Ketika Anda melihat sekilas pada saluran listrik, kemungkinan besar terbuat dari aluminium, meskipun di laboratorium tembaga adalah konduktor yang lebih baik. Faktor penentu penggunaan aluminium bukanlah listrik tetapi berat, panjang rentang, dan harga. Artikel ini menguraikan penggunaan masing-masing bahan, menjelaskan mengapa aluminium telah mengungguli tembaga dalam kasus saluran transmisi overhead tetapi masih bersaing dengannya dalam transmisi bawah tanah dan switchgear serta menggambarkan apa yang terjadi pada titik terminasi saluran.
Jawaban singkat: Sebagian besar transmisi daya listrik overhead dilakukan melalui kawat aluminium, karena kawat ini menyumbang lebih dari 90% dari kawat transmisi daya yang diimpor. Kawat aluminium yang digunakan untuk transmisi daya listrik umumnya dikenal sebagai ACSR, yang merujuk pada kawat aluminium berinti baja. Kawat tembaga digunakan dalam kasus di mana ruang dan keandalan sambungan harus diutamakan daripada berat kawat, seperti instalasi kabel, bus, motor, dan trafo. Aluminium hanya menghantarkan sekitar 60% dari listrik yang dapat dihantarkan tembaga dan biayanya sekitar 25-30% dari biaya tembaga, namun beratnya 70% lebih ringan dari tembaga dan berarti bahwa kawat aluminium dengan resistivitas yang sama dengan tembaga memiliki berat kira-kira setengah karena memiliki resistansi listrik yang sama dengan kawat tembaga dan diameternya sedikit lebih besar.
Angka-angka yang menyelesaikan perdebatan
Kedua logam unggul dalam menghantarkan listrik, tetapi perbedaannya jauh lebih kecil daripada yang diperkirakan kebanyakan orang ketika kita tidak membandingkan kawat dengan ukuran yang sama tetapi kawat dengan kapasitas yang sama. Tembaga unggul karena lebih volumetrik; tembaga dapat membawa lebih banyak listrik untuk kawat dengan luas yang sama. Aluminium unggul berkat berat jenisnya; secara signifikan lebih ringan dan jauh lebih murah untuk konduktansi yang sama.
| Properti pada 20 °C | Tembaga yang ditarik keras | Aluminium yang ditarik keras | Baja galvanis |
|---|---|---|---|
| Resistivitas (×10-8 Ω·m) | 1.72 | 2.83 | sekitar 14 |
| Konduktivitas (1% IACS) | 97 (tembaga annealed 100) | 61 | sekitar 12 |
| Kepadatan (kg/m³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Kekuatan tarik ultimate (MPa) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Koefisien suhu (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Biaya material relatif (indikatif 2026) | USD 8.800-11.000 per ton | USD 2.400-3.200 per ton | Tergantung aplikasi |
Dalam hal rekayasa, implikasinya menjadi jelas. Ketika berbicara tentang resistansi listrik, aluminium memiliki luas permukaan sekitar 1,6 kali lebih besar daripada tembaga, yang kira-kira 1,28 kali lebih lebar dari tembaga. Namun, meskipun ukuran konduktor ini, beratnya hanya sekitar setengahnya. Selain itu, karena harga bahan baku untuk produksi aluminium jauh lebih rendah daripada tembaga, konduktor aluminium dengan ukuran yang sama biayanya sekitar 35-50% dari konduktor tembaga dan juga 52% lebih ringan.
Sedangkan aluminium memiliki kelemahan besar dalam hal mekanis. Kekuatan tariknya hampir setengah lebih rendah dibandingkan tembaga. Selain itu, aluminium memiliki kelemahan saat beban jangka panjang karena mengalami perpanjangan.
Mengapa aluminium memenangkan saluran overhead
Dengan membagi dua tanggung jawab, masalah tersebut hilang sepenuhnya. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) terdiri dari kawat aluminium di luar dan inti baja serta baja galvanis di dalam. Inti baja mempertahankan tegangan sementara aluminium bertanggung jawab untuk membawa arus. Baja hampir tidak berperan dari sudut pandang listrik karena terletak di inti konduktor, dengan kerapatan arusnya menjadi yang terendah pada jenis konduktor ini. Konduktor ini ditandai sebagai 54/7, yang berarti terdapat 54 kawat aluminium mengelilingi 7 helai inti baja.
