¿Por qué las aleaciones de aluminio se están convirtiendo en la opción preferida frente al cobre en los conductores eléctricos? Este artículo se sumerge en la comparación entre conductores de aluminio, cobre y aleaciones de aluminio, detallando su historia, propiedades y aplicaciones. Descubrirá las ventajas e inconvenientes de cada material y comprenderá por qué las aleaciones de aluminio, con su mayor resistencia mecánica y rentabilidad, están revolucionando el sector. Comprenderá el impacto de estos materiales en la distribución de energía y en el futuro de la ingeniería eléctrica.
El uso humano del cobre se remonta a hace 10.000 años. En el norte de Irak se desenterró una orejera de cobre de hace 8.700 años. China poseía cerámica de bronce hace más de 4.000 años, durante la era Xia Yu.
En aplicación del cobre como conductor tiene una historia de más de 200 años, desde su descubrimiento y aplicación a finales del siglo XVIII con la electricidad.
El aluminio, como metal joven, fue llamado a mediados del siglo XIX "oro plateado", aún más precioso que el oro.
No fue hasta 1886 cuando el científico estadounidense Hall investigó y desarrolló de forma independiente el método electrolítico para la producción de aluminio, que hizo posible la industrialización.
El aluminio empezó a utilizarse como conductor en 1896, cuando el científico británico Colly instaló el primer cable aéreo de aluminio trenzado en Bolton.
En 1910, la Asociación Americana del Aluminio inventó un cable trenzado de aluminio con núcleo de acero y lo instaló sobre las cataratas del Niágara.
Desde entonces, las líneas aéreas de transmisión de alta tensión se han ido sustituyendo gradualmente por cables trenzados de aluminio con núcleo de acero. Además, los países industriales desarrollados de Europa y América empezaron a utilizar conductores de aluminio para sustituir a los de cobre en las líneas de distribución en 1910.
Actualmente, cerca de 14% del aluminio producido en el mundo se utiliza como material eléctrico. Estados Unidos tiene el mayor porcentaje de aluminio utilizado en cables, alcanzando cerca de 35%.
En China, la cantidad de aluminio utilizada por la industria eléctrica representa aproximadamente un tercio del consumo total de aluminio del país, principalmente para la transmisión de alta tensión.
Sin embargo, la proporción de conductores de aluminio utilizados en la distribución de energía es inferior a 5%. La elección entre cobre y aluminio conductores está influida por factores históricos, condiciones nacionales, situación de los recursos y otros factores.
En los años 50, el precio del cobre subió rápidamente y la industria mundial del alambre y el cable propuso sustituir el cobre por el aluminio.
Para lograr el mismo rendimiento eléctrico, el área de la sección transversal de los conductores de aluminio tenía que ser dos niveles mayor que la de los conductores de cobre o aumentar en 50%.
La misma propuesta se hizo en los años 60 y 70 por las mismas razones. Desde 2005, se ha vuelto a plantear la propuesta de sustituir el cobre por aluminio.
Con el avance de la tecnología, esta vez la sustitución del cobre por el aluminio se realiza principalmente con una aleación de aluminio en lugar de aluminio puro.
¿Qué perspectivas hay de sustituir el cobre por aluminio? Necesitamos conocer mejor las propiedades de las aleaciones de aluminio, cobre y aluminio.
| aluminio | Aluminio | Cobre | |||||
| Recocido | Duro (H8) | Recocido | Duro | ||||
| Peso atómicodensidad/kgm-3resistividad/n Ω - mconductividad/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Coeficiente de temperatura de la resistencia/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Resistencia a la tracción/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Módulo elástico positivo/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Coeficiente de dilatación lineal/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Capacidad calorífica específica | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Conductividad térmica/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Resistencia térmica/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potencial del electrodo de calomelano/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Dureza Brinell | alrededor del 25 | alrededor de 45 | alrededor del 60 | unos 120 | |||
| Punto de fusión /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Calor de fusión/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Nota: Los datos proceden de "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook" 2ª edición.
