Perché il dibattito tra conduttori in lega di alluminio e rame è così critico nel settore elettrico? Come materiali per conduttori, entrambi presentano vantaggi e svantaggi unici. Questo articolo esplora le prestazioni, il rapporto costo-efficacia e le applicazioni di questi materiali, fornendo approfondimenti sulle loro proprietà meccaniche ed elettriche. I lettori comprenderanno come le leghe di alluminio stiano emergendo come una valida alternativa al rame, trasformando potenzialmente i sistemi di trasmissione e distribuzione dell'energia. Immergetevi per scoprire quale conduttore potrebbe guidare il futuro delle infrastrutture elettriche.
L'uso del rame da parte dell'uomo può essere fatto risalire a 10.000 anni fa. Un manufatto - un padiglione auricolare in rame - risalente a 8.700 anni fa è stato portato alla luce nel nord dell'Iraq, mentre il bronzo esisteva in Cina più di 4.000 anni fa, all'epoca di Xia Yu.
L'applicazione del rame come conduttore ha attraversato oltre 200 anni dalla scoperta e dall'applicazione dell'elettricità alla fine del XVIII secolo.
L'alluminio, un metallo relativamente giovane, a metà del XIX secolo era conosciuto come "oro d'argento", più prezioso dell'oro, fino al 1886, quando lo scienziato americano Hall sviluppò in modo indipendente il metodo dell'alluminio elettrolitico, aprendo la strada alla produzione industriale.
L'uso dell'alluminio come conduttore iniziò nel 1896, quando il britannico Sir William Crookes realizzò a Bolton il primo cavo aereo in alluminio.
Nel 1910, l'Aluminum Association of America di Hupp inventò il trefolo in alluminio con anima in acciaio, eretto sopra le cascate del Niagara. Da allora, le linee di trasmissione aeree ad alta tensione sono state gradualmente sostituite da trefoli in alluminio con anima in acciaio.
Inoltre, i paesi occidentali industrializzati hanno iniziato ad utilizzare conduttori in alluminio per sostituire i conduttori di rame come cavi di distribuzione nel 1910.
Attualmente, circa 14% dell'alluminio prodotto a livello mondiale è utilizzato come materiale elettrico, con gli Stati Uniti in testa nell'uso dell'alluminio nei cavi elettrici, raggiungendo circa 35%.
La quantità di alluminio utilizzata dai dipartimenti elettrici cinesi rappresenta circa un terzo del consumo totale di alluminio, utilizzato principalmente per la trasmissione ad alta tensione, mentre la percentuale di conduttori in alluminio utilizzati nella distribuzione è inferiore a 5%. L'uso del rame o dell'alluminio come conduttori è influenzato dalle condizioni storiche, nazionali e dalle risorse.
Negli anni '50, con il rapido aumento del prezzo del rame, l'industria mondiale dei fili e dei cavi propose di sostituire il rame con l'alluminio. Per ottenere le stesse prestazioni elettriche, l'area della sezione trasversale del conduttore di alluminio deve essere di due livelli superiore o aumentare di 50% rispetto al conduttore di rame.
Negli anni '60 e '70, per le stesse ragioni, è stata avanzata la proposta di sostituire il rame con l'alluminio. Dal 2005 a oggi, la proposta di sostituire il rame con l'alluminio è stata nuovamente avanzata.
Con il progresso della tecnologia, questa volta la sostituzione del rame con l'alluminio si riferisce principalmente alla sostituzione del rame con la lega di alluminio. Qual è la prospettiva della sostituzione del rame con l'alluminio? Dobbiamo capire meglio le proprietà delle leghe di alluminio, del rame e dell'alluminio.
