1. Introduction : L'utilisation du cuivre par l'homme remonte à 10 000 ans. Un artefact vieux de 8 700 ans, une coupe d'oreille en cuivre, a été mis au jour dans le nord de l'Irak. La Chine possédait des objets en bronze il y a plus de 4 000 ans, à l'époque des Xia Yu. L'utilisation du cuivre comme conducteur remonte à plus de 200 ans, depuis [...]
L'utilisation du cuivre par l'homme remonte à 10 000 ans. Un artefact vieux de 8 700 ans, une coupe d'oreille en cuivre, a été mis au jour dans le nord de l'Irak. La Chine a produit des objets en bronze il y a plus de 4 000 ans, à l'époque des Xia Yu.
Les application du cuivre en tant que conducteur a une histoire de plus de 200 ans depuis sa découverte et son application à la fin du 18e siècle avec l'électricité.
Au milieu du 19e siècle, l'aluminium, en tant que jeune métal, était appelé "or argenté", c'est-à-dire plus précieux que l'or.
Ce n'est qu'en 1886 que le scientifique américain Hall a effectué des recherches indépendantes et a développé la méthode électrolytique pour la production d'aluminium, ce qui a rendu l'industrialisation possible.
L'aluminium a commencé à être utilisé comme conducteur en 1896, lorsque le scientifique britannique Colly a installé le premier câble aérien en aluminium à Bolton.
En 1910, l'American Aluminum Association a inventé un fil d'aluminium à âme d'acier et l'a installé au-dessus des chutes du Niagara.
Depuis lors, les lignes aériennes de transmission à haute tension ont été progressivement remplacées par des torons d'aluminium gainés d'acier. En outre, les pays industriels développés d'Europe et d'Amérique ont commencé à utiliser des conducteurs en aluminium pour remplacer les conducteurs en cuivre dans les lignes de distribution à partir de 1910.
Aujourd'hui, environ 14% de l'aluminium produit dans le monde sont utilisés comme matériaux électriques. Les États-Unis ont le pourcentage le plus élevé d'aluminium utilisé dans les fils, atteignant environ 35%.
En Chine, la quantité d'aluminium utilisée par l'industrie électrique représente environ un tiers de la consommation totale d'aluminium dans le pays, principalement pour la transmission à haute tension.
Cependant, la proportion de conducteurs en aluminium utilisés dans la distribution d'électricité est inférieure à 5%. Le choix entre cuivre et aluminium est influencée par des facteurs historiques, des conditions nationales, la situation des ressources et d'autres facteurs.
Dans les années 1950, le prix du cuivre a augmenté rapidement et l'industrie mondiale des fils et des câbles a proposé de remplacer le cuivre par l'aluminium.
Pour obtenir les mêmes performances électriques, la section transversale des conducteurs en aluminium devait être deux fois plus grande que celle des conducteurs en cuivre ou augmentée de 50%.
La même proposition a été faite dans les années 1960 et 1970 pour les mêmes raisons. Depuis 2005, la proposition de remplacer le cuivre par l'aluminium a été remise sur le tapis.
Avec les progrès de la technologie, le remplacement du cuivre par l'aluminium se fait aujourd'hui principalement à l'aide d'un alliage d'aluminium plutôt que d'aluminium pur.
Quelles sont les perspectives de remplacement du cuivre par l'aluminium ? Nous devons mieux comprendre les propriétés des alliages d'aluminium, du cuivre et de l'aluminium.
| aluminium | Aluminium | Cuivre | |||||
| Recuit | Dur (H8) | Recuit | Dur | ||||
| Poids atomique Densité/kgm-3résistivité/n Ω - mconductivité/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Coefficient de température de la résistance/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Résistance à la traction/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Module d'élasticité positive/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Coefficient d'expansion linéaire/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Capacité thermique spécifique | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Conductivité thermique/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Résistance thermique/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potentiel de l'électrode au calomel/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Dureté Brinell | environ 25 | environ 45 | environ 60 | environ 120 | |||
| Point de fusion /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Chaleur de fusion/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Note : Les données sont tirées de "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2e édition.
En ce qui concerne les normes de production des câbles, tous les câbles électriques sont fabriqués conformément à la norme GB12706.1-2008 "Extruded Insulated Power Cables and Accessories with Rated Voltage of 1kV (Um=1.2kV) to 35kV (Um=40.5kV) : Partie 1 : Cables with Rated Voltage of 1kV (Um=1.2kV) and 3kV (Um=3.6kV)," où les conducteurs de câble sont produits selon GB/T3956-2008.
