アルミニウム合金導体と銅・アルミニウム導体の比較：比較分析

1. はじめに

人類による銅の使用は、1万年前まで遡ることができる。イラク北部では8700年前の銅製の耳杯が発掘され、中国では4000年以上前の夏禹の時代に青銅器が存在していた。

導体としての銅の応用は、18世紀後半に電気が発見され、応用されて以来、200年以上にわたります。

比較的若い金属であるアルミニウムは、1886年にアメリカの科学者ホールが独自に電解アルミニウム法を開発し、工業生産の道を開くまで、19世紀半ばには金よりも貴重な「銀の金」として知られていた。

アルミニウムの導体としての使用は、1896年にイギリスのウィリアム・クルークス卿がボルトンに世界初のアルミニウム撚り線を架設したことから始まった。

1910年、ナイアガラの滝に架けられた鋼心アルミ撚線を発明したのは、米国アルミニウム協会のハップである。それ以来、架空高圧送電線は徐々にスチールコアアルミ撚り線に取って代わられました。

さらに、欧米の先進諸国は アルミニウム導体 1910年に配電線として銅導体に取って代わった。

現在、世界で生産されるアルミニウムのうち約14%が電材として使用されており、中でも電線用アルミニウムの使用量は米国がトップで約35%に達する。

中国の電気部門で使用されるアルミニウムの量は、アルミニウムの総消費量の約3分の1を占め、主に高圧送電に使用されるが、配電に使用されるアルミニウム導体の割合は5%以下である。導体として銅とアルミニウムのどちらを使用するかは、歴史的、国家的、資源的条件に影響される。

1950年代、銅の急激な価格上昇に伴い、世界の電線・ケーブル業界は銅をアルミニウムに置き換えることを提案した。同じ電気性能を得るためには、アルミ導体の断面積を銅導体より2段階大きくするか、50%増やす必要がある。

1960年代と1970年代にも同じ理由で、銅をアルミニウムに置き換えるという提案がなされた。2005年から現在に至るまで、銅をアルミニウムに置き換える案が再び出されている。

技術の進歩に伴い、今回、銅をアルミニウムに置き換えるというのは、主に銅をアルミニウム合金に置き換えることを指しています。銅をアルミニウムに置き換えることで、どのような展望が開けるのでしょうか？アルミニウム合金、銅、アルミニウムの特性についてもっと理解する必要があります。

2.銅とアルミニウムの比較

2.1 アルミニウムと銅（20℃）の性能比較

注：データは「アルミニウム合金とその加工ハンドブック」第2版による。

2.2 電力ケーブルにおける銅アルミ導体の用途

ケーブル製造規格の観点から、すべての電力ケーブル製造はGB12706.1-2008「定格電圧1kV (Um=1.2kV)～35kV (Um=40.5kV)の押出絶縁電力ケーブルおよび付属品」に準拠しています：第1部定格電圧 1kV (Um=1.2kV) および 3kV (Um=3.6kV)のケーブル」で、ケーブルの導体は GB/T3956-2008 に従って製造される。

GB/T3956-2008「ケーブルの導体」には明確な規定があり、第1または第2のタイプの金属被覆または非金属被覆のアニール銅導体、アルミニウムまたはアルミニウム合金導体の使用が認められている。

電気アルミニウムの引張強さと導電率

注：データは "アルミニウム合金とその加工ハンドブック "の第2版による。

2.3 電力ケーブル用途におけるアルミニウム導体の問題点

60年代から70年代にかけて、世界的に銅の価格が高騰した。政治的な要因もあり、銅は戦略物資として規制され、国内ではアルミが送電ケーブルの主導体材料として広く使われるようになった。