| Prestazioni | Alluminio | Alluminio | Rame | Rame | |
| Ricotto (0) | Duro (H8) | Ricotto | Duro | ||
| Peso atomico | 26.98 | 63.54 | |||
| Densità/kgm-3 | 2700 | 8890 | |||
| Resistività/nΩ-m | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| Conduttività/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Coefficiente di temperatura della resistenza/(nΩ-m)-K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| Resistenza alla trazione/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Modulo di Young/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Coefficiente di espansione lineare/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Capacità termica specifica | /J（kg-K）-1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃ -cm3）-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| Conduttività termica/W-(m-K) | 231 | 436 | |||
| Resistenza termica/K-W-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| Elettrodo al mercurio Potenziale/V | -0.75 | -0.22 | |||
| Durezza Brinell | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Punto di fusione/℃ | 600 | 1083 | |||
| Calore di fusione/ × 105J - kg-1 | 3.906 | 2.142 | |||
Nota: i dati provengono dalla seconda edizione del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
Dal punto di vista degli standard di produzione dei cavi, tutta la produzione di cavi elettrici segue GB12706.1-2008 "Cavi elettrici isolati estrusi e accessori con tensioni nominali da 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cavi con tensioni nominali di 1kV (Um=1,2kV) e 3kV (Um=3,6kV)", dove i conduttori dei cavi sono prodotti in conformità a GB/T3956-2008.
La norma GB/T3956-2008 "Conduttori di cavi" contiene norme esplicite che consentono l'uso di conduttori di rame ricotto di primo o secondo tipo, rivestiti di metallo o non rivestiti di metallo, di alluminio o di leghe di alluminio.
Resistenza alla trazione e conducibilità elettrica dell'alluminio elettrico
| Stato | σb/MPa | Resistività massima (Ω-mm)2/m) | Conducibilità (minima) / %IACS |
| 1350-0 | 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 o 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Nota: i dati provengono dalla seconda edizione del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
Negli anni Sessanta e Settanta, il prezzo globale del rame è salito alle stelle. A causa di fattori politici, il rame fu regolamentato come materiale strategico e, a livello nazionale, l'alluminio fu ampiamente utilizzato come principale materiale conduttore per i cavi di trasmissione.
La politica di "sostituzione del rame con l'alluminio" divenne una politica tecnica comune nell'industria elettrica, con l'uso di cavi conduttori in rame che richiedevano applicazioni di relazione.
Pertanto, le linee principali e le diramazioni degli edifici civili utilizzavano tutte cavi in alluminio puro. Gli svantaggi dei conduttori in alluminio puro (AA1350) si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:
(1) Scarsa resistenza meccanica, si rompe facilmente,
(2) Tendenza allo scorrimento, che richiede un frequente serraggio delle viti,
(3) Si surriscalda facilmente in caso di sovraccarico, con conseguente rischio per la sicurezza,
(4) Il problema della connessione di transizione tra rame e alluminio non è ben affrontato.
Questi problemi non sono affrontati solo a livello nazionale, ma sono prevalenti anche nell'industria mondiale dei cavi. Tuttavia, con il miglioramento delle relazioni internazionali e l'attuazione della riforma e dell'apertura della Cina, siamo stati in grado di importare una grande quantità di risorse di rame dall'estero e la differenza di prezzo tra il rame e l'alluminio è diventata insignificante, portando a una graduale eliminazione della tendenza "alluminio che sostituisce il rame" a livello nazionale.
Contemporaneamente, i paesi stranieri hanno sviluppato attivamente nuovi conduttori in lega di alluminio per risolvere i problemi di connessione tra conduttori in lega e terminali.
Alla fine, gli Stati Uniti e l'Europa hanno utilizzato ampiamente i conduttori in lega di alluminio nelle linee di distribuzione.
Secondo l'American National Electrical Code [5] NEC330.14: "I conduttori solidi con una sezione trasversale di 8, 10, 12AWG (equivalenti alle dimensioni domestiche di 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2) devono essere realizzati con materiali in lega di alluminio di grado elettrico della serie AA8000".
I conduttori a trefoli da 8AWG (equivalenti alla dimensione domestica di 8,37mm2) a 1000kcmil (equivalenti alla dimensione domestica di 506,7mm2), etichettati come tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, tipo di ingresso di servizio SE Style U e SE Style R, devono essere realizzati con materiali conduttori in lega di alluminio di grado elettrico della serie AA-8000".
Il rapido sviluppo delle leghe di alluminio utilizzate come conduttori è stato innescato dal significativo aumento dei prezzi del rame durante gli anni '60 e '70. Nell'ambito delle denominazioni delle leghe dell'Aluminum Association, i principali tipi di leghe di alluminio utilizzate come conduttori comprendono la serie AA1000 (alluminio puro), la serie AA6000 e la serie AA8000.
