لماذا أصبحت سبائك الألومنيوم الخيار المفضل على النحاس في الموصلات الكهربائية؟ تتعمق هذه المقالة في المقارنة بين موصلات الألومنيوم والنحاس وسبائك الألومنيوم، وتوضح بالتفصيل تاريخها وخصائصها وتطبيقاتها. سوف تكتشف مزايا وعيوب كل مادة من هذه المواد وتفهم لماذا تُحدث سبائك الألومنيوم ثورة في هذه الصناعة بفضل قوتها الميكانيكية المحسّنة وفعاليتها من حيث التكلفة. اكتشف كيف تؤثر هذه المواد على توزيع الطاقة ومستقبل الهندسة الكهربائية.
يمكن إرجاع استخدام الإنسان للنحاس إلى ما قبل 10,000 عام. فقد اكتُشفت قطعة أثرية عمرها 8700 عام، وهي عبارة عن كأس أذن نحاسية في شمال العراق. وكان لدى الصين أوانٍ برونزية منذ أكثر من 4,000 عام خلال عصر شيا يو.
إن استخدام النحاس كموصل للكهرباء تاريخ يمتد لأكثر من 200 عام منذ اكتشافه وتطبيقه في أواخر القرن الثامن عشر مع الكهرباء.
كان يُطلق على الألومنيوم، كمعدن صغير السن، اسم "الذهب الفضي" في منتصف القرن التاسع عشر، حتى أنه كان أغلى من الذهب.
لم يبحث العالم الأمريكي هول بشكل مستقل عن طريقة التحليل الكهربي لإنتاج الألومنيوم حتى عام 1886، حيث قام العالم الأمريكي هول بإجراء أبحاثه وتطويرها بشكل مستقل، مما جعل التصنيع ممكنًا.
بدأ استخدام الألومنيوم كموصل في عام 1896 عندما نصب العالم البريطاني كولي أول سلك علوي من الألومنيوم في بولتون.
في عام 1910، اخترعت جمعية الألومنيوم الأمريكية سلكاً من الألومنيوم المجدول بالصلب ونصبته فوق شلالات نياجرا.
ومنذ ذلك الحين، استُبدلت خطوط النقل العلوية عالية الجهد تدريجيًا بأسلاك الألومنيوم المجدولة المصنوعة من الألومنيوم المكسوة بالصلب. وبالإضافة إلى ذلك، بدأت الدول الصناعية المتقدمة في أوروبا وأمريكا باستخدام موصلات الألومنيوم لتحل محل الموصلات النحاسية كخطوط توزيع في عام 1910.
في الوقت الحاضر، يتم استخدام حوالي 14% من الألومنيوم المنتج في العالم كمواد كهربائية. تمتلك الولايات المتحدة الأمريكية أعلى نسبة من الألومنيوم المستخدم في الأسلاك، حيث تصل إلى حوالي 35%.
في الصين، تمثل كمية الألومنيوم التي تستخدمها الصناعة الكهربائية حوالي ثلث إجمالي استهلاك الألومنيوم في الصين، وذلك بشكل رئيسي في مجال نقل الجهد العالي.
ومع ذلك، فإن نسبة موصلات الألومنيوم المستخدمة في توزيع الطاقة أقل من 5%. الاختيار بين النحاس والألومنيوم تتأثر الموصلات بالعوامل التاريخية والظروف الوطنية وأوضاع الموارد وعوامل أخرى.
في خمسينيات القرن العشرين، ارتفع سعر النحاس بسرعة، واقترحت صناعة الأسلاك والكابلات في العالم استبدال النحاس بالألومنيوم.
ولتحقيق نفس الأداء الكهربائي، يجب أن تكون مساحة المقطع العرضي لموصلات الألومنيوم أكبر بمستويين من مساحة الموصلات النحاسية أو زيادتها بمقدار 501 تيرابايت 3 تيرابايت.
وقُدم الاقتراح نفسه في الستينيات والسبعينيات للأسباب نفسها. ومنذ عام 2005، طُرح اقتراح استبدال النحاس بالألومنيوم مرة أخرى.
