Perché le leghe di alluminio stanno diventando la scelta preferita rispetto al rame nei conduttori elettrici? Questo articolo approfondisce il confronto tra conduttori in alluminio, rame e leghe di alluminio, illustrandone la storia, le proprietà e le applicazioni. Scoprirete i vantaggi e gli svantaggi di ciascun materiale e capirete perché le leghe di alluminio, con la loro maggiore resistenza meccanica e convenienza, stanno rivoluzionando il settore. Potrete così comprendere l'impatto di questi materiali sulla distribuzione dell'energia e sul futuro dell'elettrotecnica.
L'uso umano del rame può essere fatto risalire a 10.000 anni fa. Un manufatto di 8.700 anni fa, un padiglione auricolare in rame, è stato portato alla luce nel nord dell'Iraq. La Cina aveva oggetti in bronzo più di 4.000 anni fa, durante l'epoca Xia Yu.
Il applicazione del rame come conduttore ha una storia di oltre 200 anni dalla sua scoperta e applicazione alla fine del XVIII secolo con l'elettricità.
L'alluminio, in quanto metallo giovane, a metà del XIX secolo era chiamato "oro d'argento", ancora più prezioso dell'oro.
Solo nel 1886 lo scienziato americano Hall ricercò e sviluppò in modo indipendente il metodo elettrolitico per la produzione di alluminio, che rese possibile l'industrializzazione.
L'alluminio iniziò a essere utilizzato come conduttore nel 1896, quando lo scienziato britannico Colly realizzò il primo cavo aereo a trefoli in alluminio a Bolton.
Nel 1910, l'American Aluminum Association inventò un cavo a trefoli in alluminio con anima in acciaio e lo eresse 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, nel 1910 i paesi industriali sviluppati in Europa e in America hanno iniziato a utilizzare conduttori in alluminio per sostituire quelli in rame nelle linee di distribuzione.
Attualmente, circa 14% dell'alluminio prodotto a livello mondiale viene utilizzato come materiale elettrico. Gli Stati Uniti hanno la più alta percentuale di alluminio utilizzato per i cavi, raggiungendo circa 35%.
In Cina, la quantità di alluminio utilizzata dall'industria elettrica rappresenta circa un terzo del consumo totale di alluminio del Paese, soprattutto per la trasmissione ad alta tensione.
Tuttavia, la percentuale di conduttori in alluminio utilizzati nella distribuzione di energia è inferiore a 5%. La scelta tra rame e alluminio conduttori è influenzata da fattori storici, condizioni nazionali, situazioni delle risorse e altri fattori.
Negli anni '50, il prezzo del rame aumentò rapidamente e 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 dei conduttori in alluminio doveva essere di due livelli superiore a quella dei conduttori in rame o aumentare di 50%.
La stessa proposta era stata avanzata negli anni '60 e '70 per le stesse ragioni. Dal 2005, la proposta di sostituire il rame con l'alluminio è stata riproposta.
Con il progresso della tecnologia, questa volta la sostituzione del rame con l'alluminio avviene principalmente utilizzando una lega di alluminio anziché l'alluminio puro.
Qual è la prospettiva di sostituire il rame con l'alluminio? Dobbiamo comprendere meglio le proprietà delle leghe di alluminio, del rame e dell'alluminio.
| alluminio | Alluminio | Rame | |||||
| Ricotto | Duro (H8) | Ricotto | Duro | ||||
| Peso atomico/densità/kgm-3resistività/n Ω - mconduttività/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Coefficiente di temperatura della resistenza/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Resistenza alla trazione/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Modulo elastico positivo/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Coefficiente di espansione lineare/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Capacità termica specifica | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Conducibilità termica/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Resistenza termica/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potenziale dell'elettrodo di calomelano/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Durezza Brinell | circa 25 | circa 45 | circa 60 | circa 120 | |||
| Punto di fusione /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Calore di fusione/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Nota: i dati sono tratti da "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", seconda edizione.
In termini di standard di produzione dei cavi, tutta la produzione di cavi elettrici segue la normativa GB12706.1-2008 "Cavi elettrici isolati estrusi e accessori con tensione nominale da 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cavi con tensione nominale di 1kV (Um=1,2kV) e 3kV (Um=3,6kV)", dove i conduttori dei cavi sono prodotti secondo GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Conduttori per cavi" contiene disposizioni chiare che consentono di utilizzare il primo o il secondo tipo di conduttore in rame ricotto con o senza strato metallico placcato in oro, oppure conduttori in alluminio o in lega di alluminio.
