Por que o debate entre condutores de liga de alumínio e de cobre é tão importante no setor elétrico? Como materiais para condutores, ambos têm vantagens e desvantagens exclusivas. Este artigo explora o desempenho, a relação custo-benefício e as aplicações desses materiais, fornecendo informações sobre suas propriedades mecânicas e elétricas. Os leitores entenderão como as ligas de alumínio estão surgindo como uma alternativa viável ao cobre, transformando potencialmente os sistemas de transmissão e distribuição de energia. Mergulhe de cabeça para saber qual condutor pode liderar o futuro da infraestrutura elétrica.
O uso do cobre pelos seres humanos pode ser rastreado até 10.000 anos atrás. Um artefato - um protetor auricular de cobre - datado de 8.700 anos atrás foi desenterrado no norte do Iraque, e a cerâmica de bronze existia na China há mais de 4.000 anos, durante a era de Xia Yu.
A aplicação do cobre como condutor se estendeu por mais de 200 anos desde a descoberta e a aplicação da eletricidade no final do século XVIII.
O alumínio, um metal relativamente novo, era conhecido como "ouro prateado" em meados do século XIX, mais precioso que o ouro, até 1886, quando o cientista americano Hall desenvolveu independentemente o método de alumínio eletrolítico, abrindo caminho para a produção industrial.
O uso do alumínio como condutor começou em 1896, quando o britânico Sir William Crookes instalou o primeiro fio trançado de alumínio suspenso do mundo em Bolton.
Em 1910, a Hupp, da Aluminum Association of America, inventou o fio trançado de alumínio com núcleo de aço, erguido sobre as Cataratas do Niágara. Desde então, as linhas aéreas de transmissão de alta tensão foram gradualmente substituídas por fios trançados de alumínio com núcleo de aço.
Além disso, os países ocidentais industrializados começaram a usar condutores de alumínio para substituir os condutores de cobre como fios de distribuição em 1910.
Atualmente, cerca de 14% do alumínio produzido no mundo é usado como material elétrico, com os Estados Unidos liderando o uso de alumínio em fios elétricos, atingindo cerca de 35%.
A quantidade de alumínio usada pelos departamentos elétricos da China representa cerca de um terço do consumo total de alumínio, usado principalmente para transmissão de alta tensão, enquanto a proporção de condutores de alumínio usados na distribuição é inferior a 5%. O uso de cobre ou alumínio como condutores é influenciado por condições históricas, nacionais e de recursos.
Na década de 1950, com o rápido aumento do preço do cobre, o setor global de fios e cabos propôs a substituição do cobre pelo alumínio. Para obter o mesmo desempenho elétrico, a área da seção transversal do condutor de alumínio precisa ser dois níveis maior ou aumentar em 50% em comparação com o condutor de cobre.
Nas décadas de 1960 e 1970, pelos mesmos motivos, foi feita a proposta de substituir o cobre pelo alumínio. De 2005 até o presente, a proposta de substituir o cobre pelo alumínio foi novamente apresentada.
Com o progresso da tecnologia, desta vez a substituição do cobre pelo alumínio refere-se principalmente à substituição do cobre pela liga de alumínio. Qual é a perspectiva de substituir o cobre pelo alumínio? Precisamos entender mais sobre as propriedades das ligas de alumínio, do cobre e do alumínio.
| Desempenho | Alumínio | Alumínio | Cobre | Cobre | |
| Recozido (0) | Difícil (H8) | Recozido | Difícil | ||
| Peso atômico | 26.98 | 63.54 | |||
| Densidade/kgm-3 | 2700 | 8890 | |||
| Resistividade/nΩ-m | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| Condutividade/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Coeficiente de resistência de temperatura/(nΩ-m)-K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| Resistência à tração/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Módulo de Young/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Coeficiente de expansão linear/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Capacidade térmica específica | /J（kg-K）-1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃ -cm3）-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| Condutividade térmica/W-(m-K) | 231 | 436 | |||
| Resistência térmica/K-W-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| Potencial de eletrodo de mercúrio/V | -0.75 | -0.22 | |||
| Dureza Brinell | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Ponto de fusão/℃ | 600 | 1083 | |||
| Calor de fusão/ × 105J - kg-1 | 3.906 | 2.142 | |||
Observação: os dados são provenientes da segunda edição do "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
Do ponto de vista dos padrões de produção de cabos, toda a fabricação de cabos de energia segue a norma GB12706.1-2008 "Extruded Insulated Power Cables and Accessories with Rated Voltages of 1kV (Um=1.2kV) to 35kV (Um=40.5kV): Parte 1: Cabos com tensões nominais de 1kV (Um=1,2kV) e 3kV (Um=3,6kV)", em que os condutores dos cabos são produzidos de acordo com a norma GB/T3956-2008.