مع تقدم التكنولوجيا، يتم استبدال النحاس بالألومنيوم هذه المرة باستخدام سبائك الألومنيوم بدلاً من الألومنيوم النقي.
ما هو احتمال استبدال النحاس بالألومنيوم؟ نحن بحاجة إلى فهم أفضل لخصائص سبائك الألومنيوم والنحاس والألومنيوم.
الألومنيوم | ألومنيوم | النحاس | |||||
ملدن | صعب (H8) | ملدن | صعب | ||||
الوزن الذري/كجم كثافة/كجم-3المقاومة النوعية/n Ω - mconductivity/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
معامل درجة الحرارة للمقاومة/(ن Ω - م) - كلفن-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
قوة الشد/ميجا باسكال | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
معامل المرونة الموجبة/ميجابي ميجا باسكال | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
معامل التمدد الخطي/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
السعة الحرارية النوعية | / ياء (كغ ك)-1/جيم ℃.سم3)-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
التوصيلية الحرارية/ث - (م - كلفن) -1 | 231 | 436 | |||||
المقاومة الحرارية/ك - واط-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
إمكانية القطب الكهربي الكالوميل/ف | -0.75 | -0.22 | |||||
صلابة برينل | حوالي 25 | حوالي 45 | حوالي 60 | حوالي 120 | |||
نقطة الانصهار / ℃ | 600 | 1083 | |||||
حرارة الاندماج/×105ج كغ-1 | 3.906 | 2.142 |
ملحوظة: البيانات مأخوذة من "دليل سبائك الألومنيوم ومعالجتها" الإصدار الثاني.
فيما يتعلق بمعايير إنتاج الكابلات، تتبع جميع عمليات تصنيع كابلات الطاقة GB12706.1-2008 "كابلات الطاقة المعزولة المبثوقة وملحقاتها ذات الجهد المقدر من 1 كيلو فولت (Um=1.2 كيلو فولت) إلى 35 كيلو فولت (Um=40.5 كيلو فولت): الجزء 1: الكابلات ذات الجهد المقنن من 1 كيلو فولت (Um=1.2 كيلو فولت) و3 كيلو فولت (Um=3.6 كيلو فولت)"، حيث يتم إنتاج موصلات الكابلات وفقًا للمعيار GB/T3956-2008.
يحتوي GB/T3956-2008 "موصلات الكابلات" على أحكام واضحة يمكن أن تستخدم النوع الأول أو الثاني من الموصلات النحاسية الملدنة مع أو بدون طبقة معدنية مطلية بالذهب، أو موصل من الألومنيوم أو سبائك الألومنيوم.
قوة الشد والتوصيل الكهربائي للألومنيوم الكهربائي
الولاية | σb/MPa | المقاومة النوعية (الحد الأقصى) /(Ω مم2) م-1 | التوصيلية (دقيقة) /% IACS |
1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
1350-H12 أو H12 أو H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
1350-H14 أو 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
1350-H16 أو 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
ملحوظة: البيانات مأخوذة من "دليل سبائك الألومنيوم ومعالجتها" الإصدار الثاني.
في الستينيات والسبعينيات، ارتفعت أسعار النحاس على مستوى العالم. وبسبب عوامل سياسية، اعتُبر النحاس مادة استراتيجية وخاضعة للرقابة التجارية.
ونتيجة لذلك، استُخدم الألومنيوم على نطاق واسع كمادة موصلة رئيسية لكابلات النقل، وأصبح "استبدال النحاس بالألومنيوم" سياسة فنية شائعة في الصناعة الكهربائية.
كانت الموافقة مطلوبة لاختيار كابلات الموصلات النحاسية.
لذلك، تم استخدام كابلات الألومنيوم النقي في الخطوط الرئيسية والفرعية للمباني المدنية.
تنعكس عيوب موصلات الألومنيوم النقي (AA1350) بشكل أساسي في الجوانب التالية:
(1) ضعف القوة الميكانيكية, سهل الكسر.
