Waarom krijgen aluminiumlegeringen steeds meer de voorkeur boven koper in elektrische geleiders? Dit artikel duikt in de vergelijking tussen geleiders van aluminium, koper en aluminiumlegeringen en beschrijft hun geschiedenis, eigenschappen en toepassingen. Je zult de voor- en nadelen van elk materiaal ontdekken en begrijpen waarom aluminiumlegeringen, met hun verbeterde mechanische sterkte en kosteneffectiviteit, een revolutie in de industrie teweegbrengen. Krijg inzicht in hoe deze materialen de stroomdistributie en de toekomst van elektrotechniek beïnvloeden.
Het menselijk gebruik van koper gaat terug tot 10.000 jaar geleden. Een 8.700 jaar oud artefact, een koperen oorschelp, werd opgegraven in Noord-Irak. China had bronzen gebruiksvoorwerpen meer dan 4.000 jaar geleden tijdens het Xia Yu tijdperk.
De toepassing van koper als geleider heeft een geschiedenis van meer dan 200 jaar sinds de ontdekking en toepassing ervan in de late 18e eeuw met elektriciteit.
Aluminium werd als jong metaal halverwege de 19e eeuw "zilvergoud" genoemd, nog kostbaarder dan goud.
Pas in 1886 onderzocht en ontwikkelde de Amerikaanse wetenschapper Hall onafhankelijk de elektrolytische methode voor de productie van aluminium, waardoor industrialisatie mogelijk werd.
Aluminium begon in 1896 als geleider te worden gebruikt toen de Britse wetenschapper Colly de eerste bovengrondse aluminiumdraad in Bolton aanlegde.
In 1910 vond de American Aluminum Association een met staal beklede aluminiumdraad uit en plaatste deze boven de Niagara watervallen.
Sindsdien zijn bovengrondse hoogspanningstransmissielijnen geleidelijk vervangen door staal-gecoate aluminium gevlochten draden. Bovendien begonnen ontwikkelde industriële landen in Europa en Amerika in 1910 met het gebruik van aluminium geleiders ter vervanging van koperen geleiders als distributieleidingen.
Tegenwoordig wordt ongeveer 14% van het wereldwijd geproduceerde aluminium gebruikt als elektrisch materiaal. De Verenigde Staten hebben het hoogste percentage aluminium dat wordt gebruikt in bedrading: ongeveer 35%.
In China is de hoeveelheid aluminium die door de elektrische industrie wordt gebruikt goed voor ongeveer een derde van het totale aluminiumverbruik in het land, voornamelijk voor hoogspanningstransmissie.
Het aandeel aluminium geleiders dat wordt gebruikt in stroomdistributie is echter minder dan 5%. De keuze tussen koper en aluminium geleiders wordt beïnvloed door historische factoren, nationale omstandigheden, hulpbronsituaties en andere factoren.
In de jaren 1950 steeg de koperprijs snel en stelde de wereldwijde draad- en kabelindustrie voor om koper te vervangen door aluminium.
Om dezelfde elektrische prestaties te bereiken, moest de doorsnede van aluminium geleiders twee niveaus groter zijn dan die van koperen geleiders of verhoogd worden met 50%.
Hetzelfde voorstel werd gedaan in de jaren 1960 en 1970 om dezelfde redenen. Sinds 2005 is het voorstel om koper te vervangen door aluminium opnieuw naar voren gebracht.
Met de vooruitgang van de technologie, is deze keer de vervanging van koper door aluminium voornamelijk met behulp van aluminiumlegering in plaats van zuiver aluminium.
Wat is het vooruitzicht van het vervangen van koper door aluminium? We moeten de eigenschappen van aluminiumlegeringen, koper en aluminium beter begrijpen.
| aluminium | Aluminium | Koper | |||||
| Uitgegloeid | Hard (H8) | Uitgegloeid | Hard | ||||
| Atoomgewichtdichtheid/kgm-3weerstand/n Ω - mgeleiding/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Temperatuurweerstandscoëfficiënt/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Treksterkte/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Positieve elasticiteitsmodulus/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Lineaire uitzettingscoëfficiënt/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Specifieke warmtecapaciteit | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Warmtegeleidingscoëfficiënt/W - (m - K)1 | 231 | 436 | |||||
| Warmteweerstand/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Kalomelelektrode potentiaal/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Brinell-hardheid | ongeveer 25 | ongeveer 45 | ongeveer 60 | ongeveer 120 | |||
| Smeltpunt /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Fusiewarmte/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Opmerking: De gegevens komen uit "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook" 2e editie.
