Mengapa paduan aluminium menjadi pilihan yang lebih disukai daripada tembaga dalam konduktor listrik? Artikel ini membahas perbandingan antara konduktor aluminium, tembaga, dan paduan aluminium, merinci sejarah, sifat, dan aplikasinya. Anda akan menemukan kelebihan dan kekurangan masing-masing bahan dan memahami mengapa paduan aluminium, dengan kekuatan mekanik dan efektivitas biaya yang ditingkatkan, merevolusi industri ini. Dapatkan wawasan tentang bagaimana bahan-bahan ini memengaruhi distribusi daya dan masa depan teknik kelistrikan.
Penggunaan tembaga oleh manusia dapat ditelusuri hingga 10.000 tahun yang lalu. Artefak berusia 8.700 tahun, sebuah penutup telinga dari tembaga, ditemukan di Irak utara. Cina memiliki peralatan perunggu lebih dari 4.000 tahun yang lalu selama era Xia Yu.
The aplikasi tembaga sebagai konduktor memiliki sejarah lebih dari 200 tahun sejak ditemukan dan diaplikasikan pada akhir abad ke-18 dengan listrik.
Aluminium, sebagai logam muda, disebut sebagai "emas perak" pada pertengahan abad ke-19, bahkan lebih berharga daripada emas.
Baru pada tahun 1886, ilmuwan Amerika, Hall, secara independen meneliti dan mengembangkan metode elektrolitik untuk produksi aluminium, yang memungkinkan industrialisasi.
Aluminium mulai digunakan sebagai konduktor pada tahun 1896 ketika ilmuwan Inggris, Colly, memasang kawat aluminium terdampar di atas kepala yang pertama di Bolton.
Pada tahun 1910, Asosiasi Aluminium Amerika menciptakan kawat berinti baja berinti aluminium dan memasangnya di atas Air Terjun Niagara.
Sejak saat itu, saluran transmisi tegangan tinggi di atas kepala secara bertahap digantikan oleh kabel berinti baja berinti aluminium. Selain itu, negara-negara industri maju di Eropa dan Amerika mulai menggunakan konduktor aluminium untuk menggantikan konduktor tembaga sebagai jalur distribusi pada tahun 1910.
Saat ini, sekitar 14% aluminium yang diproduksi di dunia digunakan sebagai bahan listrik. Amerika Serikat memiliki persentase aluminium tertinggi yang digunakan dalam kabel, mencapai sekitar 35%.
Di Tiongkok, jumlah aluminium yang digunakan oleh industri listrik menyumbang sekitar sepertiga dari total konsumsi aluminium di negara tersebut, terutama untuk transmisi tegangan tinggi.
Namun demikian, proporsi konduktor aluminium yang digunakan dalam distribusi daya kurang dari 5%. Pilihan antara tembaga dan aluminium dipengaruhi oleh faktor sejarah, kondisi nasional, situasi sumber daya, dan faktor lainnya.
Pada tahun 1950-an, harga tembaga naik dengan cepat, dan industri kawat dan kabel dunia mengusulkan untuk mengganti tembaga dengan aluminium.
Untuk mencapai performa listrik yang sama, luas penampang konduktor aluminium harus dua tingkat lebih besar daripada konduktor tembaga atau bertambah 50%.
Usulan yang sama pernah diajukan pada tahun 1960-an dan 1970-an untuk alasan yang sama. Sejak tahun 2005, proposal untuk mengganti tembaga dengan aluminium telah diajukan kembali.
Dengan kemajuan teknologi, kali ini penggantian tembaga dengan aluminium terutama menggunakan paduan aluminium, bukan aluminium murni.
Bagaimana prospek mengganti tembaga dengan aluminium? Kita perlu memiliki pemahaman yang lebih baik tentang sifat-sifat paduan aluminium, tembaga, dan aluminium.
| aluminium | Aluminium | Tembaga | |||||
| Anil | Keras (H8) | Anil | Keras | ||||
| Kepadatan berat atom / kgm-3resistivitas / n Ω - mkonduktivitas / % IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Koefisien resistansi suhu/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Kekuatan tarik/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Modulus elastisitas positif/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Koefisien ekspansi linier/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Kapasitas panas spesifik | /J (kgK)-1/ J (℃.cm3)-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Konduktivitas termal/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Resistensi termal / K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potensial elektroda kalomel/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Kekerasan Brinell | sekitar 25 | sekitar 45 | sekitar 60 | sekitar 120 | |||
| Titik leleh / ℃ | 600 | 1083 | |||||
| Panas fusi/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Catatan: Data diambil dari "Aluminium Alloy and Its Processing Handbook" Edisi ke-2.