(2) عرضة للزحف، يجب إحكام ربط البراغي بانتظام.
(3) سهولة التحميل الزائد وتوليد الحرارة، مما يؤدي إلى مخاطر تتعلق بالسلامة.
(4) لا يوجد حل جيد لمشكلة الوصلة الانتقالية بين النحاس والألومنيوم.
وهذه المشاكل لا تواجهها الصين وحدها، بل تواجهها أيضاً صناعة الكابلات في العالم. فمع تحسن الوضع الدولي وتنفيذ سياسات الإصلاح والانفتاح في الصين، يمكننا بسهولة استيراد كمية كبيرة من موارد النحاس من الخارج، كما أن فرق السعر بين النحاس والألومنيوم ليس كبيراً.
وبالتالي، أصبح استبدال النحاس بالألومنيوم أقل شعبية تدريجياً في الصين. وفي الوقت نفسه، طورت الدول الأجنبية بنشاط موصلات جديدة من سبائك الألومنيوم وحلّت مشاكل التوصيل بين موصلات السبائك والمحطات الطرفية.
وفي نهاية المطاف، طبقت الولايات المتحدة وأوروبا على نطاق واسع موصلات سبائك الألومنيوم في خطوط التوزيع. وينص القانون الوطني للكهرباء في الولايات المتحدة [5] NEC330.14 على ما يلي: "يجب أن تكون الموصلات الصلبة ذات مساحات المقطع العرضي 8، 10، 12AWG (ما يعادل 8.37 مم2، 5.26 مم2، 3.332 مم2 في الصين) مصنوعة من مواد سبائك الألومنيوم الكهربائية من سلسلة AA8000.
يجب أن تكون الموصلات المجدولة من 8AWG (ما يعادل 8.37 مم2 في الصين) إلى 1000 كيلو سم (ما يعادل 506.7 مم2 في الصين) التي تحمل علامات RHH، RHW، RHW، XHHHW، THW، THHW، THHW، THWN، THHN، يجب أن تكون الموصلات المجدولة من النوع SE Style U و SE Style R من مواد موصلات من سبائك الألومنيوم من الفئة AA-8000 من سلسلة AA-8000".
شهدت سبائك الألومنيوم المستخدمة كموصلات تطورًا سريعًا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي بسبب ارتفاع أسعار النحاس.
في قائمة رتب سبائك الألومنيوم الخاصة بالرابطة الدولية لصناعة الألومنيوم، فإن سبائك الألومنيوم الرئيسية المستخدمة كموصلات هي سلسلة AA1000 (الألومنيوم النقي)، وسلسلة AA6000 (سبائك الألومنيوم-الملغ-سي) وموصلات سلسلة AA8000 (سبائك الألومنيوم-النحاس-في). تُستخدم موصلات سلسلة AA1000 بشكل أساسي في الخطوط الهوائية ذات الجهد العالي؛ وتستخدم موصلات سلسلة AA6000 Al-Mg-Si بشكل أساسي في الخطوط الهوائية ذات الجهد العالي و قضبان باصات الألومنيوم.
ويوجد كلا النوعين من الموصلات في حالة صلبة، واللحام هو الطريقة الرئيسية لتوصيلات الوصلات. سلسلة AA8000 Al-Mg-Cu-Fe هي سبيكة ألومنيوم لينة تستخدم بالفعل في خط التوزيع.
طراز AA8000 سلسلة الألومنيوم حصل ألوي على سلسلة من براءات الاختراع في الستينيات والسبعينيات.
سبائك الألومنيوم
اسم السبيكة | رقم براءة الاختراع الأمريكية | |
ANSI-H35.1 | UNS | |
8017 | A98017 | |
8030 | A98030 | 3711339 |
8076 | A98076 | 3697260 |
8130 | A98130 | |
8176 | A98176 | RE28419 |
8176 | A98176 | RE30465 |
8177 | A98177 |
سبائك الألومنيوم | النسبة المئوية للتركيب الكيميائي على أساس الجودة | |||||||||
ANSI | UNS | ألومنيوم | السيليكون | حديد | النحاس | المغنيسيوم | الزنك | البورون | أخرى (المجموع) | أخرى (المجموع) |
8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي المتبقي | 0.10 0.10 0.10 0.15B 0.03-0.15 0.10 | 0.55-0.8 0.30-0.8 0.6-0.9 0.40-1.0B 0.40-1.0 0.25-0.45 | 0.10-0.20 0.15-0.30 0.04 0.05-0.15 ...... 0.04 | 0.01-0.05 0.05 0.08-0.22 ... ... 0.04-0.12 | 0.05 0.05 0.05 0.10 0.10 0.05 | 0.04 0.001-0.04 0.04 ... ...0.04 | 0.03A 0.03 0.03 0.03 0.05C 0.03 | 0.10 0.10 0.10 0.10 0.15 0.10 |
ملاحظة: البيانات مأخوذة من كتيب الموصلات الكهربائية المصنوعة من الألومنيوم الإصدار الثالث.
ونظرًا لإضافة عناصر النحاس/الحديد/المغنيسيوم، تلعب هذه العناصر دورًا بالغ الأهمية في السبيكة:
النحاس: يزيد من ثبات المقاومة الكهربائية للسبائك في درجات الحرارة العالية.
الحديد: يتم زيادة مقاومة الزحف وقوة الانضغاط من خلال 280%، مما يجنبك مشاكل الاسترخاء الناجمة عن الزحف.
المغنيسيوم: يمكن أن يزيد من نقاط التلامس ويتمتع بقوة شد أعلى تحت نفس ضغط الواجهة.
أداء سبائك الألومنيوم للأسلاك اللينة
البند | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | التوصيلية /% IACS |
1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
تريبل إي | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
سوبر-ت | 95 | 67.6 | 33 | 62.5 |
X8076 | 108.8 | 60.8 | 22 | 61.5 |
ستابيلوي | 113.8 | 53.9 | 20 | 61.8 |
نيكو | 108.8 | 67.7 | 26 | 61.3 |
X8130 | 102.0 | 60.8 | 21 | 62.1 |
ملاحظة: البيانات مأخوذة من سبائك الألومنيوم ودليل معالجتها، الإصدار الثاني.
(1) القوة الميكانيكية: من الجدول، يمكن ملاحظة أنه بالمقارنة مع موصلات الألومنيوم النقي AA1350، فإن قوة الشد لموصلات سلسلة AA8000 تبلغ حوالي 150% من الألومنيوم النقي، و قوة الخضوع حوالي 200% من الألومنيوم النقي.
(2) أداء مضاد للزحف: في اختبار الزحف لمدة 500 ساعة، يمكن ملاحظة أنه بالمقارنة مع موصلات الألومنيوم النقي AA1350، فإن الأداء المضاد للزحف لسبائك سلسلة AA8000 يبلغ حوالي 280% من الألومنيوم النقي، ويصل بشكل أساسي إلى نفس مستوى الموصلات النحاسية.
خصائص الموصلات | الكثافة (جم/م3) | نقطة الانصهار (℃) | معامل التمدد الخطي | المقاومة (Ω* مم2/m) | التوصيلية IACS% | قوة الشد (ميجا باسكال) | قوة الخضوع (ميجا باسكال) | معدل الاستطالة (%) |
النحاس الكهربائي (النحاس) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
سبائك الألومنيوم AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
بالمقارنة مع الموصلات النحاسية، وجد أنه نظرًا لاختلاف المقاومة، فإن IACS لموصلات سبائك الألومنيوم AA8000 هي 61.8% من النحاس.
عندما نزيد مساحة المقطع العرضي لموصلات سبائك الألومنيوم بمقدار مستويين أو نزيدها إلى 150% من مساحة المقطع العرضي للموصلات النحاسية، يكون أداؤها الكهربائي ثابتًا.