Op het gebied van kabelproductienormen volgt alle stroomkabelproductie GB12706.1-2008 "Geëxtrudeerde geïsoleerde stroomkabels en accessoires met een nominale spanning van 1kV (Um=1,2kV) tot 35kV (Um=40,5kV): Deel 1: Kabels met een nominale spanning van 1kV (Um=1,2kV) en 3kV (Um=3,6kV)," waarbij de kabelgeleiders geproduceerd zijn volgens GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Geleiders voor kabels" heeft duidelijke bepalingen dat het eerste of tweede type van gegloeid koperen geleider met of zonder vergulde metalen laag, of aluminium of aluminiumlegering geleider kan gebruiken.
Treksterkte en geleidbaarheid van elektrisch aluminium
| Staat | σb/MPa | Weerstandsvermogen (max) /(Ω mm2) m-1 | Geleidingsvermogen (min) /% IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 of H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 of 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 of 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Opmerking: De gegevens komen uit "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook" 2e editie.
In de jaren 1960 en 1970 stegen de koperprijzen wereldwijd. Vanwege politieke factoren werd koper beschouwd als een strategisch materiaal en onderworpen aan handelscontrole.
Als gevolg daarvan werd aluminium op grote schaal gebruikt als het belangrijkste geleider materiaal voor transmissiekabels, en "koper vervangen door aluminium" werd een algemeen technisch beleid in de elektrische industrie.
Er was goedkeuring nodig om koperen kabels te kiezen.
Daarom werden kabels van zuiver aluminium gebruikt voor de hoofd- en aftakkingen van civiele gebouwen.
De nadelen van zuivere aluminium geleiders (AA1350) komen vooral tot uiting in de volgende aspecten:
(1) Slechte mechanische sterkte, gemakkelijk te breken.
(2) Vatbaar voor kruip, schroeven moeten regelmatig worden aangedraaid.
(3) Gemakkelijk overbelast en warm, wat tot veiligheidsrisico's leidt.
(4) Er is geen goede oplossing voor het probleem van de koper-aluminium overgang.
Deze problemen doen zich niet alleen voor in China, maar ook in de kabelindustrie wereldwijd. Met de verbetering van de internationale situatie en de uitvoering van China's hervormings- en openstellingsbeleid kunnen we gemakkelijk een grote hoeveelheid koper uit het buitenland importeren en is het prijsverschil tussen koper en aluminium niet significant.
Zo is het vervangen van koper door aluminium geleidelijk aan minder populair geworden in China. Tegelijkertijd hebben buitenlandse landen actief nieuwe geleiders van aluminiumlegeringen ontwikkeld en de verbindingsproblemen tussen geleiders van legeringen en terminals opgelost.
Uiteindelijk hebben de Verenigde Staten en Europa op grote schaal geleiders van aluminiumlegeringen toegepast in distributielijnen. In de Amerikaanse National Electrical Code [5] NEC330.14 wordt bepaald dat: "Massieve geleiders met een doorsnede van 8, 10, 12AWG (gelijk aan 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2 in China) moeten worden gemaakt van aluminiumlegering van de AA8000-serie voor elektrische toepassingen.
Stranded conductors van 8AWG (gelijk aan 8,37mm2 in China) tot 1000kcmil (gelijk aan 506,7mm2 in China) zijn gemarkeerd als Type RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, service-entrance Type SE Style U en SE Style R moeten gemaakt zijn van AA-8000 series electrical-grade aluminiumlegering conductormaterialen."
Aluminiumlegeringen die als geleiders worden gebruikt, maakten een snelle ontwikkeling door in de jaren 1960 en 1970 als gevolg van de stijgende koperprijzen.
In de ranglijst van aluminiumlegeringen van de International Aluminum Industry Association zijn de belangrijkste aluminiumlegeringen die als geleiders worden gebruikt AA1000-serie (zuiver aluminium), AA6000-serie (Al-Mg-Si legering) geleiders en AA8000-serie (Al-Mg-Cu-Fe legering) geleiders. De geleiders van de AA1000-serie worden voornamelijk gebruikt in bovengrondse hoogspanningslijnen; de geleiders van de AA6000 Al-Mg-Si serie worden voornamelijk gebruikt in bovengrondse hoogspanningslijnen en hoogspanningsleidingen. aluminium rails.
Beide soorten geleiders bestaan in een harde toestand en lassen is de belangrijkste methode om verbindingen te maken. AA8000 Al-Mg-Cu-Fe serie is een zachte aluminiumlegering die daadwerkelijk wordt gebruikt in de distributielijn.
De AA8000 serie aluminium legering een reeks patenten in de jaren 1960 en 1970.