Dalam hal standar produksi kabel, semua produksi kabel daya mengikuti GB12706.1-2008 "Kabel dan Aksesori Daya Berinsulasi Ekstrusi dengan Tegangan Pengenal 1kV (Um = 1,2kV) hingga 35kV (Um = 40,5kV): Bagian 1: Kabel dengan Tegangan Pengenal 1kV (Um = 1.2kV) dan 3kV (Um = 3.6kV)," di mana konduktor kabel diproduksi sesuai dengan GB / T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Konduktor untuk Kabel" memiliki ketentuan yang jelas yang dapat menggunakan konduktor tembaga anil tipe pertama atau kedua dengan atau tanpa lapisan logam berlapis emas, atau konduktor aluminium atau paduan aluminium.
Kekuatan tarik dan konduktivitas aluminium listrik
| Negara | σb/MPa | Resistivitas (maks) / (Ω mm2) m-1 | Konduktivitas (menit) / % IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 atau H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 atau 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 atau 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Catatan: Data diambil dari "Aluminium Alloy and Its Processing Handbook" Edisi ke-2.
Pada tahun 1960-an dan 1970-an, harga tembaga melambung tinggi secara global. Karena faktor politik, tembaga dianggap sebagai bahan strategis dan tunduk pada kontrol perdagangan.
Sebagai hasilnya, aluminium digunakan secara luas sebagai bahan konduktor utama untuk kabel transmisi, dan "mengganti tembaga dengan aluminium" menjadi kebijakan teknis yang umum dalam industri listrik.
Diperlukan persetujuan untuk memilih kabel konduktor tembaga.
Oleh karena itu, kabel aluminium murni digunakan untuk jalur utama dan cabang bangunan sipil.
Kerugian konduktor aluminium murni (AA1350) terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut ini:
(1) Kekuatan mekanis yang buruk, mudah patah.
(2) Rentan terhadap creep, sekrup harus dikencangkan secara teratur.
(3) Mudah kelebihan beban dan menghasilkan panas, yang menyebabkan bahaya keselamatan.
(4) Tidak ada solusi yang baik untuk masalah sambungan transisi tembaga-aluminium.
Masalah-masalah ini tidak hanya dihadapi oleh China tetapi juga oleh industri kabel dunia. Dengan membaiknya situasi internasional dan implementasi reformasi dan kebijakan keterbukaan China, kita dapat dengan mudah mengimpor sejumlah besar sumber daya tembaga dari luar negeri, dan perbedaan harga antara tembaga dan aluminium tidak signifikan.
Dengan demikian, mengganti tembaga dengan aluminium secara bertahap menjadi kurang populer di Cina. Pada saat yang sama, negara-negara asing telah secara aktif mengembangkan konduktor paduan aluminium baru dan memecahkan masalah koneksi antara konduktor paduan dan terminal.
Pada akhirnya, Amerika Serikat dan Eropa menerapkan konduktor paduan aluminium secara ekstensif dalam jalur distribusi. Dalam Kode Kelistrikan Nasional Amerika Serikat [5] NEC330.14, ditetapkan bahwa: "Konduktor padat dengan luas penampang 8, 10, 12AWG (setara dengan 8.37mm2, 5.26mm2, 3.332mm2 di Cina) harus dibuat dari bahan paduan aluminium kelas listrik seri AA8000.
Konduktor terdampar dari 8AWG (setara dengan 8,37mm2 di Cina) hingga 1000kcmil (setara dengan 506,7mm2 di Cina) ditandai sebagai Tipe RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, pintu masuk servis Tipe SE Style U dan SE Style R harus dibuat dari bahan konduktor paduan aluminium kelas listrik seri AA-8000."
Paduan aluminium yang digunakan sebagai konduktor mengalami perkembangan pesat pada tahun 1960-an dan 1970-an karena melonjaknya harga tembaga.
Dalam daftar kelas paduan aluminium Asosiasi Industri Aluminium Internasional, paduan aluminium utama yang digunakan sebagai konduktor adalah seri AA1000 (aluminium murni), seri AA6000 (paduan Al-Mg-Si) konduktor, dan seri AA8000 (paduan Al-Mg-Cu-Fe) konduktor. Konduktor seri AA1000 terutama digunakan pada saluran udara tegangan tinggi; Konduktor seri AA6000 Al-Mg-Si terutama digunakan pada saluran udara tegangan tinggi dan busbar aluminium.
Kedua jenis konduktor ini ada dalam keadaan keras, dan pengelasan adalah metode utama untuk sambungan sambungan. Seri AA8000 Al-Mg-Cu-Fe adalah paduan aluminium lunak yang sebenarnya digunakan dalam jalur distribusi.
AA8000 seri aluminium memperoleh serangkaian paten pada tahun 1960-an dan 1970-an.