La norme GB/T3956-2008 "Conductors for Cables" contient des dispositions claires concernant l'utilisation du premier ou du deuxième type de conducteur en cuivre recuit, avec ou sans couche métallique dorée, ou d'un conducteur en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Résistance à la traction et conductivité de l'aluminium électrique
| État | σb/MPa | Résistivité (max) /(Ω mm2) m-1 | Conductivité (min) /% IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 ou H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 ou 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 ou 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Note : Les données sont tirées de "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2e édition.
Dans les années 1960 et 1970, les prix du cuivre ont grimpé en flèche dans le monde entier. En raison de facteurs politiques, le cuivre était considéré comme un matériau stratégique et soumis à un contrôle commercial.
En conséquence, l'aluminium a été largement utilisé comme principal matériau conducteur pour les câbles de transmission, et le "remplacement du cuivre par l'aluminium" est devenu une politique technique courante dans l'industrie électrique.
Le choix des câbles à conducteurs en cuivre devait être approuvé.
C'est pourquoi des câbles en aluminium pur ont été utilisés pour les lignes principales et secondaires des bâtiments civils.
Les inconvénients des conducteurs en aluminium pur (AA1350) se reflètent principalement dans les aspects suivants :
(1) Faible résistance mécanique, facile à casser.
(2) Susceptible de fluer, les vis doivent être serrées régulièrement.
(3) Facile à surcharger et à chauffer, ce qui entraîne des risques pour la sécurité.
(4) Il n'existe pas de solution satisfaisante au problème de la connexion entre le cuivre et l'aluminium.
Ces problèmes ne concernent pas seulement la Chine, mais aussi l'industrie mondiale du câble. Avec l'amélioration de la situation internationale et la mise en œuvre des politiques de réforme et d'ouverture de la Chine, nous pouvons facilement importer une grande quantité de ressources en cuivre de l'étranger, et la différence de prix entre le cuivre et l'aluminium n'est pas significative.
Ainsi, le remplacement du cuivre par l'aluminium est progressivement devenu moins populaire en Chine. Dans le même temps, les pays étrangers ont activement développé de nouveaux conducteurs en alliage d'aluminium et résolu les problèmes de connexion entre les conducteurs en alliage et les terminaux.
Par la suite, les États-Unis et l'Europe ont largement utilisé des conducteurs en alliage d'aluminium dans les lignes de distribution. Le code national de l'électricité des États-Unis [5] NEC330.14 stipule que : "Les conducteurs solides d'une section de 8, 10, 12AWG (équivalent à 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2 en Chine) doivent être fabriqués en alliage d'aluminium de qualité électrique de la série AA8000.
Les conducteurs toronnés de 8AWG (équivalent à 8,37mm2 en Chine) à 1000kcmil (équivalent à 506,7mm2 en Chine) sont marqués comme étant de type RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, de type SE Style U et SE Style R pour l'entrée de service et doivent être fabriqués en alliage d'aluminium de qualité électrique de la série AA-8000".
Les alliages d'aluminium utilisés comme conducteurs ont connu un développement rapide dans les années 1960 et 1970 en raison de la flambée des prix du cuivre.
Dans la liste des nuances d'alliages d'aluminium de l'Association internationale de l'industrie de l'aluminium, les principaux alliages d'aluminium utilisés comme conducteurs sont ceux de la série AA1000 (aluminium pur), de la série AA6000 (alliage Al-Mg-Si) et de la série AA8000 (alliage Al-Mg-Cu-Fe). Les conducteurs de la série AA1000 sont principalement utilisés dans les lignes aériennes à haute tension ; les conducteurs de la série AA6000 Al-Mg-Si sont principalement utilisés dans les lignes aériennes à haute tension et les lignes aériennes à haute tension. barres omnibus en aluminium.
Les deux types de conducteurs existent à l'état dur et le soudage est la principale méthode de raccordement. La série AA8000 Al-Mg-Cu-Fe est un alliage d'aluminium mou qui est actuellement utilisé dans les lignes de distribution.
Le AA8000 série aluminium alloy a obtenu une série de brevets dans les années 1960 et 1970.