Aluminiumlegering
| Naam legering | Amerikaans octrooinummer | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Aluminiumlegering | Percentage chemische samenstelling op basis van kwaliteit | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminium | Silicium | IJzer | Koper | Magnesium | Zink | Boor | Overige (totaal) | Overige (totaal) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Residueel Residueel Residueel Residueel Residu | 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 |
Opmerking: Gegevens afkomstig uit Aluminium Electrical Conductor Handbook Third Edition.
Door de toevoeging van koper/ijzer/magnesium spelen deze elementen een zeer kritische rol in de legering:
Koper: Verhoogt de stabiliteit van de elektrische weerstand van de legering bij hoge temperaturen.
IJzer: De anti-kruip en druksterkte worden verhoogd door 280%, waardoor relaxatieproblemen veroorzaakt door kruip vermeden worden.
Magnesium: Kan de contactpunten vergroten en heeft een hogere treksterkte bij dezelfde interfacedruk.
Prestaties van aluminiumlegering voor zachte draad
| Item | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Geleidbaarheid /% IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| Triple 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 |
Opmerking: Gegevens afkomstig uit Aluminum Alloys and their Processing Manual, tweede editie.
(1) Mechanische sterkte: Uit de tabel, kan worden gezien dat in vergelijking met AA1350 zuiver aluminium geleiders, de treksterkte van AA8000-serie geleiders is ongeveer 150% van zuiver aluminium, en de treksterkte is ongeveer 200% puur aluminium.
(2) Anti-kruipprestaties: In de 500-uurs kruiptest kan worden gezien dat in vergelijking met AA1350 zuivere aluminium geleiders, de anti-kruip prestaties van AA8000-serie legeringen is ongeveer 280% van zuiver aluminium, in principe het bereiken van hetzelfde niveau als koperen geleiders.
| Kenmerken geleider | Dichtheid (g/m3) | Smeltpunt (℃) | Lineaire uitzettingscoëfficiënt | Weerstand (Ω * mm2/m) | Geleidbaarheid IACS% | Treksterkte (MPa) | Opbrengststerkte (MPa) | Reksnelheid (%) |
| Elektrisch koper (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| AA8000 aluminiumlegering | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Vergeleken met koperen geleiders, blijkt dat door de verschillende weerstand, de IACS van AA8000 aluminiumlegering geleiders 61,8% van koper.
Wanneer we de doorsnede van geleiders van aluminiumlegeringen met twee niveaus verhogen of verhogen tot 150% van de doorsnede van koperen geleiders, zijn hun elektrische prestaties consistent.
De treksterkte van geleiders van aluminiumlegeringen is slechts de helft van die van koperen geleiders (113,8:220MPa).
Door de dichtheid van AA8000 aluminiumlegering die slechts 30,4% van koperen geleiders is, zelfs als de dwarsdoorsnede van geleiders van aluminiumlegering wordt verhoogd tot 150% van de dwarsdoorsnede van koperen geleiders, is het gewicht van geleiders van aluminiumlegering slechts 45% van koperen geleiders.
Hierdoor is de treksterkte van geleiders van aluminiumlegeringen relatief voordeliger dan die van koperen geleiders.
De vloeigrens van AA8000 geleiders van aluminiumlegeringen ligt dicht bij die van koperen geleiders, waardoor de kruipprestaties van geleiders van aluminiumlegeringen dicht bij die van koperen geleiders liggen.
Wat betreft breukrek is de geleider van een aluminiumlegering in principe gelijk aan de koperen geleider.
Vanwege de verschillende uitzettingscoëfficiënten van geleiders van aluminiumlegeringen en koperen geleiders, is het niet geschikt om geleiders van koper en aluminiumlegeringen rechtstreeks met elkaar te verbinden. We garanderen de betrouwbaarheid van de verbinding door de volgende methode toe te passen.
De norm GB14315-2008 voor krimp-type koper- en aluminiumklemmen en connectoren voor stroomkabelgeleiders is officieel geïmplementeerd.
In deze standaard is ook de koper-aluminium overgangsterminal officieel opgenomen, waardoor een theoretische basis wordt gelegd voor de aansluiting van gelegeerde kabels en koperen staven of elektrische apparatuur van koper.
Momenteel zijn er voornamelijk drie manieren om koper-aluminium overgangen te gebruiken:
(1) Gelegeerde kabel + koper-aluminium overgangsklem (de klem is rechtstreeks verbonden met de koperen staaf).