Paduan aluminium
| Nama paduan | Nomor Paten AS | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Paduan aluminium | Persentase komposisi kimia berdasarkan kualitas | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminium | Silikon | Besi | Tembaga | Magnesium | Seng | Boron | Lainnya (total) | Lainnya (total) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Sisa Sisa Sisa Sisa Sisa Sisa Sisa | 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 |
Catatan: Data bersumber dari Buku Panduan Konduktor Listrik Aluminium Edisi Ketiga.
Karena penambahan elemen tembaga/besi/magnesium, semua elemen ini memainkan peran yang sangat penting dalam paduan:
Tembaga: Meningkatkan stabilitas hambatan listrik paduan pada suhu tinggi.
Besi: Kekuatan anti-merosot dan kekuatan tekan ditingkatkan sebesar 280%, menghindari masalah relaksasi yang disebabkan oleh mulur.
Magnesium: Dapat meningkatkan titik kontak dan memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi di bawah tekanan antarmuka yang sama.
Kinerja Paduan Aluminium untuk Kawat Lunak
| Item | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ / % | Konduktivitas / % 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 |
Catatan: Data bersumber dari Aluminium Alloys and their Processing Manual, Edisi Kedua.
(1) Kekuatan mekanis: Dari tabel tersebut, dapat dilihat bahwa dibandingkan dengan konduktor aluminium murni AA1350, kekuatan tarik konduktor seri AA8000 adalah sekitar 150% aluminium murni, dan kekuatan luluh adalah sekitar 200% aluminium murni.
(2) Performa anti-merayap: Dalam uji mulur 500 jam, dapat dilihat bahwa dibandingkan dengan konduktor aluminium murni AA1350, kinerja anti-mulur paduan seri AA8000 adalah sekitar 280% aluminium murni, pada dasarnya mencapai tingkat yang sama dengan konduktor tembaga.
| Karakteristik konduktor | Kepadatan (g/m)3) | Titik leleh (℃) | Koefisien ekspansi linier | Resistivitas (Ω * mm)2/m) | Konduktivitas IACS% | Kekuatan tarik (MPa) | Kekuatan luluh (MPa) | Tingkat perpanjangan (%) |
| Tembaga listrik (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Paduan aluminium AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Dibandingkan dengan konduktor tembaga, ditemukan bahwa karena resistivitas yang berbeda, IACS konduktor paduan aluminium AA8000 adalah 61,8% tembaga.
Ketika kami meningkatkan luas penampang konduktor paduan aluminium sebanyak dua tingkat atau meningkatkannya menjadi 150% dari luas penampang konduktor tembaga, performa kelistrikannya konsisten.
Kekuatan tarik konduktor paduan aluminium hanya setengah dari konduktor tembaga (113,8:220MPa).
Karena kepadatan paduan aluminium AA8000 hanya 30,4% konduktor tembaga, bahkan jika luas penampang konduktor paduan aluminium ditingkatkan menjadi 150% dari luas penampang konduktor tembaga, berat konduktor paduan aluminium hanya 45% konduktor tembaga.
Hal ini membuat kekuatan tarik konduktor paduan aluminium relatif menguntungkan dibandingkan dengan konduktor tembaga.
Kekuatan luluh konduktor paduan aluminium AA8000 mendekati konduktor tembaga, membuat kinerja mulur konduktor paduan aluminium mendekati konduktor tembaga.
Dalam hal perpanjangan putus, konduktor paduan aluminium pada dasarnya sama dengan konduktor tembaga.
Karena koefisien muai yang berbeda antara konduktor paduan aluminium dan tembaga, maka tidak cocok untuk menyambungkan konduktor tembaga dan paduan aluminium secara langsung. Kami memastikan keandalan sambungan melalui metode berikut ini.
Standar GB14315-2008 untuk terminal dan konektor tembaga dan aluminium tipe crimp dan konektor untuk konduktor kabel daya telah secara resmi diimplementasikan.
Dalam standar ini, terminal transisi tembaga-aluminium juga secara resmi telah disertakan dalam standar, memberikan dasar teoretis untuk koneksi kabel paduan dan batang tembaga atau peralatan listrik yang terbuat dari tembaga.
Saat ini, terutama ada tiga cara untuk menggunakan transisi tembaga-aluminium:
(1) Kabel paduan + terminal transisi tembaga-aluminium (terminal terhubung langsung ke batang tembaga).
(2) Kabel paduan + terminal aluminium (ketika terminal aluminium dihubungkan ke timah berlapis busbar tembagasekrup dikencangkan sesuai dengan nilai torsi yang disediakan oleh standar nasional, dan mesin cuci berbentuk cakram ditambahkan untuk memastikan koneksi yang efektif antara logam tembaga dan aluminium selama ekspansi dan kontraksi termal).
(3) Kabel paduan + terminal aluminium + mesin cuci bimetal (bagian aluminium dari mesin cuci terhubung ke terminal aluminium, dan bagian tembaga terhubung ke busbar tembaga).
