황동, 주석 청동, 빨간색 및 흰색 구리: 차이점 설명
왜 어떤 구리 합금이 다른 합금보다 특정 용도에 더 적합한지 궁금한 적이 있나요? 이 기사에서는 황동, 주석 청동, 적동 및...의 뚜렷한 특성에 대해 자세히 설명합니다.
전기 도체에서 알루미늄 합금이 구리보다 선호되는 이유는 무엇일까요? 이 문서에서는 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금 도체를 비교하여 그 역사, 특성 및 응용 분야를 자세히 설명합니다. 각 소재의 장단점을 알아보고, 향상된 기계적 강도와 비용 효율성을 갖춘 알루미늄 합금이 업계에 혁신을 일으키고 있는 이유를 이해할 수 있습니다. 이러한 소재가 배전 및 전기 공학의 미래에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 얻으세요.
인류가 구리를 사용한 것은 1만 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 8,700년 전 유물인 구리 이어컵이 이라크 북부에서 발굴되었습니다. 중국은 4,000여 년 전 샤유 시대에 청동기를 사용했습니다.
그리고 구리 적용 전도체는 18세기 후반 전기를 발견하고 응용한 이래 200년이 넘는 역사를 가지고 있습니다.
젊은 금속인 알루미늄은 19세기 중반에는 금보다 더 귀한 '은금'으로 불렸습니다.
1886년 미국의 과학자 홀이 독자적으로 알루미늄 생산을 위한 전해법을 연구하고 개발하여 산업화를 가능하게 한 것은 1886년이 되어서였습니다.
알루미늄은 1896년 영국 과학자 콜리가 볼튼에 최초의 가공 알루미늄 연선을 세우면서 도체로 사용되기 시작했습니다.
1910년, 미국 알루미늄 협회는 철심 알루미늄 연선을 발명하여 나이아가라 폭포 위에 세웠습니다.
그 이후로 가공 고압 송전선은 점차 철심 알루미늄 연선으로 대체되었습니다. 또한 유럽과 미국의 선진 산업 국가에서는 1910년부터 배전선로로 구리 도체를 대체하기 위해 알루미늄 도체를 사용하기 시작했습니다.
오늘날 전 세계에서 생산되는 알루미늄 중 약 14%가 전기 재료로 사용됩니다. 전선에 사용되는 알루미늄의 비율이 가장 높은 국가는 미국으로 약 35%에 달합니다.
중국에서는 전기 산업에서 사용하는 알루미늄의 양이 중국 전체 알루미늄 소비량의 약 1/3을 차지하며, 주로 고전압 송전용으로 사용됩니다.
그러나 배전에 사용되는 알루미늄 도체의 비율은 5% 미만입니다. 다음 중 선택 구리 및 알루미늄 지휘자는 역사적 요인, 국가 상황, 자원 상황 및 기타 요인에 영향을 받습니다.
1950년대에 구리 가격이 급격히 상승하자 전 세계 전선 및 케이블 업계에서는 구리를 알루미늄으로 대체할 것을 제안했습니다.
동일한 전기적 성능을 달성하려면 알루미늄 도체의 단면적은 구리 도체보다 두 단계 더 커지거나 50% 증가해야 했습니다.
1960년대와 1970년대에도 같은 이유로 동일한 제안이 있었습니다. 2005년부터 구리를 알루미늄으로 대체하자는 제안이 다시 제기되었습니다.
기술의 발전으로 이번에는 구리를 알루미늄으로 대체하면서 순수 알루미늄 대신 알루미늄 합금을 주로 사용하고 있습니다.
구리를 알루미늄으로 대체할 가능성은 어떻게 될까요? 알루미늄 합금, 구리, 알루미늄의 특성을 더 잘 이해해야 합니다.
| 알루미늄 | 알루미늄 | 구리 | |||||
| Annealed | 하드(H8) | Annealed | 하드 | ||||
| 원자 중량 밀도/kgm-3저항률/n Ω - 전도도/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| 온도 저항 계수/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| 인장 강도/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| 양의 탄성 계수/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| 선형 팽창 계수/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| 비열 용량 | /J（kgK）-1/J(℃.cm3)-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| 열전도율/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| 열 저항/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| 칼로멜 전극 전위/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| 브리넬 경도 | 약 25% | 약 45 | 약 60 | 약 120 | |||
| 녹는점 / ℃ | 600 | 1083 | |||||
| 융합 열/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
참고: 데이터는 "알루미늄 합금과 그 가공 핸드북" 2판에서 가져온 것입니다.