Resistenza alla trazione e conduttività dell'alluminio elettrico
| Stato | σb/MPa | Resistività (max) /(Ω mm2) m-1 | Conduttività (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 o 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Nota: i dati sono tratti da "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", seconda edizione.
Negli anni '60 e '70, i prezzi del rame sono saliti alle stelle a livello globale. A causa di fattori politici, il rame era considerato un materiale strategico e soggetto a controllo commerciale.
Di conseguenza, l'alluminio è stato ampiamente utilizzato come materiale conduttore principale per i cavi di trasmissione e la "sostituzione del rame con l'alluminio" è diventata una politica tecnica comune nell'industria elettrica.
È stata richiesta l'approvazione per la scelta di cavi conduttori in rame.
Pertanto, per le linee principali e secondarie degli edifici civili sono stati utilizzati cavi in alluminio puro.
Gli svantaggi dei conduttori in alluminio puro (AA1350) si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:
(1) Scarsa resistenza meccanica, facile da rompere.
(2) Suscettibile allo scorrimento, le viti devono essere serrate regolarmente.
(3) Facile da sovraccaricare e generare calore, con conseguenti rischi per la sicurezza.
(4) Non esiste una soluzione valida al problema della connessione di transizione rame-alluminio.
Questi problemi non riguardano solo la Cina, ma anche l'industria mondiale dei cavi. Con il miglioramento della situazione internazionale e l'attuazione delle politiche di riforma e apertura della Cina, possiamo facilmente importare una grande quantità di risorse di rame dall'estero e la differenza di prezzo tra rame e alluminio non è significativa.
Pertanto, la sostituzione del rame con l'alluminio è diventata gradualmente meno popolare in Cina. Allo stesso tempo, i Paesi stranieri hanno sviluppato attivamente nuovi conduttori in lega di alluminio e risolto i problemi di connessione tra conduttori in lega e terminali.
Alla fine, gli Stati Uniti e l'Europa hanno applicato ampiamente i conduttori in lega di alluminio nelle linee di distribuzione. Nel National Electrical Code degli Stati Uniti [5] NEC330.14, si stabilisce che: "I conduttori solidi con aree di sezione trasversale di 8, 10, 12AWG (equivalenti a 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2 in Cina) devono essere realizzati con materiali in lega di alluminio di grado elettrico della serie AA8000".
I conduttori a trefoli da 8AWG (equivalenti a 8,37mm2 in Cina) a 1000kcmil (equivalenti a 506,7mm2 in Cina) sono contrassegnati come tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, tipo SE stile U e SE stile R ad ingresso di servizio e sono realizzati con materiali conduttori in lega di alluminio di grado elettrico della serie AA-8000".
Le leghe di alluminio utilizzate come conduttori hanno conosciuto un rapido sviluppo negli anni '60 e '70 a causa dell'impennata dei prezzi del rame.
Nell'elenco delle leghe di alluminio dell'Associazione Internazionale dell'Industria dell'Alluminio, le principali leghe di alluminio utilizzate come conduttori sono la serie AA1000 (alluminio puro), la serie AA6000 (lega Al-Mg-Si) e la serie AA8000 (lega Al-Mg-Cu-Fe). I conduttori della serie AA1000 sono utilizzati principalmente per le linee aeree ad alta tensione; i conduttori della serie AA6000 Al-Mg-Si sono utilizzati principalmente per le linee aeree ad alta tensione e per le linee di trasporto. sbarre in alluminio.
Entrambi i tipi di conduttori sono allo stato duro e la saldatura è il metodo principale per le connessioni. La serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe è una lega di alluminio morbida che viene effettivamente utilizzata nella linea di distribuzione.
L'AA8000 serie alluminio Negli anni '60 e '70 la lega ha ottenuto una serie di brevetti.
Lega di alluminio
| Nome della lega | Numero di brevetto USA | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Lega di alluminio | Percentuale di composizione chimica in base alla qualità | |||||||||
| ANSI | UNS | Alluminio | Silicio | Ferro | Rame | Magnesio | Zinco | Boro | Altro (totale) | Altro (totale) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Residuo Residuo Residuo Residuo Residuo Residuo Residuo Residuo | 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: i dati provengono dal Manuale dei conduttori elettrici in alluminio, terza edizione.