تبلغ قوة الشد للموصلات المصنوعة من سبائك الألومنيوم نصف قوة الشد للموصلات النحاسية فقط (113.8:220 ميجا باسكال).
ونظرًا لأن كثافة سبائك الألومنيوم AA8000 تبلغ 30.41 تيرابايت في الثالثة من الموصلات النحاسية فقط، حتى إذا زادت مساحة المقطع العرضي لموصلات سبائك الألومنيوم إلى 1501 تيرابايت في الثالثة من مساحة المقطع العرضي للموصلات النحاسية، فإن وزن موصلات سبائك الألومنيوم يبلغ 451 تيرابايت في الثالثة فقط من الموصلات النحاسية.
وهذا ما يجعل قوة الشد لموصلات سبائك الألومنيوم مفيدة نسبيًا مقارنةً بالموصلات النحاسية.
وتقترب قوة الخضوع لموصلات سبائك الألومنيوم AA8000 من قوة خضوع موصلات سبائك الألومنيوم AA8000 من قوة خضوع الموصلات النحاسية، مما يجعل أداء الزحف لموصلات سبائك الألومنيوم قريبًا من أداء الموصلات النحاسية.
فيما يتعلق بالاستطالة عند الكسر، فإن الموصل المصنوع من سبائك الألومنيوم هو في الأساس نفس الموصل النحاسي.
نظرًا لمعاملات التمدد المختلفة لموصلات سبائك الألومنيوم والموصلات النحاسية، فإنه ليس من المناسب توصيل موصلات النحاس وسبائك الألومنيوم مباشرة. نضمن موثوقية التوصيل من خلال الطريقة التالية.
تم تنفيذ المعيار GB14315-2008 الخاص بأطراف التوصيل والموصلات النحاسية والألومنيوم من نوع التجعيد لموصلات كابلات الطاقة رسميًا.
في هذه المواصفة القياسية، تم أيضًا تضمين الطرفية الانتقالية بين النحاس والألومنيوم رسميًا في هذه المواصفة القياسية، مما يوفر أساسًا نظريًا لتوصيل الكابلات المصنوعة من السبائك والقضبان النحاسية أو المعدات الكهربائية المصنوعة من النحاس.
حاليًا، هناك ثلاث طرق رئيسية لاستخدام التحولات بين النحاس والألومنيوم:
(1) كابل سبيكة + طرف انتقالي من النحاس والألومنيوم (الطرف متصل مباشرة بالقضيب النحاسي).
(2) كابل سبيكة + طرف من الألومنيوم (عند توصيل طرف الألومنيوم بالطرف المطلي بالقصدير قضيب توصيل نحاسي، يتم إحكام ربط البرغي وفقًا لقيمة عزم الدوران المنصوص عليها في المعيار الوطني، ويتم إضافة حلقة على شكل قرص لضمان التوصيل الفعال بين معادن النحاس والألومنيوم أثناء التمدد والانكماش الحراري).
(3) كابل سبيكة + طرف من الألومنيوم + غسالة ثنائية المعدن (الجزء الألومنيوم من الغسالة متصل بطرف الألومنيوم، والجزء النحاسي متصل بقضيب التوصيل النحاسي).
تتطلب جميع طرق التوصيل هذه 1000 دورة من اختبار التدوير الحراري وفقًا للمواصفة IEC61238-2008 أو GB9327-2008، لمحاكاة 30 عامًا من الاستخدام لضمان موثوقية توصيلات الكابلات.
وقد أظهرت اختبارات التدوير الحراري التي أجرتها كل من شركة جورجيا للطاقة ومعهد شنغهاي لأبحاث الكابلات أن توصيل الكابلات المصنوعة من السبائك آمن وموثوق به، وتظهر البيانات التجريبية أن موثوقية توصيلها أكثر استقرارًا من الموصلات النحاسية.
ووفقًا لبيانات هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، يمثل عنصر النحاس أقل من 0.011 تيرابايت 3 تيرابايت من محتوى العناصر في القشرة الأرضية، بينما يمثل عنصر الألومنيوم 7.731 تيرابايت 3 تيرابايت من محتوى العناصر في القشرة الأرضية.