La serie AA1000 è utilizzata principalmente per linee aeree ad alta tensione. La serie AA6000 Al-Mg-Si (lega di alluminio-magnesio-silicio) è utilizzata principalmente per le linee aeree ad alta tensione e per le sbarre in alluminio; entrambi i tipi di conduttori esistono allo stato duro, con connessioni realizzate principalmente tramite saldatura.
La serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (lega di alluminio-magnesio-rame-ferro) rappresenta la vera lega di alluminio morbida utilizzata nelle linee di distribuzione. La AA8000 serie di alluminio Le leghe hanno ottenuto numerosi brevetti negli anni Sessanta e Settanta.
| Nome della lega | Numero di brevetto statunitense | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| Lega di alluminio | Percentuale di composizione chimica in base alla qualità | |||||||||
| ANSI | UNS | Alluminio | Silicio | Ferro | Rame | Magnesio | Zinco | Boro | Altri (Totale) | Altri (Totale) |
| 8017 | A98017 | Residui | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | Residui | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | Residui | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | Residui | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | Residui | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | Residui | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
R: Il contenuto massimo di litio è pari a 0,03.
B: Il contenuto massimo di silicio e ferro è di 1,0.
C: Il contenuto massimo di gallio è 0,03.
Nota: i dati provengono dal Manuale dei conduttori elettrici in alluminio - Terza edizione.
L'aggiunta di rame, ferro e magnesio svolge un ruolo fondamentale nella lega:
Rame: Migliora la stabilità della resistenza elettrica della lega alle alte temperature.
Ferro: aumenta la resistenza al creep e alla compressione di 280%, prevenendo i problemi causati dall'allentamento indotto dal creep.
Magnesio: A parità di pressione di interfaccia, può aumentare i punti di contatto e fornire una maggiore resistenza alla trazione.
Prestazioni della lega di alluminio per fili elettrici morbidi
| Marchio o nome del prodotto | σb/MPa | σ0,2/MPa | δ/% | Nome del marchio o del prodotto/%IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| Tripla 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: i dati provengono dalla seconda edizione del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
(1) Resistenza meccanica: Come si evince dalla tabella, rispetto al conduttore in alluminio puro AA1350, la resistenza alla trazione del conduttore della serie AA8000 è pari a circa 150% dell'alluminio puro, e la sua resistenza alla trazione è pari a circa 15TP3T dell'alluminio puro. resistenza allo snervamento è di circa 200% di alluminio puro.
(2) Resistenza allo scorrimento: Dal test di creep di 500 ore, è evidente che la resistenza al creep della lega della serie AA8000 è pari a circa 280% di quella del conduttore in alluminio puro AA1350, raggiungendo sostanzialmente lo stesso livello del conduttore in rame.
| Caratteristiche del conduttore | Rame elettrico (Cu) | Lega di alluminio AA8000 |
| Densità (g/mm³) | 8.89 | 2.7 |
| Punto di fusione (℃) | 1083 | 660 |
| Coefficiente di espansione lineare | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Resistività elettrica (Ω*mm²/m) | 0.017241 | 0.0279 |
| Conduttività elettrica IACS% | 100 | 61.8 |
| Resistenza alla trazione (MPa) | 220-270 | 113.8 |
| Resistenza allo snervamento (MPa) | 60-80 | 53.9 |
| Velocità di allungamento (%) | 30-45 | 30 |
Confrontando i conduttori in lega di alluminio AA8000 e i conduttori in rame, si scopre che, a causa delle differenze di resistività, i loro valori International Annealed Copper Standard (IACS) variano.
La lega di alluminio AA8000 è pari a 61,8% del valore del rame. Aumentando l'area della sezione trasversale del conduttore in lega di alluminio di due gradi o portandola a 150% dell'area trasversale del conduttore in rame, le loro prestazioni elettriche si allineano.
In termini di resistenza alla trazione, il conduttore in lega di alluminio è solo la metà di quello in rame (113,8 contro 220 MPa).
Tuttavia, poiché la densità della lega di alluminio AA8000 è solo 30,4% del conduttore di rame, anche quando l'area della sezione trasversale del conduttore in lega di alluminio è aumentata a 150% del conduttore di rame, il peso del conduttore in lega di alluminio è solo 45% del conduttore di rame.