En cuanto a las normas de producción de cables, toda la fabricación de cables de alimentación sigue la norma GB12706.1-2008 "Cables de alimentación con aislamiento extruido y accesorios con tensión nominal de 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cables con tensión nominal de 1kV (Um=1,2kV) y 3kV (Um=3,6kV)", donde los conductores del cable se fabrican de acuerdo con GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Conductores para cables" tiene disposiciones claras que pueden utilizar el primer o segundo tipo de conductor de cobre recocido con o sin capa metálica dorada, o conductor de aluminio o aleación de aluminio.
Resistencia a la tracción y conductividad del aluminio eléctrico
| Estado | σb/MPa | Resistividad (máx) /(Ω mm2) m-1 | Conductividad (min) /% IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 o H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 o 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 ó 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Nota: Los datos proceden de "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook" 2ª edición.
En las décadas de 1960 y 1970, los precios del cobre se dispararon en todo el mundo. Debido a factores políticos, el cobre se consideraba un material estratégico y estaba sujeto a control comercial.
Como resultado, se generalizó el uso del aluminio como principal material conductor de los cables de transmisión, y la "sustitución del cobre por el aluminio" se convirtió en una política técnica habitual en la industria eléctrica.
La elección de cables conductores de cobre requería aprobación.
Por ello, se utilizaron cables de aluminio puro para las líneas principales y secundarias de los edificios civiles.
Las desventajas de los conductores de aluminio puro (AA1350) se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Escasa resistencia mecánica, fácil de romper.
(2) Susceptible a la fluencia, los tornillos deben apretarse con regularidad.
(3) Fácil de sobrecargar y generar calor, lo que conlleva riesgos para la seguridad.
(4) No existe una buena solución al problema de la conexión de transición cobre-aluminio.
Estos problemas no sólo afectan a China, sino también a la industria mundial del cable. Con la mejora de la situación internacional y la aplicación de las políticas de reforma y apertura de China, podemos importar fácilmente una gran cantidad de recursos de cobre del extranjero, y la diferencia de precio entre el cobre y el aluminio no es significativa.
Así, la sustitución del cobre por el aluminio ha ido perdiendo popularidad en China. Al mismo tiempo, los países extranjeros han desarrollado activamente nuevos conductores de aleación de aluminio y han resuelto los problemas de conexión entre los conductores de aleación y los terminales.
Con el tiempo, Estados Unidos y Europa aplicaron ampliamente los conductores de aleación de aluminio en las líneas de distribución. En el Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos [5] NEC330.14, se estipula que: "Los conductores sólidos con áreas de sección transversal de 8, 10, 12AWG (equivalentes a 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2 en China) deben estar hechos de materiales de aleación de aluminio de grado eléctrico de la serie AA8000.
Los conductores trenzados de 8AWG (equivalentes a 8,37mm2 en China) a 1000kcmil (equivalentes a 506,7mm2 en China) están marcados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de servicio Tipo SE Estilo U y SE Estilo R estarán hechos de materiales conductores de aleación de aluminio de grado eléctrico de la serie AA-8000."
Las aleaciones de aluminio utilizadas como conductoras experimentaron un rápido desarrollo en las décadas de 1960 y 1970 debido a la escalada de los precios del cobre.
En la lista de grados de aleación de aluminio de la Asociación Internacional de la Industria del Aluminio, las principales aleaciones de aluminio utilizadas como conductores son la serie AA1000 (aluminio puro), los conductores de la serie AA6000 (aleación Al-Mg-Si) y los conductores de la serie AA8000 (aleación Al-Mg-Cu-Fe). Los conductores de la serie AA1000 se utilizan principalmente en líneas aéreas de alta tensión; los conductores de la serie AA6000 Al-Mg-Si se utilizan principalmente en líneas aéreas de alta tensión y barras colectoras de aluminio.
Ambos tipos de conductores existen en estado duro, y la soldadura es el principal método para las uniones. La serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe es una aleación de aluminio blando que se utiliza realmente en la línea de distribución.
La AA8000 serie aluminio alloy obtuvo una serie de patentes en los años sesenta y setenta.
Aleación de aluminio
| Nombre de la aleación | Número de patente de EE.UU. | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Aleación de aluminio | Porcentaje de composición química en función de la calidad | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminio | Silicio | Hierro | Cobre | Magnesio | Zinc | Boro | Otros (total) | Otros (total) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Residual Residual Residual Residual Residual | 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 |
Nota: Los datos proceden del Aluminum Electrical Conductor Handbook Third Edition.