Grazie all'aggiunta di elementi di rame/ferro/magnesio, questi elementi svolgono un ruolo molto critico nella lega:
Rame: Aumenta la stabilità della resistenza elettrica della lega alle alte temperature.
Ferro: L'anti-creep e la resistenza alla compressione sono aumentate dal 280%, evitando i problemi di rilassamento causati dal creep.
Magnesio: Può aumentare i punti di contatto e ha una maggiore resistenza alla trazione a parità di pressione di interfaccia.
Prestazioni della lega di alluminio per fili morbidi
| Articolo | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Conducibilità /% 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: dati tratti da Aluminum Alloys and their Processing Manual, Second Edition.
(1) Resistenza meccanica: Dalla tabella si evince che, rispetto ai conduttori in alluminio puro AA1350, la resistenza alla trazione dei conduttori della serie AA8000 è pari a circa 150% di quella dell'alluminio puro, mentre la resistenza alla trazione dei conduttori della serie AA8000 è pari a circa 150% di quella dell'alluminio puro. resistenza allo snervamento è di circa 200% di alluminio puro.
(2) Prestazioni anti-scivolo: Nel test di creep di 500 ore, si può notare che rispetto ai conduttori in alluminio puro AA1350, le prestazioni anti-creep delle leghe della serie AA8000 sono pari a circa 280% dell'alluminio puro, raggiungendo sostanzialmente lo stesso livello dei conduttori in rame.
| Caratteristiche del conduttore | Densità (g/m3) | Punto di fusione (℃) | Coefficiente di espansione lineare | Resistività (Ω * mm2/m) | Conducibilità IACS% | Resistenza alla trazione (MPa) | Resistenza allo snervamento (MPa) | Tasso di allungamento (%) |
| Rame elettrico (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Lega di alluminio AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Rispetto ai conduttori in rame, è emerso che, a causa della diversa resistività, l'IACS dei conduttori in lega di alluminio AA8000 è pari a 61,8% del rame.
Quando aumentiamo l'area della sezione trasversale dei conduttori in lega di alluminio di due livelli o la portiamo a 150% dell'area della sezione trasversale dei conduttori in rame, le loro prestazioni elettriche sono costanti.
La resistenza alla trazione dei conduttori in lega di alluminio è solo la metà di quella dei conduttori in rame (113,8:220MPa).
Poiché la densità della lega di alluminio AA8000 è solo 30,4% di quella dei conduttori in rame, anche se l'area della sezione trasversale dei conduttori in lega di alluminio viene aumentata a 150% dell'area trasversale dei conduttori in rame, il peso dei conduttori in lega di alluminio è solo 45% di quello dei conduttori in rame.
Ciò rende la resistenza alla trazione dei conduttori in lega di alluminio relativamente vantaggiosa rispetto ai conduttori in rame.
La resistenza allo snervamento dei conduttori in lega di alluminio AA8000 è vicina a quella dei conduttori in rame, rendendo le prestazioni di scorrimento dei conduttori in lega di alluminio vicine a quelle dei conduttori in rame.
In termini di allungamento a rottura, il conduttore in lega di alluminio è sostanzialmente uguale a quello in rame.
A causa dei diversi coefficienti di espansione dei conduttori in lega di alluminio e in rame, non è possibile collegare direttamente i conduttori in rame e in lega di alluminio. Garantiamo l'affidabilità del collegamento con il seguente metodo.
Lo standard GB14315-2008 per i terminali e i connettori a crimpare in rame e alluminio per i conduttori di cavi elettrici è stato ufficialmente implementato.
In questo standard è stato ufficialmente incluso anche il terminale di transizione rame-alluminio, che fornisce una base teorica per il collegamento di cavi in lega e barre di rame o apparecchiature elettriche in rame.
Attualmente esistono principalmente tre modi per utilizzare le transizioni rame-alluminio:
(1) Cavo in lega + terminale di transizione rame-alluminio (il terminale è collegato direttamente alla barra di rame).
