des constructions en aluminium fondamentalement bonnes. Le métal n'est pas changé ; mais ce qui a changé, ce sont les conditions environnantes.
En ce qui concerne l'environnement agressif, l'humidité et les produits chimiques affectent le cuivre, tandis que l'aluminium seul est acceptable uniquement lorsqu'il est revêtu. Il existe une réelle différence entre les inspections sur l'aluminium et le cuivre, si l'installation est côtière et a vingt ans d'exposition au sel.
Maintenant, parlons de la durée de vie réelle : un transformateur en cuivre de bonne qualité peut servir pendant plus de 30 ans dans des conditions normales et avec un entretien régulier ; en revanche, un transformateur en aluminium peut atteindre la même espérance de vie si ses bornes sont bien entretenues.
Comment savoir ce que vous avez
Quatre méthodes, classées par ordre d'effort requis, du minimum au maximum.
- Le test de rayure. Vous devez rayer un conducteur de bobinage jusqu'à ce que le métal en dessous devienne visible. Le cuivre prendra une lueur rougeâtre tandis que l'aluminium restera blanc argenté. Bien que les couleurs de l'isolation ne fournissent aucune information fiable sur le métal utilisé, car le cuivre et l'aluminium utilisent tous deux un émail ambre similaire, c'est le test que les ferrailleurs utilisent généralement pour éviter de payer un tarif en cuivre pour une unité en aluminium.
- La plaque signalétique. De nombreux fabricants indiquent quel type de métal est utilisé dans la fabrication des bobinages, et donc si une plaque signalétique indique que de l'aluminium est utilisé, cette déclaration est définitive. L'absence d'une telle indication ne signifie rien.
- Le poids. Comparez avec le poids publié du design. Une unité en aluminium avec la même puissance en kVA et du même type d'enveloppe pèse généralement 20 à 40 % de moins qu'une unité en cuivre de la même configuration, car le réservoir et le noyau dominent.
- La résistance. Vous devez simplement tester la résistance DC pour chaque bobinage et comparer avec la valeur de résistance calculée du cuivre.
L'approche de mesure et les valeurs d'acceptation sont les mêmes que celles utilisées lors de la mise en service, décrites dans ce guide pour tester un transformateur avant qu'il ne soit alimenté.
Choisir : Les règles de décision
Cinq règles directrices destinées à des fins de spécification.
- Fonctionnement continu lourd. Cuivre. La différence d'efficacité est compensée et la marge thermique prolonge la durée de vie.
- Installation avec des limitations de poids. Aluminium. Cela peut être une installation sur poteau, un toit, une structure avec des limites, ou tout site où la grue est un facteur limitant.
- Accès difficile à l'entretien. Cuivre. Moins de connexions à resserrer, et moins de dépendance à une critique selon laquelle tout a été fait correctement.
- Environnement difficile. Cuivre ou aluminium avec un revêtement approprié et un historique d'inspections.
- Un projet avec un budget limité et une faible utilisation. Aluminium. La considération du cycle de vie est inaudible pour les transformateurs fonctionnant moins de 800 heures par an.
Two specifications surpass the five mentions above. If customer standard states copper, it’s something to use regardless of calculations. If the fault current in the bus is high, it will turn from the efficient material argument to mechanical strength into the matter of safety rather than wasting money. A standard unit such as a transformateur abaisseur de 150 kVA is available in either material, and the right choice depends on which of these rules binds.
Scrap Value and End of Life
The metal matters at the end too, and the difference is not small.
| Matériau | Whole-unit scrap | Stripped winding |
|---|---|---|
| Copper-wound transformer | $0.25–$0.60/lb, average about $0.35 | $3.20–$3.90/lb as #2 copper |
| Aluminum-wound transformer | $0.10–$0.20/lb | Much lower; rarely worth stripping |
The significant difference between the pricing policies of whole-unit and stripped units necessitates yards knowing what the winding is before quoting the price. This means also that the copper transformer has residual value, which aluminum does not possess, and therefore must be a part of the total cost of ownership of а big unit.
There are two warnings before hauling away anything. Oil-filled units should be drained and the oil produced prior to 1979 may contain PCBs and hence classifies the equipment as hazardous waste instead of a scrap. Confirm the age and also check the nameplate for the non-PCB mark before arranging for collection.
FAQ
What are the differences between copper and aluminum transformers?
The main difference is conductivity: an aluminum wire carries 61% of the load of a copper wire with the same cross-section. This means that an aluminum wind has to be around 1.6 times bigger with half the weight. The strength of copper is higher and the expansion is less, where copper is better at resisting short-circuit forces, and the termination is more reliable because the copper oxide can conduct. The price of aluminum is 15-30% lower, its weight is around 40% less.
How to tell if a transformer is copper or aluminum?
To get to the bare metal of a winding conductor, scratch the surface. The copper is red and aluminum is silver-white; however, it must be stressed that the colour of the enamel is not diagnostic. If scratch tests cannot be done, compare the weight of the unit with figures available in the literature or measure the DC resistance of a coil, where the ratio will be around 1.6 times for aluminum as compared to copper for the same design.
Why can’t aluminum and copper be used together?
They can, but not if contacting them directly in a moist environment. A galvanic couple is formed when these two metals are connected, which means that aluminum will be corroded first in this connection. Therefore, we have to use an approved bimetal connector for each connection, a transition plate made out of friction welding, or a coated barrier. Most jurisdictions require the connectors to be made for the particular conductor materials used, thus using a bare copper lug with the aluminum conductor is a non-compliance case and a corrosion threat.
What’s the scrap value of a copper transformer?
Copper-wound transformers go for a total of $0.25 to $0.60 per pound for a total value of about $0.35, depending on factors such as copper-to-steel ratio and yard. If the windings are removed, the copper alone will sell for #2 with a price tag of $3.20 to $3.90 per pound, explaining why high-volume scrap collectors dismantle transformers. Aluminum-wound transformers are worth $0.10-0.20 per pound and seldom justify windings being ripped off.
Références
- Maddox Transformer — Aluminum vs Copper in Distribution Transformers
- Elscott Transformers — Copper vs Aluminum Dry-Type Transformer Windings
- Copper Development Association — Conductivity and Application Data
- UL Solutions — Transformer Listing and Construction Requirements
- U.S. Department of Energy — Normes d'Efficacité des Transformateurs de Distribution
Conclusion
Transformers made from copper and aluminum are important in their own way. The correct type for a specific transformer is determined by its operation mode rather than personal choice. Copper ones are suitable for continuous loads, extreme conditions, difficult maintenance, and long service life. At the same time, aluminum is only suitable if the transformer is light and cheap, and the situation allows the use of aluminum materials.
The price of the transformer does not matter here. The only point which matters is the difference in annual costs of losses depending on the time of usage. For example, if the transformer is used only a few hundred hours a year, the annual difference will be negligible and close to zero.