케이블 생산 표준과 관련하여 모든 전원 케이블 제조는 GB12706.1-2008 "정격 전압이 1kV(Um=1.2kV)~35kV(Um=40.5kV)인 압출 절연 전원 케이블 및 액세서리"를 따릅니다: 파트 1: 케이블 도체가 GB/T3956-2008에 따라 생산되는 정격 전압이 1kV(Um=1.2kV) 및 3kV(Um=3.6kV)인 케이블"입니다.
GB/T3956-2008 "케이블용 도체"에는 금도금 금속층이 있거나 없는 첫 번째 또는 두 번째 유형의 어닐링 구리 도체 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도체를 사용할 수 있는 명확한 규정이 있습니다.
전기 알루미늄의 인장 강도 및 전도성
| 상태 | σb/MPa | 저항률(최대) /(Ω mm2) m-1 | 전도도(분) /% IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 또는 H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 또는 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 또는 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
참고: 데이터는 "알루미늄 합금과 그 가공 핸드북" 2판에서 가져온 것입니다.
1960년대와 1970년대에 구리 가격은 전 세계적으로 급등했습니다. 정치적 요인으로 인해 구리는 전략 물자이자 무역 통제의 대상으로 간주되었습니다.
그 결과 알루미늄은 송전 케이블의 주요 도체 재료로 널리 사용되었고, '구리를 알루미늄으로 대체하는 것'은 전기 산업에서 일반적인 기술 정책이 되었습니다.
구리 도체 케이블을 선택하려면 승인이 필요했습니다.
따라서 민간 건물의 간선 및 지선에는 순수 알루미늄 케이블이 사용되었습니다.
순수 알루미늄 도체(AA1350)의 단점은 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다:
(1) 기계적 강도가 약합니다, 깨지기 쉬운.
(2) 크리프가 생기기 쉬우므로 나사를 정기적으로 조여야 합니다.
(3) 과부하가 걸리고 열이 발생하기 쉬워 안전 위험이 발생할 수 있습니다.
(4) 구리-알루미늄 전이 연결 문제에 대한 좋은 해결책이 없습니다.
이러한 문제는 중국뿐만 아니라 전 세계 케이블 업계가 직면한 문제입니다. 국제 정세가 개선되고 중국의 개혁 개방 정책이 시행됨에 따라 해외에서 많은 양의 구리 자원을 쉽게 수입할 수 있으며 구리와 알루미늄의 가격 차이가 크지 않습니다.
따라서 중국에서 구리를 알루미늄으로 대체하는 것은 점차 인기가 떨어지고 있습니다. 동시에 외국에서는 새로운 알루미늄 합금 도체를 적극적으로 개발하여 합금 도체와 단자 간의 연결 문제를 해결했습니다.
결국 미국과 유럽은 배전선로에 알루미늄 합금 도체를 광범위하게 적용했습니다. 미국 국가 전기 코드 [5] NEC330.14에는 다음과 같이 규정되어 있습니다: "단면적 8, 10, 12AWG(중국에서는 8.37mm2, 5.26mm2, 3.332mm2에 해당)의 고체 도체는 AA8000 시리즈 전기 등급 알루미늄 합금 재료로 만들어야 합니다.
8AWG(중국에서는 8.37mm2에 해당)에서 1000kcmil(중국에서는 506.7mm2에 해당)의 연선 도체는 유형 RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THHN, 서비스 입구 유형 SE 스타일 U 및 SE 스타일 R로 표시되며 AA-8000 시리즈 전기 등급 알루미늄 합금 도체 재료로 만들어져야 합니다."라고 규정하고 있습니다.
도체로 사용되는 알루미늄 합금은 1960년대와 1970년대에 구리 가격의 급등으로 인해 급속한 발전을 경험했습니다.
국제 알루미늄 산업 협회의 알루미늄 합금 등급 목록에서 도체로 사용되는 주요 알루미늄 합금은 AA1000 시리즈(순수 알루미늄), AA6000 시리즈(Al-Mg-Si 합금) 도체 및 AA8000 시리즈(Al-Mg-Cu-Fe 합금) 도체입니다. AA1000 시리즈 도체는 주로 고전압 가공선에 사용되며, AA6000 Al-Mg-Si 시리즈 도체는 주로 고전압 가공선에 사용됩니다. 알루미늄 버스바.
두 가지 유형의 도체 모두 단단한 상태로 존재하며 용접은 접합 연결의 주요 방법입니다. AA8000 Al-Mg-Cu-Fe 시리즈는 배전선에 실제로 사용되는 부드러운 알루미늄 합금입니다.