A GB/T3956-2008 "Conductors of Cables" (Condutores de cabos) tem normas explícitas que permitem o uso do primeiro ou segundo tipo de condutores de cobre recozido com ou sem revestimento metálico, condutores de alumínio ou de liga de alumínio.
Resistência à tração e condutividade elétrica do alumínio elétrico
| Status | σb/MPa | Resistividade máxima (Ω-mm2/m) | Condutividade (mínima) / %IACS |
| 1350-0 | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 ou H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 ou 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 ou 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Observação: os dados são provenientes da segunda edição do "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
Nas décadas de 60 e 70, o preço global do cobre disparou. Devido a fatores políticos, o cobre foi regulamentado como um material estratégico e, internamente, o alumínio foi amplamente utilizado como o principal material condutor para cabos de transmissão.
A política de "substituição do cobre pelo alumínio" tornou-se uma política técnica comum no setor elétrico, com o uso de cabos condutores de cobre exigindo aplicações de relatórios.
Portanto, todas as linhas principais e ramais de edifícios civis usavam cabos de alumínio puro. As desvantagens dos condutores de alumínio puro (AA1350) se refletem principalmente nos seguintes aspectos:
(1) Baixa resistência mecânica, facilmente quebrável,
(2) Propenso a se deformar, exigindo o aperto frequente dos parafusos,
(3) Superaquece facilmente sob sobrecargas, o que representa um risco à segurança,
(4) O problema da conexão de transição entre cobre e alumínio não é bem abordado.
Esses problemas não são enfrentados apenas no mercado interno, mas também prevalecem no setor global de cabos. No entanto, com a melhoria das relações internacionais e a implementação da reforma e abertura da China, conseguimos importar uma grande quantidade de recursos de cobre do exterior, e a diferença de preço entre o cobre e o alumínio tornou-se insignificante, levando a uma eliminação gradual da tendência de "substituição do cobre pelo alumínio" no mercado interno.
Ao mesmo tempo, os países estrangeiros desenvolveram ativamente novos condutores de liga de alumínio para resolver os problemas de conexão entre os condutores de liga e os terminais.
Com o tempo, os Estados Unidos e a Europa passaram a usar amplamente condutores de liga de alumínio nas linhas de distribuição.
De acordo com o American National Electrical Code [5] NEC330.14: "Condutores sólidos com seção transversal de 8, 10, 12AWG (equivalente aos tamanhos domésticos de 8,37 mm2, 5,26 mm2, 3,332 mm2) devem ser feitos de materiais de liga de alumínio de grau elétrico da série AA8000.
Condutores trançados de 8AWG (equivalente ao tamanho doméstico de 8,37 mm2) a 1000kcmil (equivalente ao tamanho doméstico de 506,7 mm2), rotulados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de serviço Tipo SE Estilo U e SE Estilo R, devem ser fabricados com materiais condutores de liga de alumínio de grau elétrico da série AA-8000."
O rápido desenvolvimento das ligas de alumínio usadas como condutores foi desencadeado pelo aumento significativo dos preços do cobre durante as décadas de 1960 e 1970. Dentro das designações de ligas da Aluminum Association, os principais tipos de ligas de alumínio usadas como condutores incluem a série AA1000 (alumínio puro), a série AA6000 e a série AA8000.
A série AA1000 é usada principalmente para linhas aéreas de alta tensão. A série AA6000 Al-Mg-Si (liga de alumínio-magnésio-silício) é usada principalmente para linhas aéreas de alta tensão e barramentos de alumínio; ambos os tipos de condutores existem em um estado rígido, com conexões obtidas principalmente por meio de soldagem.