Ketika konduktor dibuat ringan, konstruksi seluruh sistem transmisi menjadi lebih murah. Kawat yang lebih ringan memungkinkan rentang yang lebih panjang antara menara, yang berarti lebih sedikit menara, fondasi yang lebih kecil, dan lahan yang lebih sedikit dibersihkan. Menurut berbagai perkiraan industri, penghematan untuk infrastruktur ketika menggunakan sistem seluruh tembaga dapat mencapai 20-40%. Pada jalur yang lebih panjang, keunggulan ini melampaui semua perhitungan efisiensi konduktivitas.
Ada bonus lain yang perlu dipertimbangkan. Karena desain konduktor AC dengan resistansi yang sama sekitar 28% lebih lebar dalam diameter, muatan listrik didistribusikan di permukaan lebih merata dan efek pelepasan corona berkurang. Apa yang tampak sebagai kelebihan ukuran di lokasi konstruksi menjadi bonus yang baik pada tingkat tegangan 400 kV.
| Konduktor | Konstruksi | Sumber kekuatan | Tempat penggunaannya |
|---|---|---|---|
| AAC | Helai aluminium murni | Hanya aluminium | Rentang pendek, bus gardu, distribusi perkotaan |
| AAAC | Helai paduan aluminium-magnesium-silikon | Paduan | Atmosfer pesisir dan industri; tanpa korosi bimetalik |
| ACSR | Aluminium di atas inti baja galvanis | Inti baja | Standar untuk transmisi overhead di seluruh dunia |
| ACAR | Aluminium di atas helai paduan aluminium | Inti paduan | Rute sensitif korosi yang membutuhkan kekuatan lebih dari AAC |
| ACSS | Aluminium annealed di atas inti berdaya tahan tinggi | Inti, pada dasarnya seluruhnya | Peningkatan kapasitas jalur yang sudah ada; suhu operasi tinggi |
Di mana tembaga masih unggul, dan mengapa
Kabel bawah tanah adalah benteng terakhir tembaga dalam industri kabel, dan alasan untuk itu adalah masalah ruang. Sebuah parit, saluran, atau baki kabel memiliki ruang yang telah ditentukan, dan setiap milimeter persegi tambahan dari konduktor perlu dibenarkan dengan usaha penggalian, penyaluran, dan penarikan. Di mana pun ada kebutuhan untuk penampang besar, konduktivitas tembaga memenangkan kompetisi. Penggunaan di bawah air menciptakan satu alasan lagi untuk penggunaan tembaga: konstruksi yang kuat untuk jalur panjang tanpa penopang dan di titik masuk di mana kabel ditarik.
Dalam perangkat listrik gambaran menjadi lebih jelas. Busbar, lilitan motor dan trafo, kumparan kontaktor, kabel kontrol semuanya terbuat dari tembaga, karena rumah memiliki ukuran tetap, dan kualitas sambungan lebih penting daripada harga logam. Busbar listrik 3.200 A yang terbuat dari tembaga harus memiliki penampang sekitar 1,6 kali lebih kecil dibandingkan aluminium yang biasanya tidak muat. Traksi DC (rel ketiga metro dan sistem overhead, tungku busur, pabrik elektrolitik) tetap menggunakan tembaga untuk tujuan yang sama.
Kemudian ada argumen konversi: sistem arus apa pun yang dibangun dari tembaga tidak dapat dialihkan ke aluminium tanpa mengubah semua asumsi mengenai ampacity, rating gangguan, dan pengaturan proteksi secara bersamaan.
Mode kegagalan yang membuat aluminium mendapat reputasi buruk
Aluminium telah mendapatkan reputasi buruk yang sebagian besar memang pantas — tetapi itu bukan kesalahan materialnya. Pada masa biaya tembaga yang belum pernah terjadi sebelumnya, diasumsikan bahwa teknologi, perangkat, dan nilai torsi yang sama yang digunakan pada tembaga juga akan bekerja saat menggunakan aluminium di rumah-rumah di Amerika Utara. Tiga sifat kemudian berperan dalam situasi ini.
Pertama, aluminium bereaksi dengan oksigen dan membentuk lapisan oksida, yang merupakan bahan isolasi dengan titik leleh sekitar 2.072 °C; oleh karena itu, baik untuk ketahanan korosi dan tidak baik untuk terminal sekrup. Kedua, aluminium mengembang jauh lebih banyak daripada tembaga selama siklus termal; oleh karena itu, sambungan yang dibuat akan menjadi longgar setelah banyak siklus termal. Ketiga, karena aluminium anodis terhadap tembaga, keberadaan kelembaban menyebabkan korosi galvanik pada kontak setiap kali ada kontak langsung antara kedua logam tersebut.
Semua masalah ini menyebabkan satu kegagalan klasik: stop kontak menjadi cukup panas hingga menghasilkan busur listrik. Solusi untuk membuat instalasi aluminium modern aman adalah senyawa penghambat oksida yang diterapkan langsung pada sambungan, perangkat berperingkat CO/ALR yang digunakan khusus untuk konduktor aluminium, sambungan transisi bimetalik antara tembaga dan aluminium, serta nilai torsi yang dihitung dan dipertimbangkan sesuai dengan sifat pengembangan aluminium.
Bagi siapa saja yang bekerja pada sirkuit cabang aluminium yang sudah ada, diagnosisnya adalah panas daripada penampilan. Sebuah terminasi yang mulai gagal biasanya akan menunjukkan isolasi yang berubah warna, perangkat yang terbakar, atau trip gangguan jauh sebelum benar-benar gagal, dan sidik jari yang sama — kehangatan di bawah beban ringan, kemudian trip yang tidak masuk akal — adalah cara Anda menangkap pemutus sirkuit yang telah rusak di ujung lain dari sirkuit.
Menyesuaikan konduktor dengan kelas tegangan
Cara transmisi daya berubah seiring perubahan tegangan transmisi, dan perubahan ini disebabkan oleh geometri dan bukan ekonomi. Di atas sekitar 220 kV, saluran membawa lebih dari satu konduktor per fase, dan logika yang sama yang mengatur perbedaan antara tegangan tinggi dan tegangan rendah desain menentukan berapa banyak. Saluran 400 kV biasanya menjalankan dua atau empat sub-konduktor per fase dalam satu bundel daripada satu konduktor yang sangat besar.
Perubahan dalam transmisi daya berkaitan dengan induktansi dan efek corona. Induktansi saluran daya hanya ditentukan oleh jari-jari fisik kawat, dan peningkatan jari-jari kawat tunggal tidak banyak mempengaruhi induktansi. Untuk membuatnya efektif, kawat dikumpulkan menjadi sejumlah kawat yang lebih kecil, sehingga jari-jari efektif meningkat dengan jumlah kawat, sambil menjaga medan listrik di permukaan cukup rendah untuk menghindari corona. Oleh karena itu, kandungan aluminium dalam kawat meningkat dengan tegangan, dan desain kawat dilakukan sebelumnya, sehingga tidak bergantung pada pabrikan.
| Nama kode ACSR | Stranding Al / baja | Diameter keseluruhan | Resistansi DC pada 20 °C | Penggunaan tipikal |
|---|---|---|---|---|
| Anjing | 6/4.72 + 7/1.57 | 14,15 mm | 0,2745 Ω/km | Saluran 33-66 kV |
| Macan kumbang | 30/3.00 + 7/3.00 | 21,00 mm | 0,1390 Ω/km | Saluran 132 kV |
| Zebra | 54/3.18 + 7/3.18 | 28,62 mm | 0,0688 Ω/km | 220 kV dan 400 kV, bundel |
| Rusa besar | 54/3.53 + 7/3.53 | 31,77 mm | 0,0561 Ω/km | 400 kV, bundel kembar atau kuad |
Nama-nama ini berasal dari katalog konduktor nasional, sementara angka-angka yang mengikuti — termasuk diameter, stranding, resistansi, dan jari-jari rata-rata geometris — adalah pertimbangan utama dalam merancang sebuah saluran. Aspek pertama yang berkaitan dengan substansi konduktor diselesaikan jauh sebelum meninjau tabel konduktor.
Ampasitas, suhu dan rating terminal
Konduktivitas aluminium yang lebih rendah juga tercermin dalam tabel ampacity. Dengan ukuran konduktor yang sama, aluminium mampu menghantarkan sekitar 78-80% dari ampacity tembaga pada rating suhu isolasi yang sama. Misalnya, konduktor 1/0 yang diberi rating 75 °C memiliki ampacity 150 A pada tembaga dan ampacity 120 A pada aluminium. Untuk mencapai tingkat ampacity yang sama, perlu menggunakan konduktor yang lebih besar — aturan umum adalah menggunakan konduktor yang dua ukuran AWG lebih besar daripada pada tembaga. Pada akhirnya, ini membawa masalah ruang — konduktor aluminium yang menghantarkan arus yang dibutuhkan memerlukan ukuran raceway yang berbeda, lug yang berbeda, dan lebih banyak ruang di panel.
Dua detail dalam kode menciptakan sebagian besar kasus kesalahan di lapangan. Yang pertama adalah fakta bahwa ampacity tergantung pada rating suhu dari kabel dan terminal. Konduktor berisolasi 90 °C yang terhubung ke terminal dengan rating 75 °C hanya dapat digunakan pada angka yang lebih rendah kecuali perakitan tersebut tercantum sebaliknya, dan pencantuman itu adalah tepat apa sebuah pemutus sirkuit molded case UL 489 nyatakan dalam rating suhu terminalnya daripada dalam literatur pemasaran. Detail kedua adalah bahwa sambungan aluminium harus dibuat menggunakan konektor yang tercantum sebagai cocok untuk kabel aluminium, menggunakan torsi yang disebutkan sebelumnya dan inhibitor oksida sesuai dengan spesifikasi produsen konektor.
Apa arti ini untuk switchgear dan terminal
Pada tahap ini, keputusan yang dibuat oleh konduktor bukan lagi keputusan mengenai kabel, tetapi mengenai switchgear. Penggunaan feeder aluminium mengharuskan setiap peralatan yang terhubung ke kabel memiliki rating untuk aluminium dan tembaga; peralatan terminal harus bimetalik yang melibatkan sambungan aluminium dan tembaga di mana pun aluminium digunakan bersama tembaga.
Lini produksi HUYU membuat komponen seperti MCB, MCCB, pemutus sirkuit udara, kontaktor, relay, transformator arus, perangkat proteksi lonjakan, saklar transfer otomatis, dan kotak penggabung PV. Kami tidak memproduksi kabel, sehingga kami tidak menganggap bahwa pilihan antara aluminium dan tembaga adalah tanggung jawab kami. Yang kami lakukan adalah memasok peralatan yang terminalnya memiliki rating untuk keduanya, dengan data torsi dan rentang konduktor yang dipublikasikan — sebuah DIN-rail pemutus sirkuit miniatur ini hanyalah perangkat 63 A sejauh terminalnya menerima konduktor yang Anda bawa ke dalamnya.
Seperti yang telah kami pelajari dari pengalaman kami dengan kegagalan di lapangan, penting untuk diingat bahwa setiap kali feeder mengganti material selama jalur, sambungan perubahan tersebut harus berada di terminal yang ditunjuk atau pada konektor bimetalik — jangan pernah di tengah jalur dengan baut belah dan sepotong pita.
Cara memutuskan pada proyek nyata
| Aplikasi | Material | Alasan |
|---|---|---|
| Transmisi dan distribusi overhead | Aluminium (ACSR / AAAC) | Berat, panjang bentang, biaya menara, diameter dan corona |
| Kabel bawah tanah dan bawah laut | Tembaga, kadang-kadang aluminium untuk LV besar | Penampang mahal; ketahanan di titik pendaratan |
| Busbar switchgear dan kabel kontrol | Tembaga | Volume enclosure tetap; keandalan koneksi |
| Gulungan motor dan trafo | Tembaga; aluminium pada unit distribusi yang didorong oleh biaya | Ruang gulungan, kerugian, dissipasi panas |
| Feeder bangunan, sirkuit yang lebih besar | Aluminium untuk ukuran dan biaya; tembaga untuk rute ketat | Pertukaran antara biaya logam dan ruang raceway |
| Instalasi yang sudah ada | Sesuaikan dengan yang sudah ada | Hindari studi re-rating dan terminasi logam campuran |
Keputusan tingkat sistem sering mendorong jawaban satu langkah lebih jauh. Di situs industri besar, bahan konduktor berinteraksi dengan arsitektur distribusi — berapa banyak trafo, berapa panjang jalur MV, berapa banyak switchgear MV — itulah sebabnya sistem distribusi skala perusahaan dirancang secara keseluruhan daripada konduktor per konduktor, dan mengapa mengoptimalkan arsitektur biasanya menghemat lebih banyak daripada penggantian logam.
FAQ
Apakah aluminium atau tembaga lebih baik untuk transmisi daya?
Aluminium lebih disukai untuk jalur overhead dengan faktor besar, dengan lebih dari 90% jaringan global menggunakan aluminium. Tembaga lebih cocok untuk jalur bawah tanah, peralatan, atau situasi di mana penampang sudah ditentukan. Keduanya memiliki keunggulan; pertanyaannya adalah kendala mana yang berlaku untuk situasi tersebut.
Mengapa aluminium digunakan daripada tembaga pada jalur overhead?
Ini karena konduktor aluminium dengan resistansi yang sama hanya memiliki berat sekitar setengahnya dan biaya sekitar 35-50% dari harga tembaga yang setara. Berat yang setengah membuat rentang lebih panjang dan lebih banyak menara serta fondasi yang lebih kecil diperlukan untuk mendukung struktur dengan benar.
Bisakah kawat tembaga dan aluminium dihubungkan langsung?
Hindari penggunaan di area lembap atau luar ruangan. Aluminium bersifat elektropostif terhadap tembaga, yang dapat menyebabkan aksi galvanik jika ada kelembapan dalam sambungan. Oleh karena itu, pastikan menggunakan konektor bimetal khusus yang dirancang untuk kedua logam tersebut.
Apakah kawat aluminium membawa arus lebih sedikit daripada tembaga dengan ukuran yang sama?
Memang, biasanya rating tembaga sekitar 78 hingga 80 persen untuk suhu isolasi yang sama. Jika Anda menginginkan arus dan tegangan yang sama, Anda akan menggunakan ukuran AWG sekitar dua tingkat lebih besar yang memerlukan konduktor lebih besar dan oleh karena itu ukuran raceway dan lug juga lebih besar.
Apa itu ACSR dan mengapa ada inti baja?
Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR) dibentuk dengan menempatkan inti kawat baja di tengah beberapa lapisan kawat aluminium. Peran baja adalah menahan tegangan tarik yang tidak dapat ditangani aluminium yang ditarik keras pada rentang panjang, sementara aluminium bertanggung jawab membawa arus listrik. Karena baja berada di bagian tengah konduktor di mana ruang untuk arus listrik minimal, hampir tidak terjadi kerugian listrik.
Apakah instalasi kabel aluminium di rumah berbahaya?
Tidak secara langsung, tetapi memang memerlukan pemasangan perangkat yang tepat. Kesalahan yang terjadi pada tahun 1960-an dan 1970-an dapat dikaitkan dengan penggunaan konektor kawat aluminium dengan perangkat yang tidak dirancang untuk konduktor tersebut, namun digunakan tanpa pemasangan yang sesuai atau torsi yang tepat. Saat ini, dengan penggunaan senyawa penghambat oksida, perangkat yang memiliki rating CO/ALR, serta perangkat bimetalik, proses ini berjalan dengan benar dan efisien dengan syarat bahwa persyaratan tersebut dipenuhi.
Referensi
- NFPA — NFPA 70 National Electrical Code, Artikel 310 dan Tabel 310.16
- ASTM — B230/B230M Spesifikasi Standar untuk Kawat Aluminium 1350 untuk Keperluan Listrik
- ASTM — B232/B232M Konduktor Aluminium Berlapis Konsentris, Diperkuat Baja Berlapis (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Kawat Bundar Konsentris untuk Konduktor Listrik Terbuka Berlapis
- IEEE — IEEE 738 Standar untuk Menghitung Hubungan Arus-Suhu pada Konduktor Terbuka Tanpa Isolasi
- UL Solutions — UL 486A-486B Konektor Kawat dan Pemutus Sirkuit Molded Case UL 489
- Copper Development Association — Data Perbandingan Konduktor Tembaga vs Aluminium
Kesimpulan
Dalam hal transmisi tenaga listrik, aluminium adalah bahan utama yang digunakan di bidang ini selama lebih dari beberapa dekade. Alasan pemilihan tersebut adalah karena keunggulan aluminium, yang tidak memiliki sifat konduktansi superior tetapi hanya setengah berat dan biaya lebih rendah sehingga memperpanjang panjang rentang dan mengurangi jumlah menara yang dibutuhkan. Inti baja yang digunakan dalam ACSR bertanggung jawab untuk menghilangkan satu-satunya kelemahan serius aluminium. Tembaga masih digunakan di mana berat menjadi keuntungan, yaitu pada kabel bawah tanah dan bawah laut serta pada lilitan dan sirkuit kontrol. Apapun logam yang digunakan, konektor pada akhirnya harus dari jenis yang tepat, serta inhibitor dan tingkat torsi yang sesuai. Sebagian besar kegagalan terjadi bukan selama operasi kawat itu sendiri, tetapi pada titik-titik di mana kawat melintasi logam.