AA8000 시리즈 알루미늄 합금은 1960년대와 1970년대에 일련의 특허를 획득했습니다.
알루미늄 합금
| 합금 이름 | 미국 특허 번호 | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| 알루미늄 합금 | 품질에 따른 화학 성분 비율 | |||||||||
| ANSI | UNS | 알루미늄 | 실리콘 | Iron | 구리 | 마그네슘 | 아연 | 붕소 | 기타(합계) | 기타(합계) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | 잔여 잔여 잔여 잔여 잔여 잔여 잔여 잔여 잔여 | 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 |
참고: 데이터는 알루미늄 전도체 핸드북 제3판에서 가져온 것입니다.
구리/철/마그네슘 원소가 첨가되어 있기 때문에 이러한 원소는 합금에서 매우 중요한 역할을 합니다:
구리: 고온에서 합금의 전기 저항 안정성을 높입니다.
Iron: 크립 방지 및 압축 강도가 280% 증가하여 크립으로 인한 이완 문제를 방지합니다.
마그네슘: 동일한 인터페이스 압력에서 접점을 늘릴 수 있고 인장 강도가 더 높습니다.
연선용 알루미늄 합금의 성능
| 항목 | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | 전도성 /% IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| 트리플 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 |
참고: 데이터 출처: 알루미늄 합금과 그 가공 매뉴얼, 제2판.
(1) 기계적 강도: 표에서 AA1350 순수 알루미늄 도체와 비교하여 AA8000 시리즈 도체의 인장 강도는 순수 알루미늄의 약 150%이며, AA8000 시리즈 도체의 인장 강도는 약 150%임을 알 수 있습니다. 항복 강도 는 약 200%의 순수 알루미늄입니다.
(2) 크립 방지 성능: 500시간 크리프 테스트에서 AA1350 순수 알루미늄 도체와 비교했을 때 AA8000 시리즈 합금의 크리프 방지 성능은 순수 알루미늄의 약 280%로 기본적으로 구리 도체와 동일한 수준에 도달하는 것을 알 수 있습니다.
| 도체 특성 | 밀도 (g/m3) | 녹는점 (℃) | 선형 팽창 계수 | 저항률 (Ω * mm2/m) | 전도성 IACS% | 인장 강도 (MPa) | 수율 강도 (MPa) | 신장률 (%) |
| 전기 구리(Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| AA8000 알루미늄 합금 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
구리 도체와 비교하여 저항률이 다르기 때문에 AA8000 알루미늄 합금 도체의 IACS는 61.8%의 구리인 것으로 나타났습니다.
알루미늄 합금 도체의 단면을 두 단계 늘리거나 구리 도체 단면적의 150%로 늘리면 전기적 성능은 일정하게 유지됩니다.
알루미늄 합금 도체의 인장 강도는 구리 도체(113.8:220MPa)의 절반에 불과합니다.
AA8000 알루미늄 합금의 밀도는 구리 도체의 30.4%에 불과하기 때문에 알루미늄 합금 도체의 단면적은 구리 도체 단면적의 150%로 증가하더라도 알루미늄 합금 도체의 무게는 구리 도체의 45%에 불과합니다.
따라서 알루미늄 합금 도체의 인장 강도는 구리 도체에 비해 상대적으로 유리합니다.
AA8000 알루미늄 합금 도체의 항복 강도는 구리 도체와 비슷하여 알루미늄 합금 도체의 크리프 성능은 구리 도체와 비슷합니다.
파단 연신율 측면에서 알루미늄 합금 도체는 기본적으로 구리 도체와 동일합니다.
알루미늄 합금과 구리 도체의 팽창 계수가 다르기 때문에 구리 도체와 알루미늄 합금 도체를 직접 연결하는 것은 적합하지 않습니다. 다음 방법을 통해 연결의 안정성을 보장합니다.
전력 케이블 도체용 크림프형 구리 및 알루미늄 단자 및 커넥터에 대한 표준 GB14315-2008이 공식적으로 시행되었습니다.
이 표준에서는 구리-알루미늄 전환 단자도 공식적으로 표준에 포함되어 합금 케이블과 구리 바 또는 구리로 만들어진 전기 장비의 연결에 대한 이론적 근거를 제공합니다.
현재 구리-알루미늄 전환을 사용하는 방법은 크게 세 가지가 있습니다:
(1) 합금 케이블 + 구리-알루미늄 전환 단자(단자는 구리 바에 직접 연결됨).