A série AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (liga de alumínio-magnésio-cobre-ferro) representa a verdadeira liga de alumínio macio usada em linhas de distribuição. A série AA8000 série de alumínio As ligas de alumínio e de alumínio foram objeto de inúmeras patentes durante as décadas de 1960 e 1970.
| Nome da liga | Número da patente nos EUA | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| Liga de alumínio | Porcentagem da composição química com base na qualidade | |||||||||
| ANSI | UNS | Alumínio | Silício | Ferro | Cobre | Magnésio | Zinco | Boro | Outros (Total) | Outros (Total) |
| 8017 | A98017 | Resíduos | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | Resíduos | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | Resíduos | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | Resíduos | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | Resíduos | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | Resíduos | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
R: O teor máximo de lítio é de 0,03.
B: O teor máximo de silício e ferro é 1,0.
C: O teor máximo de gálio é de 0,03.
Observação: os dados foram extraídos do Aluminum Electrical Conductor Handbook - Third Edition.
A adição de elementos de cobre, ferro e magnésio desempenha um papel fundamental na liga:
Cobre: Aumenta a estabilidade da resistência elétrica da liga em altas temperaturas.
Ferro: aumenta a resistência à fluência e a resistência à compressão em 280%, evitando problemas causados por afrouxamento induzido por fluência.
Magnésio: Sob a mesma pressão de interface, ele pode aumentar os pontos de contato e proporcionar uma maior resistência à tração.
Desempenho da liga de alumínio para fios elétricos macios
| Marca ou nome do produto | σb/MPa | σ0,2/MPa | δ/% | Marca ou nome do produto/%IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| Triplo E | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
| Super -T | 95 | 67.6 | 33 | 62.5 |
| X8076 | 108.8 | 60.8 | 22 | 61.5 |
| Estabilizador | 113.8 | 53.9 | 20 | 61.8 |
| NiCo | 108.8 | 67.7 | 26 | 61.3 |
| X8130 | 102.0 | 60.8 | 21 | 62.1 |
Observação: os dados são provenientes da segunda edição do "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
(1) Resistência mecânica: Como pode ser visto na tabela, em comparação com o condutor de alumínio puro AA1350, a resistência à tração do condutor da série AA8000 é de cerca de 150% de alumínio puro, e sua resistência ao escoamento é de aproximadamente 200% de alumínio puro.
(2) Resistência à deformação: Com base no teste de fluência de 500 horas, fica evidente que a resistência à fluência da liga da série AA8000 é aproximadamente 280% da do condutor de alumínio puro AA1350, atingindo essencialmente o mesmo nível do condutor de cobre.
| Características do condutor | Cobre elétrico (Cu) | Liga de alumínio AA8000 |
| Densidade (g/mm³) | 8.89 | 2.7 |
| Ponto de fusão (℃) | 1083 | 660 |
| Coeficiente de Expansão Linear | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Resistividade elétrica (Ω*mm²/m) | 0.017241 | 0.0279 |
| Condutividade elétrica IACS% | 100 | 61.8 |
| Resistência à tração (MPa) | 220-270 | 113.8 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 60-80 | 53.9 |
| Taxa de alongamento (%) | 30-45 | 30 |
Comparando os condutores de liga de alumínio AA8000 e os condutores de cobre, descobrimos que, devido às diferenças de resistividade, seus valores IACS (International Annealed Copper Standard) variam.
A liga de alumínio AA8000 é 61,8% do valor do cobre. Quando aumentamos a área da seção transversal do condutor de liga de alumínio em dois graus ou a elevamos para 150% da área da seção transversal do condutor de cobre, o desempenho elétrico deles se alinha.
Em termos de resistência à tração, o condutor de liga de alumínio é apenas a metade do condutor de cobre (113,8 vs. 220 MPa).
No entanto, como a densidade da liga de alumínio AA8000 é de apenas 30,4% do condutor de cobre, mesmo quando a área da seção transversal do condutor de liga de alumínio é aumentada para 150% do condutor de cobre, o peso do condutor de liga de alumínio é de apenas 45% do condutor de cobre.