Debido a la adición de elementos de cobre/hierro/magnesio, estos elementos desempeñan un papel muy crítico en la aleación:
Cobre: Aumenta la estabilidad de la resistencia eléctrica de la aleación a altas temperaturas.
Hierro: La resistencia a la fluencia y a la compresión aumentan con 280%, evitando los problemas de relajación causados por la fluencia.
Magnesio: Puede aumentar los puntos de contacto y tiene mayor resistencia a la tracción bajo la misma presión de interfaz.
Rendimiento de la aleación de aluminio para alambre blando
| Artículo | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Conductividad /% IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| Triple E | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
| Super-T | 95 | 67.6 | 33 | 62.5 |
| X8076 | 108.8 | 60.8 | 22 | 61.5 |
| Stabiloy | 113.8 | 53.9 | 20 | 61.8 |
| NiCo | 108.8 | 67.7 | 26 | 61.3 |
| X8130 | 102.0 | 60.8 | 21 | 62.1 |
Nota: Los datos proceden del Manual de aleaciones de aluminio y su procesamiento, segunda edición.
(1) Resistencia mecánica: De la tabla se desprende que, en comparación con los conductores de aluminio puro AA1350, la resistencia a la tracción de los conductores de la serie AA8000 es aproximadamente 150% de aluminio puro, y la límite elástico es de aproximadamente 200% de aluminio puro.
(2) Rendimiento antideslizamiento: En la prueba de fluencia de 500 horas, se puede observar que, en comparación con los conductores de aluminio puro AA1350, el rendimiento antirreflectante de las aleaciones de la serie AA8000 es aproximadamente 280% del aluminio puro, alcanzando básicamente el mismo nivel que los conductores de cobre.
| Características del conductor | Densidad (g/m3) | Punto de fusión (℃) | Coeficiente de dilatación lineal | Resistividad (Ω * mm2/m) | Conductividad IACS% | Resistencia a la tracción (MPa) | Límite elástico (MPa) | Índice de elongación (%) |
| Cobre eléctrico (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Aleación de aluminio AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
En comparación con los conductores de cobre, se observa que, debido a la diferente resistividad, el IACS de los conductores de aleación de aluminio AA8000 es 61,8% del cobre.
Cuando aumentamos el área de la sección transversal de los conductores de aleación de aluminio en dos niveles o la aumentamos hasta 150% del área de la sección transversal de los conductores de cobre, su rendimiento eléctrico es constante.
La resistencia a la tracción de los conductores de aleación de aluminio es sólo la mitad de la de los conductores de cobre (113,8:220MPa).
Debido a que la densidad de la aleación de aluminio AA8000 es sólo 30,4% de los conductores de cobre, incluso si el área de la sección transversal de los conductores de aleación de aluminio se aumenta a 150% del área de la sección transversal de los conductores de cobre, el peso de los conductores de aleación de aluminio es sólo 45% de los conductores de cobre.
Esto hace que la resistencia a la tracción de los conductores de aleación de aluminio sea relativamente ventajosa en comparación con los conductores de cobre.
El límite elástico de los conductores de aleación de aluminio AA8000 es próximo al de los conductores de cobre, lo que hace que el comportamiento a la fluencia de los conductores de aleación de aluminio sea próximo al de los conductores de cobre.
En términos de alargamiento a la rotura, el conductor de aleación de aluminio es básicamente igual que el conductor de cobre.
Debido a los diferentes coeficientes de dilatación de los conductores de aleación de aluminio y cobre, no es adecuado conectar directamente conductores de cobre y aleación de aluminio. Garantizamos la fiabilidad de la conexión mediante el siguiente método.
Se ha implantado oficialmente la norma GB14315-2008 sobre terminales y conectores de cobre y aluminio de tipo crimpado para conductores de cables eléctricos.
En esta norma también se ha incluido oficialmente el terminal de transición cobre-aluminio, que proporciona una base teórica para la conexión de cables de aleación y barras de cobre o equipos eléctricos de cobre.
En la actualidad, existen principalmente tres formas de utilizar las transiciones cobre-aluminio:
(1) Cable de aleación + terminal de transición cobre-aluminio (el terminal se conecta directamente a la barra de cobre).