(2) 합금 케이블 + 알루미늄 단자 (알루미늄 단자를 주석 도금에 연결한 경우) 구리 부스바나사는 국가 표준에서 제공하는 토크 값에 따라 조여지며, 열팽창 및 수축 시 구리와 알루미늄 금속을 효과적으로 연결하기 위해 디스크형 와셔가 추가됩니다).
(3) 합금 케이블 + 알루미늄 단자 + 바이메탈 와셔(와셔의 알루미늄 부분은 알루미늄 단자에 연결되고 구리 부분은 구리 버스바에 연결됨).
이러한 연결 방법은 모두 IEC61238-2008 또는 GB9327-2008에 따라 30년 사용을 시뮬레이션하여 케이블 연결의 신뢰성을 보장하기 위해 1000사이클의 열 순환 테스트를 거쳐야 합니다.
조지아 전력 회사와 상하이 케이블 연구소가 실시한 열 순환 테스트에서 합금 케이블의 연결이 안전하고 신뢰할 수 있으며, 실험 데이터에 따르면 구리 도체보다 연결 신뢰성이 훨씬 더 안정적이라는 것이 입증되었습니다.
미국 지질조사국(USGS)의 데이터에 따르면, 구리 원소는 지각 내 원소 함량 중 0.01% 미만을 차지하는 반면, 알루미늄 원소는 지각 내 원소 함량 중 7.73%를 차지합니다.
알루미늄 원소의 함량은 지각 내 구리 원소의 1000배 이상입니다. 현재 소비율을 기준으로 볼 때 전 세계 구리 자원은 연간 3%의 성장률로 32년 동안 더 사용할 수 있습니다.
알루미늄 자원의 경우, 현재 채굴 규모(연간 약 1억 4천만 톤)를 기준으로 볼 때 현재 보크사이트 매장량은 약 180년 동안 세계 알루미늄 산업의 수요를 충족하기에 충분합니다.
2004년 이후 중국은 연간 알루미늄 수요의 약 10%를 수출해 심각한 과잉 생산이 발생하고 있습니다.
동시에 국가발전개혁위원회의 통계에 따르면 2004년부터 2006년까지 중국의 연간 구리 물자 격차는 130만 톤을 넘어섰습니다.
2008년 중국 통계연감의 데이터에 따르면 2007년 중국은 452만 톤의 구리 광석과 정련 구리를 수입했으며, 구리 및 그 제품의 수입액은 271억 달러에 달했습니다.
중국의 구리 금속 시장은 수입에 크게 의존해 왔으며, 중국의 구리 소재에 대한 끊임없는 수요로 인해 국제 구리 가격이 지속적으로 상승하고 있습니다.
중국 기업들은 또한 전례 없는 열정으로 해외로 진출하여 외국 광산 회사를 인수하고 중국 이외의 광산을 채굴하여 중국인들이 아직도 기억하고 있는 대가를 치렀습니다.
2004년 초 이후 구리 가격은 200% 이상 상승한 반면 알루미늄 가격은 구리 가격만큼 큰 폭으로 변동하지 않았습니다.
구리 소재에 대한 심각한 의존도를 바꾸는 것은 국제 수급 관계를 바꾸고 외환을 절약하며 국내 자원을 최대한 활용하고 전력 산업의 지속 가능한 발전을 보장하는 데 핵심입니다.
알루미늄 합금 도체의 우수한 전기 전도성과 기계적 특성으로 인해 알루미늄 도체의 불안정한 연결, 열악한 기계적 강도, 쉽게 크리프가 발생하는 단점이 개선되었습니다.
기계적 성능은 구리 도체와 비슷합니다. 전기적 성능은 구리 도체와 동일한 전도도를 갖는 단면적 증가를 통해 달성할 수 있습니다.
따라서 알루미늄 합금 도체는 저전압 배전 시스템에서 널리 사용됩니다.
국내 시장에서 알루미늄 합금 도체를 홍보하고 적용하면 많은 양의 구리 자원을 절약하고, 외국 구리 자원에 대한 국가의 의존도를 줄이고, 많은 외환을 절약하고, 사용자가 비용을 절약 할 수 있습니다.
또한 설치자가 더 쉽게 설치할 수 있습니다. 많은 장점으로 인해 저전압 전원 케이블에 알루미늄 합금 도체를 적용하는 것이 더욱 대중화되고 구리를 알루미늄으로 대체하는 추세가 케이블 산업에 혁명을 일으킬 것이라고 믿을만한 이유가 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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