銅をアルミニウムに置き換える」という方針は、電気業界では一般的な技術的方針となり、銅導体ケーブルの使用は報告書の用途を必要とするようになった。

そのため、民間ビルの幹線や支線には、すべて純アルミニウムケーブルが使用されていた。純アルミニウム導体（AA1350）の欠点は、主に以下の点に反映されている：

(1) 機械的強度が低く、割れやすい、

(2) クリープが発生しやすく、頻繁にネジを締める必要がある、

(3) 過負荷で過熱しやすく、安全上のリスクがある、

(4) 銅とアルミニウム がうまく対処できていない。

こうした問題は国内だけでなく、世界のケーブル業界にも蔓延しています。しかし、国際関係が改善され、中国の改革開放が実施されたことで、海外から大量の銅資源を輸入できるようになり、銅とアルミの価格差は僅少となり、国内では「アルミが銅に取って代わる」という流れは徐々になくなりつつある。

同時に諸外国は、合金導体と端子の接続問題を解決するため、新しいアルミニウム合金導体を積極的に開発した。

やがてアメリカやヨーロッパでは、配電線にアルミニウム合金の導体が広く使われるようになった。

米国電気工事規定[5] NEC330.14によると、「断面が8、10、12AWG（国内サイズの8.37mm2、5.26mm2、3.332mm2に相当）の固体導体は、AA8000シリーズの電気グレードのアルミニウム合金材料から作られるべきである。

8AWG（国内サイズ8.37mm2に相当）から1000kcmil（国内サイズ506.7mm2に相当）の撚り線導体で、タイプRHH、RHW、XHHW、THW、THHW、THWN、THHN、サービスエントランスタイプSEスタイルUおよびSEスタイルRと表示されているものは、AA-8000シリーズの電気グレードのアルミニウム合金導体材料から作られるべきである。"

3.アルミニウム合金導体

3.1 アルミニウム合金導体の発展

導体として使用されるアルミニウム合金の急速な発展は、1960年代から1970年代にかけての銅価格の大幅な上昇が引き金となった。アルミニウム協会の合金呼称の中で、導体として使用されるアルミニウム合金の主な種類には、AA1000シリーズ（純アルミニウム）、AA6000シリーズ、AA8000シリーズがあります。

AA1000シリーズは、主に高圧架空線に使用される。AA6000 Al-Mg-Si（アルミニウム-マグネシウム-シリコン合金）シリーズは、主に高圧架空線とアルミニウム製バスバーに使用され、どちらのタイプの導体も硬い状態で存在し、接続は主に溶接によって行われます。

AA8000 Al-Mg-Cu-Fe（アルミニウム-マグネシウム-銅-鉄合金）シリーズは、配電線で使用される本物の軟質アルミニウム合金です。AA8000 アルミニウム・シリーズ 合金は1960年代から1970年代にかけて数多くの特許を取得した。

3.2 AA8000シリーズ導体の主な化学成分は以下の通り：

A: 最大リチウム含有量は0.03です。

B: ケイ素と鉄の最大含有量は1.0。

C：ガリウムの最大含有量は0.03。

注：データはアルミニウム導体ハンドブック第3版より出典。

3.3 AA8000シリーズ導体と純アルミニウム（AA1350）導体との比較。

銅、鉄、マグネシウムの添加は、合金において重要な役割を果たしている：

銅：高温での合金の電気抵抗安定性を高める。

鉄：耐クリープ性と圧縮強度を280%向上させ、クリープによる緩みによる問題を防ぐ。

マグネシウム：同じ界面圧力で、接触点を増やし、より高い引張強度を与えることができる。

軟質電線用アルミニウム合金の性能

注：データは "アルミニウム合金とその加工ハンドブック "の第2版による。

(1) 機械的強度：表からわかるように、AA1350純アルミニウム導体と比較して、AA8000シリーズ導体の引張強度は、純アルミニウムの約150%であり、その強度は、AA1350純アルミニウム導体の約150%であり、その強度は、AA8000シリーズ導体の約150%である。 降伏強度 は純アルミニウムでおよそ200%である。

(2) 耐クリープ性：500時間のクリープ試験から、AA8000シリーズ合金の耐クリープ性は、AA1350純アルミニウム導体の約280%であり、実質的に銅導体と同じレベルに達していることがわかる。

3.4 アルミニウム合金と銅導体の比較

AA8000アルミニウム合金導体と銅導体を比較すると、抵抗率の違いにより、国際アニール銅規格（IACS）の値が異なることがわかります。

AA8000アルミニウム合金は銅の値の61.8%です。アルミ合金導体の断面積を2グレード分増やすか、銅導体の断面積の150%まで上げると、電気的性能は揃います。

引張強さでは、アルミニウム合金導体は銅導体の半分（113.8対220MPa）しかない。

しかし、AA8000アルミニウム合金の密度は銅導体の30.4%に過ぎないため、アルミニウム合金導体の断面積を銅導体の150%に増やしても、アルミニウム合金導体の重量は銅導体の45%にしかならない。

このような状況は、アルミニウム合金導体に、銅導体よりも引張強度の面である種の利点をもたらす。

AA8000アルミニウム合金導体の降伏強度は銅導体のそれに近く、アルミニウム合金導体のクリープ特性を銅導体のそれに近づけることができます。

破断伸度の点では、アルミニウム合金導体と銅導体は本質的に同じです。

アルミ合金導体と銅導体は膨張係数が異なるため、直接接続には適しません。当社では、以下の方法で接続の信頼性を確保しています。

3.5 接続の信頼性

電力ケーブル導体用圧着式銅・アルミ端子および接続管規格GB14315-2008が正式に実施された。

この規格では、銅とアルミニウムのトランジション端子も正式に組み込まれ、合金ケーブルを銅バスバーや電気機器に接続するための理論的根拠が提供されている。

銅とアルミニウムの転移に関する現在の主な方法は以下の通りである：

1) 合金ケーブル＋銅-アルミ・トランジション・ターミナル（ターミナルは直接 銅バスバー).

2) 合金ケーブル＋アルミ端子（アルミ端子と錫メッキ銅バスバーを接続する場合は、国家規格のトルク値に従ってネジを締め、熱膨張収縮時に銅とアルミの効果的な接続を維持するためにディスクワッシャーを追加する）。

3）合金ケーブル＋アルミ端子＋バイメタルワッシャー（ワッシャーのアルミ部分はアルミ端子と接続し、銅部分は銅バスバーと接続する）。

これらの接続方法はすべて、IEC61238-2008またはGB9327-2008に準拠した1,000回のヒートサイクル試験を必要とし、ケーブル接続の信頼性を確保するために30年間の使用をシミュレートします。

米国ジョージア州電力委員会と上海ケーブル研究所が実施したヒートサイクル試験は、合金ケーブルの接続が安全で信頼できることを示している。実験報告データによると、その信頼性は銅導体よりもさらに安定している。

4.銅・アルミニウム資源

銅・アルミニウム資源の世界概況

米国地質調査所（USGS）のデータによれば、地殻中の銅含有量は0.01%未満であり、アルミニウムは7.73%である。

したがって、アルミニウムの含有量は銅の1000倍以上である。現在の消費率に基づき、年平均成長率を3%とすると、世界の銅資源はあと32年持つことになる。

しかし、現在のアルミニウムの採掘規模（約1億4,000万トン／年）を考慮すると、既存のボーキサイト埋蔵量は世界のアルミニウム産業のニーズを180年近く満たすことができる。

5.結論

アルミニウム合金導体の優れた電気的・機械的特性を生かし、アルミニウム接続の信頼性の低さ、機械的強度の不足、クリープの発生しやすさなどを改善した。

これらの導体は、機械的性能は銅に似ており、断面積を大きくすることで銅と同じ導電率を実現できるため、低電圧配電システムに広く応用できる。

国内市場でアルミ合金導体を普及させることは、銅資源の大幅な節約につながり、外国の銅資源への依存を減らし、多額の外貨を節約することができる。

これだけ多くの利点があれば、低圧電力ケーブルにアルミ合金導体を使用することが広く受け入れられるようになると考えるのは妥当なことである。銅の代わりにアルミニウムを使うという流れは、ケーブル業界に変革をもたらす可能性がある。