(2) Cavo in lega + terminale in alluminio (quando il terminale in alluminio è collegato al terminale stagnato). sbarra di rameLa vite viene serrata in base al valore di coppia previsto dallo standard nazionale e viene aggiunta una rondella a forma di disco per garantire un collegamento efficace tra i metalli 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 è collegata al terminale in alluminio e la parte in rame è collegata alla sbarra di rame).
Tutti questi metodi di connessione richiedono 1000 cicli di test termici secondo IEC61238-2008 o GB9327-2008, simulando 30 anni di utilizzo per garantire l'affidabilità delle connessioni dei cavi.
I test sui cicli termici condotti sia dalla Georgia Power Company che dallo Shanghai Cable Research Institute hanno dimostrato che il collegamento dei cavi in lega è sicuro e affidabile e i dati sperimentali dimostrano che l'affidabilità del collegamento è persino più stabile di quella dei conduttori in rame.
Secondo i dati dell'US Geological Survey (USGS), l'elemento rame rappresenta meno di 0,01% del contenuto di elementi nella crosta, mentre l'elemento alluminio rappresenta 7,73% del contenuto di elementi nella crosta.
Il contenuto di alluminio è più di 1000 volte quello del rame nella crosta terrestre. In base all'attuale tasso di consumo, le risorse globali di rame possono supportare altri 32 anni di utilizzo a un tasso di crescita di 3% all'anno.
Per quanto riguarda le risorse di alluminio, sulla base dell'attuale scala di estrazione (circa 140 milioni di tonnellate all'anno), le riserve di bauxite esistenti sono sufficienti a soddisfare il fabbisogno dell'industria mondiale dell'alluminio per quasi 180 anni.
Dal 2004, la Cina ha esportato circa 10% della sua domanda annuale di alluminio, con conseguente grave sovraccapacità.
Allo stesso tempo, secondo le statistiche della Commissione Nazionale per lo Sviluppo e la Riforma, dal 2004 al 2006 il gap annuale di materiale in rame della Cina ha superato gli 1,3 milioni di tonnellate.
Secondo i dati dell'Annuario statistico cinese 2008, nel 2007 la Cina ha importato 4,52 milioni di tonnellate di minerale di rame e di rame raffinato e il valore delle importazioni di rame e dei suoi prodotti è stato di 27,1 miliardi di dollari.
Il mercato cinese del rame metallico si è basato in larga misura sulle importazioni e l'insaziabile domanda cinese di materiali in rame ha portato a un continuo aumento dei prezzi internazionali del rame.
Anche le aziende cinesi sono andate all'estero con un entusiasmo senza precedenti, acquisendo società minerarie straniere ed estraendo miniere non cinesi, pagando un prezzo che è ancora ricordato dal popolo cinese.
Dall'inizio del 2004, i prezzi del rame sono aumentati di oltre il 200%, mentre i prezzi dell'alluminio non hanno subito le stesse fluttuazioni dei prezzi del rame.
Cambiare la grave dipendenza dai materiali di rame è fondamentale per modificare il rapporto tra domanda e offerta internazionale, risparmiare valuta estera, sfruttare appieno le risorse nazionali e garantire lo sviluppo sostenibile dell'industria energetica.
Grazie all'eccellente conduttività elettrica e alle proprietà meccaniche dei conduttori in lega di alluminio, sono stati migliorati gli svantaggi legati alla connessione inaffidabile, alla scarsa resistenza meccanica e alla facilità di scorrimento dei conduttori in alluminio.
Le loro prestazioni meccaniche sono paragonabili a quelle dei conduttori in rame. Le prestazioni elettriche possono essere ottenute aumentando l'area della sezione trasversale, che ha la stessa conduttività dei conduttori in rame.
Pertanto, i conduttori in lega di alluminio sono ampiamente utilizzati nei sistemi di distribuzione a bassa tensione.
La promozione e l'applicazione di conduttori in lega di alluminio nel mercato nazionale consentirà di risparmiare una grande quantità di risorse di rame, di ridurre la dipendenza del Paese dalle risorse di rame straniere, di risparmiare molto denaro in valuta estera e di consentire agli utenti di risparmiare denaro.
Inoltre, l'installazione è più semplice per gli installatori. Grazie a questi vantaggi, abbiamo ragione di credere che l'applicazione dei conduttori in lega di alluminio nei cavi elettrici a bassa tensione diventerà sempre più popolare e la tendenza a sostituire il rame con l'alluminio provocherà una rivoluzione 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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