Hoe gaan kabels van aluminiumlegering om met mechanische spanning of trillingen?

Kabels van aluminiumlegeringen worden steeds vaker gebruikt in moderne elektrische en krachtoverbrengingssystemen vanwege hun uitstekende combinatie van lichtgewicht, geleidbaarheid en corrosieweerstand. Een van de meest voorkomende zorgen onder ingenieurs, installateurs en eindgebruikers is echter hoe deze kabels presteren onder mechanische belasting of trillingen. Het begrijpen van hun gedrag onder dergelijke omstandigheden is van cruciaal belang voor een veilige, betrouwbare en langdurige werking in omgevingen variërend van bovengrondse elektriciteitsleidingen tot industriële machines.

1. Overzicht van kabels van aluminiumlegering

Kabels van aluminiumlegering bestaan voornamelijk uit aluminium gecombineerd met andere elementen zoals koper, magnesium of silicium. Dit legeringsproces verbetert de mechanische sterkte van aluminium terwijl de lichtgewicht en geleidende eigenschappen behouden blijven.

Belangrijkste voordelen van kabels van aluminiumlegering:

• Lichtgewicht : Aluminiumlegeringen zijn aanzienlijk lichter dan koper, waardoor de belasting op ondersteunende structuren wordt verminderd.
• Corrosiebestendigheid : Bepaalde legeringen vertonen een uitstekende weerstand tegen aantasting door het milieu.
• Goede elektrische geleidbaarheid : Hoewel ze lager zijn dan koper, kunnen moderne aluminiumlegeringen een hoge geleidbaarheid bereiken terwijl ze het gewicht minimaliseren.
• Kosteneffectiviteit : Aluminium is over het algemeen goedkoper dan koper, waardoor het de voorkeur geniet voor grootschalige toepassingen zoals bovengrondse lijnen.

Ondanks deze voordelen zijn aluminiumlegeringen inherent zachter dan koper, wat betekent dat ze gevoeliger kunnen zijn voor mechanische vervorming als ze niet op de juiste manier zijn ontworpen. Daarom is het essentieel om hun gedrag onder stress en trillingen te begrijpen.

2. Soorten mechanische spanning en trillingen in kabels

Mechanische spanning verwijst naar de krachten die op een kabel worden uitgeoefend en die vervorming, uitrekking of buiging kunnen veroorzaken. Trilling is een herhaalde of oscillerende spanning die in de loop van de tijd optreedt. Kabels van aluminiumlegeringen worden afhankelijk van hun toepassing blootgesteld aan verschillende vormen van spanning en trillingen.

2.1 Trekspanning

Trekspanning treedt op wanneer een kabel over de lengte ervan wordt getrokken. Hoogspanningslijnen ervaren bijvoorbeeld trekspanningen als gevolg van hun gewicht en omgevingskrachten zoals wind en ijs. Aluminiumlegeringen moeten voldoende treksterkte hebben om rek of permanente vervorming te voorkomen.

2.2 Drukspanning

Hoewel minder vaak voorkomend dan trekspanning, kunnen drukkrachten optreden wanneer kabels tussen structurele elementen worden geklemd of gedrukt. Overmatige compressie kan leiden tot plaatselijke vervorming en een kleiner dwarsdoorsnedeoppervlak, wat de geleiding kan aantasten.

2.3 Buigspanning

Kabels moeten vaak om hoeken worden gebogen of door krappe ruimtes worden geleid. Herhaaldelijk buigen kan vermoeidheid, microscheuren of breuk van de geleiderstreng veroorzaken, vooral bij legeringen met een lagere ductiliteit. De juiste richtlijnen voor de buigradius zijn van cruciaal belang om schade te voorkomen.

2.4 Torsiespanning

Torsie verwijst naar draaiende krachten langs de as van de kabel. Dit soort spanning kan worden geïntroduceerd tijdens de installatie of door omgevingseffecten zoals door de wind veroorzaakte trillingen. Kabels van aluminiumlegeringen die zijn ontworpen met gevlochten geleiders kunnen enige torsiespanning absorberen zonder te breken.

2.5 Trillingsstress

Trillingen zijn herhaalde of oscillerende spanningen die het falen van vermoeiing in metalen geleiders kunnen versnellen. Trillingsstress kan het gevolg zijn van:

• Wind zorgt ervoor dat bovengrondse geleiders gaan trillen (Eolische trillingen).
• Mechanische apparatuur in industriële omgevingen.
• Transport en behandeling tijdens installatie.

Herhaalde trillingen, ook al zijn ze klein, kunnen na verloop van tijd leiden tot microbreuken in de strengen, het losraken van connectoren of slijtage van de isolatie.

3. Hoe kabels van aluminiumlegeringen reageren op mechanische belasting

De reactie van kabels van aluminiumlegeringen op mechanische spanning hangt af van verschillende factoren, waaronder het type legering, het ontwerp van de geleider en de gebruiksomgeving.

3.1 Samenstelling van de legering en mechanische sterkte

Aluminiumlegeringen zijn ontworpen om een evenwicht te bereiken tussen geleidbaarheid en mechanische sterkte. Veelgebruikte legeringen, zoals 1350, 6201 of ACSR-varianten (Aluminum Conductor Steel Reinforced), vertonen een hogere treksterkte dan puur aluminium, terwijl ze een redelijke geleidbaarheid behouden.

Bijvoorbeeld:

• 1350 legering : Hoge geleidbaarheid maar lagere treksterkte, geschikt voor toepassingen met lage spanning.
• 6201 Legering : Hogere treksterkte en gematigde geleidbaarheid, ideaal voor bovengrondse geleiders onder mechanische belasting.
• ACSR : Combineert een aluminium geleider met een stalen kern, waardoor de treksterkte dramatisch toeneemt terwijl de lichtgewichteigenschappen behouden blijven.

3.2 Ontwerp met gestrande geleider

Kabels van aluminiumlegeringen worden meestal vervaardigd als gestrande geleiders in plaats van massieve. Dit biedt verschillende voordelen:

• Verhoogde flexibiliteit, waardoor de gevoeligheid voor buig- en torsiebelasting wordt verminderd.
• Betere weerstand tegen vermoeidheid bij herhaalde trillingen.
• Gelijkmatige verdeling van mechanische spanning over de strengen, waardoor falen van één streng wordt voorkomen.

3.3 Weerstand tegen vermoeidheid

Vermoeidheid is een van de voornaamste zorgen in trillingsomgevingen. Gestrande geleiders van aluminiumlegering kunnen cyclische spanning beter verdragen dan massieve geleiders, omdat de strengen enigszins ten opzichte van elkaar kunnen bewegen, waardoor energie wordt geabsorbeerd zonder te breken. De samenstelling van de legering en het aantal strengen zijn echter cruciaal bij het definiëren van de vermoeiingslevensduur.

3.4 Kruip en vervorming op lange termijn

Onder aanhoudende mechanische belasting kunnen aluminiumlegeringen in de loop van de tijd ‘kruipen’, een langzame, permanente verlenging. Hoogwaardige legeringen en goed gespannen ontwerpen minimaliseren kruip, waardoor bovengrondse of industriële kabels hun mechanische integriteit tientallen jaren behouden.

4. Beperking van mechanische spanning en trillingen

Om ervoor te zorgen dat kabels van aluminiumlegeringen goed presteren onder mechanische belasting en trillingen, worden verschillende technische praktijken toegepast:

4.1 Correcte selectie van legering en geleidertype

Het kiezen van de juiste legering en geleidertype voor de toepassing is essentieel. Bijvoorbeeld:

• 6201- of ACSR-kabels met hoge treksterkte worden gebruikt voor bovengrondse transmissielijnen met grote overspanningen.
• 1350-kabels met lage treksterkte kunnen geschikt zijn voor stroomdistributie over korte afstanden in omgevingen met weinig spanning.

4.2 Strengen- en legpatronen

• Concentrische stranding : Meest gebruikelijk, biedt een uniforme spanningsverdeling.
• Gecomprimeerde stranding : Verkleint de diameter van de geleider, waardoor de sterkte-gewichtsverhouding en de trillingsweerstand worden verbeterd.
• Speciale legpatronen : Geoptimaliseerd voor Eolische trillingen of torsiebelasting in specifieke toepassingen.

4.3 Trillingsdempers en steunen

Bovengrondse kabels zijn vaak uitgerust met trillingsdempers, afstandhouders of dempingsinrichtingen om trillingen te minimaliseren. Deze apparaten voorkomen overmatige trillingsbelasting die tot vermoeidheid of schade aan de strengen zou kunnen leiden.

4.4 Juiste installatiepraktijken

• Het garanderen van de juiste buigradius tijdens de installatie voorkomt plaatselijke spanningsconcentratie.
• Het op de juiste manier spannen van kabels vermindert doorbuiging en spanning onder wind- of ijsbelasting.
• Door scherpe bochten of overmatig draaien tijdens het frezen te vermijden, blijft de structurele integriteit behouden.

4.5 Regelmatig onderhoud en monitoring

Periodieke inspectie van kabels van aluminiumlegeringen kan vroege tekenen van spanning, vermoeidheid of slijtage detecteren. Geavanceerde bewakingssystemen kunnen onder meer trillingssensoren of spanningsmeetapparatuur voor kritieke bovengrondse lijnen omvatten.

5. Casusvoorbeelden van omgaan met stress

5.1 Bovengrondse krachtoverbrenging

Hoogspanningslijnen die gebruikmaken van kabels van aluminiumlegeringen moeten bestand zijn tegen door de wind veroorzaakte trillingen, ijsbelasting en thermische uitzetting. ACSR-kabels worden vaak gebruikt vanwege de treksterkte van de stalen kern en de geleidbaarheid van de aluminium buitenstrengen. Om de paar overspanningen worden trillingsdempers geïnstalleerd om Eolische trillingsschade te voorkomen.

5.2 Industriële machines

Kabels die motoren of bewegende apparatuur voeden, ondergaan constante trillingen en buiging. Gestrande kabels van aluminiumlegering met flexibele isolatie worden gebruikt om vermoeidheid tegen te gaan, breuk van geleiders te verminderen en een continue elektrische geleiding te behouden.

5.3 Maritieme toepassingen

Schepen en offshore-installaties gebruiken kabels van aluminiumlegeringen om gewicht te verminderen. Hier komt mechanische spanning voort uit zowel de beweging van het vaartuig als omgevingsfactoren. Kabels zijn ontworpen met gevlochten geleiders, trillingsbestendige isolatie en goede klemming om slijtage te verminderen.

6. Voordelen en beperkingen bij het omgaan met mechanische stress

Voordelen:

• Lichtgewicht vermindert de mechanische belasting op steunen.
• Gestrande ontwerpen absorberen trillingen en buigen.
• Door de keuze van de legering kan de sterkte en geleidbaarheid worden aangepast.
• Lange levensduur bij juiste installatie en onderhoud.

Beperkingen:

• Aluminiumlegeringen hebben een lagere treksterkte dan koper, waardoor een zorgvuldig ontwerp vereist is voor toepassingen met hoge spanning.
• Gevoelig voor kruip onder aanhoudende spanning als legeringen met een lage sterkte worden gebruikt.
• Vermoeidheid kan gedurende lange perioden optreden als de trillingen niet worden verminderd.

7. Praktische aanbevelingen

• Selecteer geschikte legeringen gebaseerd op treksterktevereisten en omgeving.
• Gebruik gestrande geleiders met geoptimaliseerde legpatronen voor flexibiliteit en weerstand tegen vermoeidheid.
• Trillingsdempers installeren in bovengrondse systemen waar door de wind veroorzaakte oscillatie waarschijnlijk is.
• Volg de installatierichtlijnen met betrekking tot buigradius, spanning en steunafstand.
• Regelmatig inspecteren en onderhouden kabels om vroege tekenen van stress of vermoeidheid te detecteren.

Conclusie

Kabels van aluminiumlegeringen zijn een veelzijdige en praktische oplossing voor een breed scala aan elektrische toepassingen. Hun vermogen om met mechanische spanningen en trillingen om te gaan, hangt af van een zorgvuldige keuze van de legeringen, het ontwerp van de geleiders, de installatie en het onderhoud. Hoewel ze de inherente treksterkte van koper niet kunnen evenaren, maken hun lichtgewicht karakter, corrosieweerstand en flexibiliteit ze ideaal voor omgevingen waar mechanische spanning en trillingen belangrijke factoren zijn.

Door inzicht te krijgen in de soorten mechanische spanning en trillingen waarmee kabels van aluminiumlegeringen te maken krijgen, en door best practices te implementeren op het gebied van ontwerp, installatie en monitoring, kunnen ingenieurs en technici ervoor zorgen dat deze kabels decennialang betrouwbaar presteren, waarbij zowel de elektrische efficiëntie als de structurele integriteit behouden blijven.