Semua metode koneksi ini memerlukan 1000 siklus uji siklus termal menurut IEC61238-2008 atau GB9327-2008, yang mensimulasikan penggunaan selama 30 tahun untuk memastikan keandalan koneksi kabel.
Pengujian siklus termal yang dilakukan oleh Georgia Power Company dan Shanghai Cable Research Institute telah menunjukkan bahwa sambungan kabel paduan aman dan dapat diandalkan, dan data eksperimental menunjukkan bahwa keandalan sambungannya bahkan lebih stabil daripada konduktor tembaga.
Menurut data dari US Geological Survey (USGS), unsur tembaga menyumbang kurang dari 0,01% dari kandungan unsur di kerak bumi, sedangkan unsur aluminium menyumbang 7,73% dari kandungan unsur di kerak bumi.
Kandungan unsur aluminium lebih dari 1000 kali lipat dari unsur tembaga dalam kerak bumi. Berdasarkan tingkat konsumsi saat ini, sumber daya tembaga global dapat mendukung penggunaan 32 tahun lagi dengan tingkat pertumbuhan 3% per tahun.
Untuk sumber daya aluminium, berdasarkan skala penambangan saat ini (sekitar 140 juta ton per tahun), cadangan bauksit yang ada saat ini cukup untuk memenuhi kebutuhan industri aluminium dunia selama hampir 180 tahun.
Sejak tahun 2004, China telah mengekspor sekitar 10% dari permintaan aluminium tahunannya, yang mengakibatkan kelebihan kapasitas yang serius.
Pada saat yang sama, menurut statistik dari Komisi Pembangunan dan Reformasi Nasional, dari tahun 2004 hingga 2006, kesenjangan material tembaga tahunan China melebihi 1,3 juta ton.
Menurut data dari China Statistical Yearbook 2008, pada tahun 2007, China mengimpor 4,52 juta ton bijih tembaga dan tembaga olahan, dan nilai impor tembaga dan produknya adalah USD 27,1 miliar.
Pasar logam tembaga China sangat bergantung pada impor, dan permintaan China yang tidak pernah terpuaskan untuk bahan tembaga telah menyebabkan kenaikan harga tembaga internasional secara terus menerus.
Perusahaan-perusahaan Tiongkok juga telah pergi ke luar negeri dengan antusiasme yang belum pernah terjadi sebelumnya, mengakuisisi perusahaan pertambangan asing dan menambang tambang non-Tiongkok, dengan membayar harga yang masih dikenang oleh rakyat Tiongkok.
Sejak awal tahun 2004, harga tembaga telah meningkat lebih dari 200%, sementara harga aluminium tidak berfluktuasi sedramatis harga tembaga.
Mengubah ketergantungan serius pada bahan tembaga adalah kunci untuk mengubah hubungan penawaran dan permintaan internasional, menghemat devisa, memanfaatkan sumber daya dalam negeri, dan memastikan pengembangan industri listrik yang berkelanjutan.
Karena konduktivitas listrik yang sangat baik dan sifat mekanik konduktor paduan aluminium, kerugian dari koneksi yang tidak dapat diandalkan, kekuatan mekanik yang buruk, dan konduktor aluminium yang mudah mulur telah diperbaiki.
Performa mekanisnya sebanding dengan konduktor tembaga. Performa listrik dapat dicapai dengan meningkatkan luas penampang, yang memiliki konduktivitas yang sama dengan konduktor tembaga.
Oleh karena itu, konduktor paduan aluminium banyak digunakan dalam sistem distribusi tegangan rendah.
Promosi dan penerapan konduktor paduan aluminium di pasar domestik akan menghemat sejumlah besar sumber daya tembaga, mengurangi ketergantungan negara pada sumber daya tembaga asing, menghemat banyak devisa, dan memungkinkan pengguna untuk menghemat uang.
Hal ini juga memudahkan pemasang untuk memasangnya. Dengan banyak keuntungan, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa penerapan konduktor paduan aluminium pada kabel daya tegangan rendah akan menjadi lebih populer, dan tren penggantian tembaga dengan aluminium akan menyebabkan revolusi dalam industri kabel.
Sebagai pendiri MachineMFG, saya telah mendedikasikan lebih dari satu dekade karier saya untuk industri pengerjaan logam. Pengalaman saya yang luas telah memungkinkan saya untuk menjadi ahli di bidang fabrikasi lembaran logam, permesinan, teknik mesin, dan peralatan mesin untuk logam. Saya terus berpikir, membaca, dan menulis tentang subjek-subjek ini, terus berusaha untuk tetap menjadi yang terdepan di bidang saya. Biarkan pengetahuan dan keahlian saya menjadi aset bagi bisnis Anda.
ID 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR