アルミニウム、銅、アルミニウム合金導体：比較

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。8,700年前の遺物である銅製の耳杯がイラク北部で発掘された。中国では4000年以上前の夏禹時代に青銅器が使われていた。

について 銅の応用 導体としてのその歴史は、18世紀後半に発見され、電気に応用されて以来、200年以上に及ぶ。

若い金属であるアルミニウムは、19世紀半ばには「銀の金」と呼ばれ、金よりも貴重だった。

1886年になって、アメリカの科学者ホールが独自にアルミニウム製造の電解法を研究・開発し、工業化が可能になった。

アルミニウムが導体として使われ始めたのは、1896年に英国の科学者コリーがボルトンに最初のアルミニウム撚り線を架設したときである。

1910年、アメリカ・アルミニウム協会は鋼芯アルミニウム撚り線を発明し、ナイアガラの滝の上に設置した。

それ以来、架空高圧送電線は徐々に鋼芯アルミ撚り線に置き換えられてきた。また、欧米の先進工業国では、1910年から配電線に銅導線に代わってアルミ導線が使用されるようになった。

現在、世界で生産されるアルミニウムのうち約14%が電線材料として使用されている。電線に使用されるアルミニウムの割合が最も高いのは米国で、約35%に達します。

中国では、電気産業で使用されるアルミニウムの量は、主に高圧送電用として、国内のアルミニウム総消費量の約3分の1を占めている。

しかし、配電に使用されるアルミ導体の割合は5%より少ない。そのため 銅とアルミニウム コンダクターは、歴史的要因、国情、資源状況、その他の要因に影響される。

1950年代、銅の価格が急上昇し、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%増やす必要があった。

同じ理由で1960年代と1970年代にも同じ提案がなされた。2005年以降、銅をアルミニウムに置き換えるという提案が再び持ち上がっている。

技術の進歩に伴い、銅からアルミニウムへの置き換えは、純アルミニウムではなく、主にアルミニウム合金を使用している。

銅をアルミニウムに置き換える見通しは？アルミニウム合金、銅、アルミニウムの特性を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とアルミニウム導体の用途

ケーブル製造規格に関しては、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」に従っている：Part 1：定格電圧 1kV (Um=1.2kV) および 3kV (Um=3.6kV)のケーブル」で、ケーブル導体は GB/T3956-2008 に従って製造される。

GB/T3956-2008「ケーブル用導体」には、金メッキ金属層の有無にかかわらず、第1または第2のタイプのアニール処理された銅導体、あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金導体を使用できるという明確な規定がある。

電気アルミニウムの引張強さと導電性

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。

2.3 電力ケーブル用途におけるアルミニウム導体の問題点

1960年代から1970年代にかけて、銅の価格は世界的に高騰した。政治的な要因もあり、銅は戦略物資とみなされ、貿易規制の対象となった。

その結果、アルミは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り、「銅をアルミに置き換える」ことが電気業界の一般的な技術方針となった。

銅導体ケーブルを選ぶには承認が必要だった。

そのため、土木建築物の幹線や支線には純アルミニウムのケーブルが使われていた。

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) 機械的強度が低い、 壊れやすい.

(2)クリープしやすいので、定期的にネジを締める必要がある。

(3) 過負荷や発熱を起こしやすく、安全上の危険がある。

(4)銅とアルミの接続問題に対する良い解決策はない。

こうした問題は中国だけでなく、世界のケーブル業界が直面している。国際情勢の改善と中国の改革開放政策の実施により、海外から大量の銅資源を容易に輸入できるようになり、銅とアルミの価格差も大きくありません。

そのため、中国では銅をアルミに置き換えることが次第に少なくなってきた。同時に、外国は新しいアルミ合金導体を積極的に開発し、合金導体と端子の接続問題を解決した。

やがて、米国や欧州では配電線にアルミニウム合金導体が広く適用されるようになりました。米国電気工事規定[5] NEC330.14では、次のように規定されている：「断面積8、10、12AWG（中国では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で作られるべきである。

8AWG（中国の8.37mm2に相当）から1000kcmil（中国の506.7mm2に相当）までの撚り線導体は、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としてマークされ、AA-8000シリーズ電気グレードのアルミニウム合金導体材料で作られなければならない。"

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は、銅価格の高騰により1960年代から1970年代にかけて急速な発展を遂げた。

国際アルミニウム工業協会のアルミニウム合金等級リストでは、導体として使用される主なアルミニウム合金は、AA1000シリーズ（純アルミニウム）導体、AA6000シリーズ（Al-Mg-Si合金）導体、AA8000シリーズ（Al-Mg-Cu-Fe合金）導体です。AA1000系導体は主に高圧架空線に使用され、AA6000系Al-Mg-Si系導体は主に高圧架空線に使用されます。 アルミバスバー.

どちらの導体も硬い状態で存在し、接合は溶接が主な方法である。AA8000 Al-Mg-Cu-Fe系は軟質アルミニウム合金で、配電線に実際に使用されている。

AA8000 シリーズ・アルミニウム アロイは1960年代から1970年代にかけて一連の特許を取得した。

アルミニウム合金

3.2 AA8000シリーズ導体の主な化学組成は以下の通りである：

• A: リチウム含有量の上限は0.03です。
• B: ケイ素と鉄の含有量の上限は1.0。
• C：ガリウム含有量の上限は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／マグネシウム元素の添加により、これらの元素は合金の中で非常に重要な役割を果たす：

銅だ： 高温での合金の電気抵抗安定性を高める。

鉄だ： 280%によって耐クリープ性と圧縮強度が向上し、クリープによる弛緩の問題を回避できる。

マグネシウムだ： 接触点を増やすことができ、同じ界面圧でより高い引張強度を持つ。

軟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マニュアル第2版より出典。

(1) 機械的強度： 表から、AA1350純アルミニウム導体と比較すると、AA8000シリーズ導体の引張強さは、純アルミニウムの150%程度であることがわかります。 降伏強度 は純アルミニウムで約200%である。

(2) クリープ防止性能： 500時間のクリープ試験では、AA1350純アルミニウム導体と比較して、AA8000シリーズ合金の耐クリープ性能は純アルミニウムの280%程度であり、基本的に銅導体と同じレベルに達していることがわかります。

3.4 アルミニウム合金と銅導体の比較。

銅導体と比較すると、抵抗率の違いにより、AA8000アルミニウム合金導体のIACSは銅の61.8%であることがわかった。

アルミニウム合金導体の断面積を2段階増やすか、銅導体の断面積の150%まで増やすと、電気的性能は一定になる。

アルミニウム合金導体の引張強度は、銅導体の半分（113.8：220MPa）しかない。

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断面積の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%にしかなりません。

このため、アルミニウム合金導体の引張強度は、銅導体に比べて比較的有利である。

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性能は銅導体のそれに近い。

破断伸度の点では、アルミニウム合金導体は銅導体と基本的に同じです。

アルミ合金導体と銅導体の膨張係数が異なるため、銅導体とアルミ合金導体を直接接続することは適しません。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

GB14315-2008電力ケーブル導体用圧着式銅およびアルミニウム端子・コネクター規格が正式に施行された。

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規格に含まれ、合金ケーブルと銅バーや銅製の電気機器との接続に理論的な基礎を提供している。

現在、銅とアルミニウムの遷移を利用するには、主に3つの方法がある：

(1) 合金ケーブル＋銅-アルミトランジション端子（端子は銅バーに直接接続されている）。

(2) 合金ケーブル＋アルミ端子（アルミ端子を錫メッキに接続する場合 銅バスバーネジは国家規格のトルク値に従って締め付けられ、熱膨張・収縮時に銅とアルミが効果的に接続されるように円盤状のワッシャーが加えられる）。

(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に、銅部分は銅バスバーに接続）。

これらの接続方法はすべて、IEC61238-2008またはGB9327-2008に準拠した1000サイクルの熱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。

ジョージア電力と上海ケーブル研究所の両社が実施した熱サイクル試験により、合金ケーブルの接続は安全で信頼性が高いことが示されており、実験データによれば、その接続信頼性は銅導体よりもさらに安定している。

4.銅とアルミニウムの資源状況

4.1 銅とアルミニウム資源に関するグローバルな視点から

米国地質調査所（USGS）のデータによると、銅元素は地殻中の元素含有量の0.01%未満であり、アルミニウム元素は地殻中の元素含有量の7.73%を占めている。

地殻中のアルミニウム元素の含有量は銅元素の1000倍以上である。現在の消費量に基づくと、世界の銅資源は、年間3%の成長率で、あと32年間使用することができます。

アルミニウム資源に関しては、現在の採掘規模（年間約1億4,000万トン）に基づけば、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年近く満たすのに十分である。

4.2 国内の銅とアルミニウムの資源状況

2004年以来、中国は年間アルミニウム需要の約10%を輸出しており、その結果、深刻な生産能力過剰に陥っている。

同時に、国家発展改革委員会の統計によると、2004年から2006年にかけて、中国の年間銅材料ギャップは130万トンを超えた。

2008年中国統計年鑑のデータによると、2007年、中国は452万トンの銅鉱石と精製銅を輸入し、銅とその製品の輸入額は271億米ドルであった。

中国の銅金属市場は輸入に大きく依存しており、中国の銅素材への飽くなき需要が国際銅価格の継続的な上昇を招いている。

中国企業もまた、空前の熱意で海外に進出し、外国の鉱山会社を買収し、中国以外の鉱山を採掘し、中国国民の記憶に残る代償を支払った。

2004年初頭以降、銅価格は200%以上上昇したが、アルミニウム価格は銅価格ほど劇的な変動はなかった。

銅素材への深刻な依存を改めることは、国際的な需給関係を変え、外貨を節約し、国内資源を十分に活用し、電力産業の持続可能な発展を確保する鍵である。

5.結論

アルミニウム合金導体の優れた導電性と機械的特性により、アルミニウム導体の欠点である接続の信頼性の低さ、機械的強度の低さ、クリープの発生しやすさは改善されている。

機械的性能は銅導体に匹敵する。電気的性能は、銅導体と同じ導電率を持つ断面積を大きくすることで達成できる。

そのため、アルミニウム合金導体は低圧配電システムで広く使用されている。

国内市場でアルミ合金導体を普及・応用させることは、大量の銅資源を節約し、外国の銅資源への依存を減らし、多くの外貨を節約し、ユーザーがお金を節約することを可能にする。

また、敷設業者にとっても敷設が容易になる。多くの利点があるため、低圧電力ケーブルへのアルミニウム合金導体の応用はより一般的になり、銅からアルミニウムへの置き換えの流れがケーブル業界に革命を起こすと信じる理由がある。