Alliage d'aluminium
| Nom de l'alliage | Numéro de brevet américain | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Alliage d'aluminium | Pourcentage de composition chimique en fonction de la qualité | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminium | Silicium | Le fer | Cuivre | Magnésium | Zinc | Bore | Autres (total) | Autres (total) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Résiduelle Résiduelle Résiduelle Résiduelle Résiduelle Résiduelle Résiduelle | 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 |
Remarque : les données proviennent de l'Aluminum Electrical Conductor Handbook, troisième édition.
En raison de l'ajout d'éléments de cuivre/fer/magnésium, ces éléments jouent un rôle très important dans l'alliage :
Le cuivre : Augmente la stabilité de la résistance électrique de l'alliage à haute température.
Le fer : Le 280% augmente la résistance au fluage et à la compression, évitant ainsi les problèmes de relaxation causés par le fluage.
Magnésium : Peut augmenter les points de contact et a une plus grande résistance à la traction sous la même pression d'interface.
Performance de l'alliage d'aluminium pour les fils souples
| Objet | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Conductivité /% 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 |
Note : Les données proviennent du Manuel des alliages d'aluminium et de leur transformation, deuxième édition.
(1) Résistance mécanique : Le tableau montre que, par rapport aux conducteurs en aluminium pur AA1350, la résistance à la traction des conducteurs de la série AA8000 est d'environ 150% de l'aluminium pur, et que la résistance à la traction des conducteurs de la série AA8000 est d'environ 150% de l'aluminium pur. limite d'élasticité est d'environ 200% d'aluminium pur.
(2) Performance anti-fugue : Lors de l'essai de fluage de 500 heures, on constate que, par rapport aux conducteurs en aluminium pur AA1350, la performance anti-fluage des alliages de la série AA8000 est d'environ 280% par rapport à l'aluminium pur, atteignant fondamentalement le même niveau que les conducteurs en cuivre.
| Caractéristiques du conducteur | Densité (g/m3) | Point de fusion (℃) | Coefficient de dilatation linéaire | Résistivité (Ω * mm2/m) | Conductivité IACS% | Résistance à la traction (MPa) | Limite d'élasticité (MPa) | Taux d'élongation (%) |
| Cuivre électrique (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Alliage d'aluminium AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Par rapport aux conducteurs en cuivre, on constate qu'en raison de la différence de résistivité, l'IACS des conducteurs en alliage d'aluminium AA8000 est de 61,8% par rapport au cuivre.
Lorsque nous augmentons la section des conducteurs en alliage d'aluminium de deux niveaux ou que nous la portons à 150% de la section des conducteurs en cuivre, leurs performances électriques sont constantes.
La résistance à la traction des conducteurs en alliage d'aluminium n'est que la moitié de celle des conducteurs en cuivre (113,8:220MPa).
La densité de l'alliage d'aluminium AA8000 n'étant que de 30,4% de celle des conducteurs en cuivre, même si la surface de la section transversale des conducteurs en alliage d'aluminium est portée à 150% de la surface de la section transversale des conducteurs en cuivre, le poids des conducteurs en alliage d'aluminium n'est que de 45% de celui des conducteurs en cuivre.
La résistance à la traction des conducteurs en alliage d'aluminium est donc relativement avantageuse par rapport à celle des conducteurs en cuivre.
La limite d'élasticité des conducteurs en alliage d'aluminium AA8000 est proche de celle des conducteurs en cuivre, ce qui rend la performance de fluage des conducteurs en alliage d'aluminium proche de celle des conducteurs en cuivre.
En termes d'allongement à la rupture, le conducteur en alliage d'aluminium est fondamentalement le même que le conducteur en cuivre.
En raison des coefficients de dilatation différents des conducteurs en alliage d'aluminium et des conducteurs en cuivre, il n'est pas possible de connecter directement des conducteurs en cuivre et en alliage d'aluminium. Nous assurons la fiabilité de la connexion grâce à la méthode suivante.
La norme GB14315-2008 relative aux cosses et connecteurs à sertir en cuivre et en aluminium pour les conducteurs de câbles électriques a été officiellement mise en œuvre.
Dans cette norme, la borne de transition cuivre-aluminium a également été officiellement incluse dans la norme, fournissant une base théorique pour la connexion des câbles en alliage et des barres de cuivre ou de l'équipement électrique en cuivre.
Actuellement, il existe principalement trois façons d'utiliser les transitions cuivre-aluminium :
(1) Câble en alliage + borne de transition cuivre-aluminium (la borne est directement connectée à la barre de cuivre).