(2) Cable de aleación + terminal de aluminio (cuando el terminal de aluminio está conectado al terminal estañado barra colectora de cobreEl tornillo se aprieta de acuerdo con el par de apriete establecido por la norma nacional, y se añade una arandela en forma de disco para garantizar una conexión eficaz entre los metales de cobre y aluminio durante la dilatación y contracción térmicas).
(3) Cable de aleación + terminal de aluminio + arandela bimetálica (la parte de aluminio de la arandela está conectada al terminal de aluminio, y la parte de cobre está conectada a la barra colectora de cobre).
Todos estos métodos de conexión requieren 1000 ciclos de prueba de ciclos térmicos según IEC61238-2008 o GB9327-2008, simulando 30 años de uso para garantizar la fiabilidad de las conexiones de los cables.
Las pruebas de ciclos térmicos realizadas tanto por Georgia Power Company como por Shanghai Cable Research Institute han demostrado que la conexión de los cables de aleación es segura y fiable, y los datos experimentales muestran que su fiabilidad de conexión es incluso más estable que la de los conductores de cobre.
Según datos del US Geological Survey (USGS), el elemento cobre representa menos del 0,01% del contenido de elementos en la corteza, mientras que el elemento aluminio representa el 7,73% del contenido de elementos en la corteza.
El contenido del elemento aluminio es más de 1.000 veces superior al del elemento cobre en la corteza terrestre. Sobre la base de la tasa de consumo actual, los recursos mundiales de cobre pueden soportar otros 32 años de uso a una tasa de crecimiento de 3% al año.
En cuanto a los recursos de aluminio, según la escala de extracción actual (unos 140 millones de toneladas al año), las reservas de bauxita existentes bastan para satisfacer las necesidades de la industria mundial del aluminio durante casi 180 años.
Desde 2004, China ha exportado unas 10% de su demanda anual de aluminio, lo que ha provocado un grave exceso de capacidad.
Al mismo tiempo, según las estadísticas de la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma, de 2004 a 2006 el déficit anual de material de cobre en China superó los 1,3 millones de toneladas.
Según datos del Anuario Estadístico de China de 2008, en 2007 China importó 4,52 millones de toneladas de mineral de cobre y cobre refinado, y el valor de las importaciones de cobre y sus productos ascendió a 27.100 millones de dólares.
El mercado chino del cobre metálico ha dependido en gran medida de las importaciones, y la insaciable demanda china de materiales de cobre ha provocado una subida continua de los precios internacionales del cobre.
Las empresas chinas también han salido al extranjero con un entusiasmo sin precedentes, adquiriendo empresas mineras extranjeras y explotando minas no chinas, pagando un precio que aún recuerda el pueblo chino.
Desde principios de 2004, los precios del cobre han subido más de 200%, mientras que los del aluminio no han fluctuado tan drásticamente como los del cobre.
Cambiar la grave dependencia de los materiales de cobre es clave para modificar la relación internacional entre oferta y demanda, ahorrar divisas, aprovechar al máximo los recursos nacionales y garantizar el desarrollo sostenible de la industria energética.
Gracias a la excelente conductividad eléctrica y a las propiedades mecánicas de los conductores de aleación de aluminio, se han mejorado los inconvenientes de conexión poco fiable, escasa resistencia mecánica y fácil fluencia de los conductores de aluminio.
Sus prestaciones mecánicas son comparables a las de los conductores de cobre. El rendimiento eléctrico puede lograrse aumentando el área de la sección transversal, que tiene la misma conductividad que los conductores de cobre.
Por lo tanto, los conductores de aleación de aluminio se utilizan ampliamente en los sistemas de distribución de baja tensión.
La promoción y aplicación de conductores de aleación de aluminio en el mercado nacional ahorrará una gran cantidad de recursos de cobre, reducirá la dependencia del país de los recursos de cobre extranjeros, ahorrará muchas divisas y permitirá a los usuarios ahorrar dinero.
También facilita su instalación a los instaladores. Con tantas ventajas, tenemos razones para creer que la aplicación de conductores de aleación de aluminio en cables eléctricos de baja tensión se hará más popular, y la tendencia a sustituir el cobre por el aluminio causará una revolución en la industria del cable.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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