Essa situação proporciona ao condutor de liga de alumínio certas vantagens em termos de resistência à tração em relação ao condutor de cobre.
A resistência ao escoamento do condutor de liga de alumínio AA8000 é próxima à do condutor de cobre, permitindo que as propriedades de fluência do condutor de liga de alumínio se aproximem das do condutor de cobre.
Em termos de alongamento na ruptura, o condutor de liga de alumínio e o condutor de cobre são essencialmente os mesmos.
Devido aos diferentes coeficientes de expansão do condutor de liga de alumínio e do condutor de cobre, eles não são adequados para conexão direta. Garantimos a confiabilidade de sua conexão por meio dos seguintes métodos.
O terminal de cobre e alumínio do tipo crimpado e o padrão de tubo de conexão GB14315-2008 para condutores de cabos de energia foram formalmente implementados.
Nessa norma, o terminal de transição cobre-alumínio também foi oficialmente incorporado, fornecendo uma base teórica para a conexão de cabos de liga metálica a barramentos de cobre e equipamentos elétricos.
Os principais métodos atuais para a transição cobre-alumínio são os seguintes:
1) Cabo de liga metálica + terminal de transição de cobre-alumínio (o terminal se conecta diretamente ao barramento de cobre).
2) Cabo de liga leve + terminal de alumínio (quando o terminal de alumínio e o barramento de cobre estanhado estiverem conectados, aperte os parafusos de acordo com os valores de torque fornecidos pela norma nacional e adicione uma arruela de disco para manter a conexão efetiva do cobre e do alumínio durante a expansão e a contração térmica).
3) Cabo de liga leve + terminal de alumínio + arruela bimetálica (a parte de alumínio da arruela se conecta com o terminal de alumínio e a parte de cobre se conecta com o barramento de cobre).
Todos esses métodos de conexão exigem 1.000 testes de ciclo de calor de acordo com a IEC61238-2008 ou GB9327-2008, simulando 30 anos de uso para garantir a confiabilidade das conexões de cabos.
Os testes de ciclo de calor realizados pelo Power Board of Georgia, nos Estados Unidos, e pelo Shanghai Cable Research Institute mostram que as conexões dos cabos de liga metálica são seguras e confiáveis. Dados de relatórios experimentais indicam que sua confiabilidade é ainda mais estável do que a dos condutores de cobre.
De acordo com os dados do United States Geological Survey (USGS), o teor de cobre na crosta terrestre é inferior a 0,01%, enquanto o alumínio constitui 7,73%.
Assim, o teor de alumínio é mais de 1.000 vezes superior ao do cobre. Com base nas taxas de consumo atuais, com uma taxa de crescimento anual média de 3%, os recursos globais de cobre durarão por mais 32 anos.
Entretanto, considerando a escala atual de extração de alumínio (cerca de 140 milhões de toneladas/ano), as reservas existentes de bauxita podem satisfazer as necessidades do setor global de alumínio por quase 180 anos.
Devido às excelentes propriedades elétricas e mecânicas dos condutores de liga de alumínio, eles melhoraram a falta de confiabilidade das conexões de alumínio, a resistência mecânica insuficiente e a tendência à fluência.
Esses condutores são semelhantes ao cobre em termos de desempenho mecânico e, ao aumentar a área da seção transversal, podem atingir a mesma condutividade do cobre, o que os torna amplamente aplicáveis em sistemas de distribuição de baixa tensão.
A promoção de condutores de liga de alumínio no mercado doméstico pode ajudar o país a economizar uma quantidade significativa de recursos de cobre, reduzir a dependência de recursos de cobre estrangeiros, economizar uma quantidade substancial de divisas e também proporcionar certa economia para os usuários, facilitando a instalação para os instaladores.
Com tantas vantagens, é razoável acreditar que a aplicação de condutores de liga de alumínio em cabos de energia de baixa tensão será amplamente aceita. A tendência de substituir o cobre pelo alumínio pode potencialmente desencadear uma transformação no setor de cabos.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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