Questa situazione offre al conduttore in lega di alluminio alcuni vantaggi in termini di resistenza alla trazione rispetto al conduttore in rame.
La resistenza allo snervamento del conduttore in lega di alluminio AA8000 è vicina a quella del conduttore in rame, consentendo alle proprietà di scorrimento del conduttore in lega di alluminio di avvicinarsi a quelle del conduttore in rame.
In termini di allungamento a rottura, il conduttore in lega di alluminio e quello in rame sono sostanzialmente identici.
A causa dei diversi coefficienti di espansione del conduttore in lega di alluminio e del conduttore in rame, non sono adatti al collegamento diretto. Garantiamo l'affidabilità del loro collegamento attraverso i seguenti metodi.
Lo standard GB14315-2008 sui terminali in rame e alluminio e sui tubi di connessione per i conduttori dei cavi elettrici è stato formalmente implementato.
In questo standard è stato ufficialmente incorporato anche il terminale di transizione rame-alluminio, che fornisce una base teorica per il collegamento dei cavi in lega alle sbarre di rame e alle apparecchiature elettriche.
I principali metodi attuali per la transizione rame-alluminio sono i seguenti:
1) Cavo in lega + morsetto di transizione rame-alluminio (il morsetto si collega direttamente al cavo di alimentazione). sbarra di rame).
2) Cavo in lega + terminale in alluminio (quando il terminale in alluminio e la sbarra collettrice in rame stagnato sono collegati, serrare le viti in base ai valori di coppia previsti dallo standard nazionale e aggiungere una rondella a disco per mantenere l'effettivo collegamento di rame e alluminio durante l'espansione e la contrazione termica).
3) Cavo in lega + terminale in alluminio + rondella bimetallica (la parte in alluminio della rondella si collega al terminale in alluminio, mentre la parte in rame si collega alla sbarra di rame).
Tutti questi metodi di connessione richiedono 1.000 test di cicli termici in conformità alle norme IEC61238-2008 o GB9327-2008, simulando 30 anni di utilizzo per garantire l'affidabilità delle connessioni dei cavi.
I test sui cicli termici condotti dal Power Board of Georgia negli Stati Uniti e dallo Shanghai Cable Research Institute dimostrano che le connessioni dei cavi in lega sono sicure e affidabili. I dati dei rapporti sperimentali indicano che la loro affidabilità è ancora più stabile di quella dei conduttori in rame.
Secondo i dati dell'United States Geological Survey (USGS), il contenuto di rame nella crosta terrestre è inferiore a 0,01%, mentre l'alluminio costituisce 7,73%.
Il contenuto di alluminio è quindi oltre 1000 volte quello del rame. In base agli attuali tassi di consumo, con un tasso di crescita medio annuo di 3%, le risorse globali di rame dureranno per altri 32 anni.
Tuttavia, considerando l'attuale scala di estrazione dell'alluminio (circa 140 milioni di tonnellate/anno), le riserve esistenti di bauxite possono soddisfare il fabbisogno dell'industria mondiale dell'alluminio per quasi 180 anni.
Date le eccellenti proprietà elettriche e meccaniche dei conduttori in lega di alluminio, essi hanno migliorato l'inaffidabilità delle connessioni in alluminio, l'insufficiente resistenza meccanica e la tendenza allo scorrimento.
Questi conduttori sono simili al rame per quanto riguarda le prestazioni meccaniche e, aumentando l'area della sezione trasversale, possono raggiungere la stessa conduttività del rame, rendendoli ampiamente applicabili nei sistemi di distribuzione a bassa tensione.
La promozione dei conduttori in lega di alluminio nel mercato nazionale può aiutare il Paese a risparmiare una quantità significativa di risorse di rame, a ridurre la dipendenza dalle risorse di rame straniere, a risparmiare una quantità sostanziale di valuta estera e a fornire anche un certo risparmio economico agli utenti, facilitando l'installazione per gli installatori.
Con tutti questi vantaggi, è ragionevole credere che l'applicazione dei conduttori in lega di alluminio nei cavi elettrici a bassa tensione sarà ampiamente accettata. La tendenza a sostituire l'alluminio con il rame potrebbe innescare una trasformazione nel settore dei cavi.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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