ويبلغ محتوى عنصر الألومنيوم أكثر من 1000 مرة من عنصر النحاس في القشرة الأرضية. واستناداً إلى معدل الاستهلاك الحالي، يمكن لموارد النحاس العالمية أن تدعم 32 سنة أخرى من الاستخدام بمعدل نمو قدره 31 تيرابايت 3 طن سنوياً.
أما بالنسبة لموارد الألومنيوم، فاستنادًا إلى حجم التعدين الحالي (حوالي 140 مليون طن سنويًا)، فإن احتياطيات البوكسيت الحالية تكفي لتلبية احتياجات صناعة الألومنيوم في العالم لما يقرب من 180 عامًا.
منذ عام 2004، صدّرت الصين حوالي 101 تيرابايت 3 طن من طلبها السنوي من الألومنيوم، مما أدى إلى زيادة كبيرة في الطاقة الإنتاجية.
وفي الوقت نفسه، ووفقًا لإحصاءات اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح، تجاوزت الفجوة السنوية في مادة النحاس في الصين 1.3 مليون طن في الفترة من 2004 إلى 2006.
ووفقًا لبيانات الكتاب الإحصائي السنوي الصيني لعام 2008، استوردت الصين في عام 2007، استوردت الصين 4.52 مليون طن من خام النحاس والنحاس المكرر، وبلغت قيمة وارداتها من النحاس ومنتجاته 27.1 مليار دولار أمريكي.
اعتمدت سوق معدن النحاس في الصين بشكل كبير على الواردات، وأدى نهم الصين على مواد النحاس إلى ارتفاع مستمر في أسعار النحاس العالمية.
كما اتجهت الشركات الصينية إلى الخارج بحماس غير مسبوق، حيث استحوذت على شركات تعدين أجنبية واستخرجت مناجم غير صينية، ودفعت ثمناً لا يزال الشعب الصيني يتذكره.
فمنذ أوائل عام 2004، ارتفعت أسعار النحاس بأكثر من 2001 تيرابايت 3 تيرابايت، بينما لم تتقلب أسعار الألومنيوم بنفس التقلبات الكبيرة التي شهدتها أسعار النحاس.
يعد تغيير الاعتماد الجاد على المواد النحاسية أمرًا أساسيًا لتغيير العلاقة بين العرض والطلب الدوليين، وتوفير النقد الأجنبي، والاستفادة الكاملة من الموارد المحلية، وضمان التنمية المستدامة لصناعة الطاقة.
نظرًا للتوصيلية الكهربائية الممتازة والخصائص الميكانيكية الممتازة لموصلات سبائك الألومنيوم، فقد تم تحسين عيوب التوصيل غير الموثوق به وضعف القوة الميكانيكية وسهولة زحف موصلات الألومنيوم.
ويمكن مقارنة أدائها الميكانيكي بأداء الموصلات النحاسية. ويمكن تحقيق الأداء الكهربائي عن طريق زيادة مساحة المقطع العرضي التي لها نفس الموصلية التي تتمتع بها الموصلات النحاسية.
لذلك، تُستخدم موصلات سبائك الألومنيوم على نطاق واسع في أنظمة توزيع الجهد المنخفض.
سيؤدي الترويج لموصلات سبائك الألومنيوم وتطبيقها في السوق المحلية إلى توفير كمية كبيرة من موارد النحاس، وتقليل اعتماد البلاد على موارد النحاس الأجنبية، وتوفير الكثير من النقد الأجنبي، والسماح للمستخدمين بتوفير المال.
كما أنه يسهل على عمال التركيب تركيبها. مع وجود العديد من المزايا، لدينا سبب للاعتقاد بأن استخدام موصلات سبائك الألومنيوم في كابلات الطاقة منخفضة الجهد سيصبح أكثر شيوعًا، وسيؤدي الاتجاه إلى استبدال النحاس بالألومنيوم إلى ثورة في صناعة الكابلات.