(2) Câble en alliage + borne en aluminium (lorsque la borne en aluminium est connectée à la borne étamée). barre de cuivreLa vis est serrée selon le couple de serrage prévu par la norme nationale, et une rondelle en forme de disque est ajoutée pour assurer une connexion efficace entre les métaux cuivre et aluminium lors de la dilatation et de la contraction thermique).
(3) Câble en alliage + borne en aluminium + rondelle bimétallique (la partie en aluminium de la rondelle est reliée à la borne en aluminium, et la partie en cuivre est reliée au jeu de barres en cuivre).
Ces méthodes de connexion requièrent toutes 1000 cycles de test de cyclage thermique selon IEC61238-2008 ou GB9327-2008, simulant 30 ans d'utilisation pour garantir la fiabilité des connexions de câbles.
Les essais de cyclage thermique menés par Georgia Power Company et Shanghai Cable Research Institute ont montré que la connexion des câbles en alliage est sûre et fiable, et les données expérimentales montrent que la fiabilité de leur connexion est encore plus stable que celle des conducteurs en cuivre.
Selon les données de l'US Geological Survey (USGS), l'élément cuivre représente moins de 0,01% de la teneur en éléments de la croûte, tandis que l'élément aluminium représente 7,73% de la teneur en éléments de la croûte.
La teneur en aluminium est plus de 1000 fois supérieure à celle du cuivre dans la croûte terrestre. Sur la base du taux de consommation actuel, les ressources mondiales en cuivre peuvent supporter 32 années d'utilisation supplémentaires à un taux de croissance de 3% par an.
En ce qui concerne les ressources en aluminium, sur la base de l'échelle d'exploitation actuelle (environ 140 millions de tonnes par an), les réserves de bauxite existantes sont suffisantes pour répondre aux besoins de l'industrie mondiale de l'aluminium pendant près de 180 ans.
Depuis 2004, la Chine a exporté environ 10% de sa demande annuelle d'aluminium, ce qui a entraîné une grave surcapacité.
Dans le même temps, selon les statistiques de la Commission nationale pour le développement et la réforme, entre 2004 et 2006, le déficit annuel en cuivre de la Chine a dépassé 1,3 million de tonnes.
Selon les données de l'annuaire statistique chinois 2008, en 2007, la Chine a importé 4,52 millions de tonnes de minerai de cuivre et de cuivre raffiné, et la valeur des importations de cuivre et de ses produits s'élevait à 27,1 milliards USD.
Le marché chinois du cuivre métal est fortement tributaire des importations, et la demande insatiable de la Chine en matériaux cuivreux a entraîné une hausse continue des prix internationaux du cuivre.
Les entreprises chinoises se sont également lancées à l'étranger avec un enthousiasme sans précédent, acquérant des sociétés minières étrangères et exploitant des mines non chinoises, payant un prix dont le peuple chinois se souvient encore.
Depuis le début de l'année 2004, les prix du cuivre ont augmenté de plus de 200%, tandis que les prix de l'aluminium n'ont pas fluctué aussi fortement que les prix du cuivre.
Il est essentiel de mettre fin à la forte dépendance à l'égard des matériaux en cuivre pour modifier la relation entre l'offre et la demande internationales, économiser des devises, utiliser pleinement les ressources nationales et assurer le développement durable de l'industrie de l'énergie.
Grâce à l'excellente conductivité électrique et aux propriétés mécaniques des conducteurs en alliage d'aluminium, les inconvénients de la connexion peu fiable, de la faible résistance mécanique et du fluage facile des conducteurs en aluminium ont été améliorés.
Leurs performances mécaniques sont comparables à celles des conducteurs en cuivre. Les performances électriques peuvent être obtenues en augmentant la surface de la section transversale, qui a la même conductivité que les conducteurs en cuivre.
C'est pourquoi les conducteurs en alliage d'aluminium sont largement utilisés dans les systèmes de distribution à basse tension.
La promotion et l'application de conducteurs en alliage d'aluminium sur le marché intérieur permettront d'économiser une grande quantité de ressources en cuivre, de réduire la dépendance du pays à l'égard des ressources en cuivre étrangères, d'économiser beaucoup de devises et de permettre aux utilisateurs d'économiser de l'argent.
Ils sont également plus faciles à installer pour les installateurs. Grâce à ces nombreux avantages, nous avons des raisons de croire que l'application des conducteurs en alliage d'aluminium dans les câbles d'alimentation basse tension deviendra plus populaire et que la tendance à remplacer le cuivre par l'aluminium provoquera une révolution dans l'industrie du câble.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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