(2) Gelegeerde kabel + aluminium aansluitklem (wanneer de aluminium aansluitklem is aangesloten op de vertinde koperen railDe schroef wordt vastgedraaid volgens de torsiewaarde van de nationale norm en er wordt een schijfvormige sluitring toegevoegd om een effectieve verbinding te garanderen tussen koper en aluminium tijdens thermische uitzetting en inkrimping).
(3) Gelegeerde kabel + aluminium klem + bimetalen sluitring (het aluminium gedeelte van de sluitring is verbonden met de aluminium klem en het koperen gedeelte is verbonden met de koperen rail).
Deze verbindingsmethoden vereisen allemaal 1000 cycli van thermische cyclustest volgens IEC61238-2008 of GB9327-2008, waarbij 30 jaar gebruik wordt gesimuleerd om de betrouwbaarheid van de kabelverbindingen te garanderen.
De thermische cyclustests die zijn uitgevoerd door zowel Georgia Power Company als het Shanghai Cable Research Institute hebben aangetoond dat de verbinding van gelegeerde kabels veilig en betrouwbaar is en de experimentele gegevens tonen aan dat de betrouwbaarheid van de verbinding zelfs stabieler is dan die van koperen geleiders.
Volgens gegevens van de US Geological Survey (USGS) is het element koper goed voor minder dan 0,01% van de inhoud van de elementen in de korst, terwijl het element aluminium goed is voor 7,73% van de inhoud van de elementen in de korst.
Het aluminiumgehalte in de korst is meer dan 1000 keer hoger dan het kopergehalte. Op basis van het huidige verbruik kunnen de wereldwijde kopervoorraden nog 32 jaar gebruik ondersteunen bij een groeipercentage van 3% per jaar.
Wat betreft aluminiumvoorraden: op basis van de huidige ontginningsschaal (ongeveer 140 miljoen ton per jaar) zijn de bestaande bauxietreserves voldoende om bijna 180 jaar lang in de behoeften van de wereldwijde aluminiumindustrie te voorzien.
Sinds 2004 heeft China ongeveer 10% van zijn jaarlijkse vraag naar aluminium geëxporteerd, wat tot een ernstige overcapaciteit heeft geleid.
Volgens de statistieken van de Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie bedroeg het jaarlijkse tekort aan kopermateriaal in China van 2004 tot 2006 meer dan 1,3 miljoen ton.
Volgens gegevens uit het China Statistical Yearbook 2008 importeerde China in 2007 4,52 miljoen ton kopererts en geraffineerd koper, en bedroeg de importwaarde van koper en koperproducten 27,1 miljard dollar.
China's kopermetaalmarkt is sterk afhankelijk van import en China's onverzadigbare vraag naar kopermaterialen heeft geleid tot een voortdurende stijging van de internationale koperprijzen.
Chinese bedrijven zijn ook met een ongekend enthousiasme naar het buitenland gegaan, door buitenlandse mijnbouwbedrijven over te nemen en niet-Chinese mijnen te ontginnen, waarbij ze een prijs betaalden die het Chinese volk zich nog steeds herinnert.
Sinds begin 2004 zijn de koperprijzen met meer dan 200% gestegen, terwijl de aluminiumprijzen niet zo dramatisch fluctueerden als de koperprijzen.
Het veranderen van de ernstige afhankelijkheid van kopermaterialen is de sleutel tot het veranderen van de internationale verhouding tussen vraag en aanbod, het besparen van buitenlandse valuta, het volledig benutten van binnenlandse bronnen en het waarborgen van de duurzame ontwikkeling van de energie-industrie.
Door de uitstekende elektrische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen van geleiders van aluminiumlegeringen zijn de nadelen van onbetrouwbare verbindingen, slechte mechanische sterkte en gemakkelijke kruip van aluminium geleiders verbeterd.
Hun mechanische prestaties zijn vergelijkbaar met die van koperen geleiders. Elektrische prestaties kunnen worden bereikt door de dwarsdoorsnede te vergroten, die dezelfde geleidbaarheid heeft als koperen geleiders.
Daarom worden geleiders van aluminiumlegeringen veel gebruikt in laagspanningsdistributiesystemen.
De promotie en toepassing van geleiders van aluminiumlegeringen op de binnenlandse markt zal een grote hoeveelheid kopermiddelen besparen, de afhankelijkheid van het land van buitenlandse kopermiddelen verminderen, veel buitenlandse valuta besparen en gebruikers in staat stellen geld te besparen.
Het maakt het voor installateurs ook gemakkelijker om ze te installeren. Met de vele voordelen hebben we reden om te geloven dat de toepassing van geleiders van aluminiumlegeringen in laagspanningskabels populairder zal worden en dat de trend om koper te vervangen door aluminium een revolutie zal veroorzaken in de kabelindustrie.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO