Por que as ligas de alumínio estão se tornando a escolha preferida em relação ao cobre nos condutores elétricos? Este artigo analisa a comparação entre condutores de alumínio, cobre e ligas de alumínio, detalhando sua história, propriedades e aplicações. Você descobrirá as vantagens e desvantagens de cada material e entenderá por que as ligas de alumínio, com sua maior resistência mecânica e custo-benefício, estão revolucionando o setor. Obtenha insights sobre como esses materiais afetam a distribuição de energia e o futuro da engenharia elétrica.
O uso humano do cobre pode ser rastreado até 10.000 anos atrás. Um artefato de 8.700 anos de idade, um frasco de cobre para orelhas, foi descoberto no norte do Iraque. A China tinha utensílios de bronze há mais de 4.000 anos, durante a era Xia Yu.
O aplicação de cobre como condutor tem uma história de mais de 200 anos desde sua descoberta e aplicação no final do século 18 com a eletricidade.
O alumínio, como um metal jovem, era chamado de "ouro prateado" em meados do século XIX, ainda mais precioso que o ouro.
Foi somente em 1886 que o cientista americano Hall pesquisou e desenvolveu de forma independente o método eletrolítico para a produção de alumínio, o que possibilitou a industrialização.
O alumínio começou a ser usado como condutor em 1896, quando o cientista britânico Colly instalou o primeiro fio trançado de alumínio suspenso em Bolton.
Em 1910, a American Aluminum Association inventou um fio trançado de alumínio com núcleo de aço e o ergueu acima das 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 industrializados desenvolvidos da Europa e da América começaram a usar condutores de alumínio para substituir os condutores de cobre como linhas de distribuição em 1910.
Atualmente, cerca de 14% do alumínio produzido no mundo é usado como material elétrico. Os Estados Unidos têm a maior porcentagem de alumínio usado em fios, atingindo cerca de 35%.
Na China, a quantidade de alumínio usada pelo setor elétrico é responsável por cerca de um terço do consumo total de alumínio no país, principalmente para a transmissão de alta tensão.
Entretanto, a proporção de condutores de alumínio usados na distribuição de energia é menor que 5%. A escolha entre cobre e alumínio Os condutores são influenciados por fatores históricos, condições nacionais, situações de recursos e outros fatores.
Na década de 1950, o preço do cobre aumentou rapidamente, e o setor mundial de fios e cabos propôs a substituição do cobre pelo alumínio.
Para obter o mesmo desempenho elétrico, a área da seção transversal dos condutores de alumínio precisava ser dois níveis maior do que a dos condutores de cobre ou aumentada em 50%.
A mesma proposta foi feita nas décadas de 1960 e 1970 pelos mesmos motivos. Desde 2005, a proposta de substituir o cobre pelo alumínio foi levantada novamente.
Com o avanço da tecnologia, desta vez a substituição do cobre pelo alumínio está usando principalmente a liga de alumínio em vez do alumínio puro.
Qual é a perspectiva de substituir o cobre pelo alumínio? Precisamos ter um melhor entendimento das propriedades das ligas de alumínio, do cobre e do alumínio.
| alumínio | Alumínio | Cobre | |||||
| Recozido | Difícil (H8) | Recozido | Difícil | ||||
| Peso atômicoDensidade/kgm-3resistividade/n Ω - mcondutividade/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Coeficiente de temperatura da resistência/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Resistência à tração/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Módulo de elasticidade positivo/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Coeficiente de expansão linear/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Capacidade térmica específica | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Condutividade térmica/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Resistência térmica/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potencial do eletrodo de calomelano/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Dureza Brinell | cerca de 25 | cerca de 45 | cerca de 60 | cerca de 120 | |||
| Ponto de fusão /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Calor de fusão/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Observação: os dados são do "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2ª edição.
Em termos de 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 Voltage of 1kV (Um=1.2kV) to 35kV (Um=40.5kV): Parte 1: Cabos com tensão nominal 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 for Cables" (Condutores para cabos) tem disposições claras que permitem o uso do primeiro ou segundo tipo de condutor de cobre recozido com ou sem uma camada de metal banhado a ouro, ou condutor de alumínio ou liga de alumínio.
Resistência à tração e condutividade do alumínio elétrico
| Estado | σb/MPa | Resistividade (máx.) /(Ω mm2) m-1 | Condutividade (min) /% IACS |
| 1350-O | 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 do "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2ª edição.
Nas décadas de 1960 e 1970, os preços do cobre subiram globalmente. Devido a fatores políticos, o cobre foi considerado um material estratégico e sujeito a controle comercial.
Como resultado, o alumínio foi amplamente utilizado como o principal material condutor para cabos de transmissão, e a "substituição do cobre pelo alumínio" tornou-se uma política técnica comum no setor elétrico.
Foi necessária a aprovação para escolher cabos condutores de cobre.
Portanto, cabos de alumínio puro foram usados para as linhas principais e ramais de edifícios civis.
As desvantagens dos condutores de alumínio puro (AA1350) se refletem principalmente nos seguintes aspectos:
(1) Baixa resistência mecânica, fácil de quebrar.
(2) Suscetível a deformação, os parafusos precisam ser apertados regularmente.
(3) Fácil de sobrecarregar e gerar calor, levando a riscos de segurança.
(4) Não há uma boa solução para o problema da conexão de transição cobre-alumínio.
Esses problemas não são enfrentados apenas pela China, mas também pelo setor mundial de cabos. Com a melhora da situação internacional e a implementação das políticas de reforma e abertura da China, podemos importar facilmente uma grande quantidade de recursos de cobre do exterior, e a diferença de preço entre o cobre e o alumínio não é significativa.
Assim, a substituição do cobre pelo alumínio tornou-se gradualmente menos popular na China. Ao mesmo tempo, os países estrangeiros desenvolveram ativamente novos condutores de liga de alumínio e resolveram os problemas de conexão entre os condutores de liga e os terminais.
Por fim, os Estados Unidos e a Europa aplicaram extensivamente condutores de liga de alumínio em linhas de distribuição. No Código Elétrico Nacional dos Estados Unidos [5] NEC330.14, está estipulado que: "Os condutores sólidos com áreas de seção transversal de 8, 10, 12AWG (equivalente a 8,37 mm2, 5,26 mm2, 3,332 mm2 na China) devem ser feitos de materiais de liga de alumínio de grau elétrico da série AA8000.
Os condutores trançados de 8AWG (equivalente a 8,37 mm2 na China) a 1000kcmil (equivalente a 506,7 mm2 na China) são marcados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de serviço Tipo SE Estilo U e SE Estilo R devem ser feitos de materiais condutores de liga de alumínio de grau elétrico da série AA-8000."
As ligas de alumínio usadas como condutores tiveram um rápido desenvolvimento nas décadas de 1960 e 1970 devido à alta dos preços do cobre.
Na lista de classes de ligas de alumínio da Associação Internacional do Setor de Alumínio, as principais ligas de alumínio usadas como condutores são os condutores da série AA1000 (alumínio puro), da série AA6000 (liga Al-Mg-Si) e da série AA8000 (liga Al-Mg-Cu-Fe). Os condutores da série AA1000 são usados principalmente em linhas aéreas de alta tensão; os condutores da série AA6000 Al-Mg-Si são usados principalmente em linhas aéreas de alta tensão e barramentos de alumínio.
Os dois tipos de condutores existem em um estado rígido, e a soldagem é o principal método de conexão. A série AA8000 Al-Mg-Cu-Fe é uma liga de alumínio macio que é realmente usada na linha de distribuição.
O AA8000 série alumínio alloy obteve uma série de patentes nas décadas de 1960 e 1970.
Liga de alumínio
| 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 |
| 8176 | A98176 | 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 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Residual Residual Residual Residual Residual Residual | 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 |
Observação: Dados obtidos do Aluminum Electrical Conductor Handbook Third Edition.
Devido à adição de elementos de cobre/ferro/magnésio, esses elementos desempenham um papel muito importante na liga:
Cobre: Aumenta a estabilidade da resistência elétrica da liga em altas temperaturas.
Ferro: A resistência à fluência e à compressão é aumentada pelo 280%, evitando problemas de relaxamento causados pela fluência.
Magnésio: Pode aumentar os pontos de contato e tem maior resistência à tração sob a mesma pressão de interface.
Desempenho da liga de alumínio para fios macios
| Item | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Condutividade /% 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: Dados obtidos do Aluminum Alloys and their Processing Manual, segunda edição.
(1) Resistência mecânica: Na tabela, pode-se observar que, em comparação com os condutores de alumínio puro AA1350, a resistência à tração dos condutores da série AA8000 é de cerca de 150% de alumínio puro, e a resistência ao escoamento é de aproximadamente 200% de alumínio puro.
(2) Desempenho anticrise: No teste de fluência de 500 horas, pode-se observar que, em comparação com os condutores de alumínio puro AA1350, o desempenho anticrise das ligas da série AA8000 é de cerca de 280% do alumínio puro, atingindo basicamente o mesmo nível dos condutores de cobre.
| Características do condutor | Densidade (g/m3) | Ponto de fusão (℃) | Coeficiente de expansão linear | Resistividade (Ω * mm2/m) | Condutividade IACS% | Resistência à tração (MPa) | Resistência ao escoamento (MPa) | Taxa de alongamento (%) |
| Cobre elétrico (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Liga de alumínio AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Em comparação com os condutores de cobre, verifica-se que, devido à diferente resistividade, o IACS dos condutores de liga de alumínio AA8000 é 61,8% do cobre.
Quando aumentamos a área da seção transversal dos condutores de liga de alumínio em dois níveis ou a aumentamos para 150% da área da seção transversal dos condutores de cobre, seu desempenho elétrico é consistente.
A resistência à tração dos condutores de liga de alumínio é apenas a metade da resistência dos condutores de cobre (113,8:220MPa).
Como a densidade da liga de alumínio AA8000 é de apenas 30,4% dos condutores de cobre, mesmo que a área da seção transversal dos condutores de liga de alumínio seja aumentada para 150% da área da seção transversal dos condutores de cobre, o peso dos condutores de liga de alumínio é de apenas 45% dos condutores de cobre.
Isso faz com que a resistência à tração dos condutores de liga de alumínio seja relativamente vantajosa em comparação com os condutores de cobre.
O limite de elasticidade dos condutores de liga de alumínio AA8000 é próximo ao dos condutores de cobre, o que torna o desempenho de fluência dos condutores de liga de alumínio próximo ao dos condutores de cobre.
Em termos de alongamento na ruptura, o condutor de liga de alumínio é basicamente o mesmo que o condutor de cobre.
Devido aos diferentes coeficientes de expansão dos condutores de liga de alumínio e cobre, não é adequado conectar diretamente os condutores de cobre e liga de alumínio. Garantimos a confiabilidade da conexão por meio do seguinte método.
A norma GB14315-2008 para terminais e conectores de cobre e alumínio do tipo crimpagem para condutores de cabos de energia foi oficialmente implementada.
Nessa norma, o terminal de transição cobre-alumínio também foi oficialmente incluído na norma, fornecendo uma base teórica para a conexão de cabos de liga metálica e barras de cobre ou equipamentos elétricos feitos de cobre.
Atualmente, há principalmente três maneiras de usar transições de cobre-alumínio:
(1) Cabo de liga leve + terminal de transição de cobre-alumínio (o terminal é conectado diretamente à barra de cobre).
(2) Cabo de liga leve + terminal de alumínio (quando o terminal de alumínio é conectado ao terminal de alumínio estanhado) barramento de cobreSe o parafuso for apertado de acordo com o valor de torque fornecido pelo padrão nacional, uma arruela em forma de disco é adicionada para garantir a conexão efetiva entre os metais de cobre e alumínio durante a expansão e a contração térmica.)
(3) Cabo de liga leve + terminal de alumínio + arruela bimetálica (a parte de alumínio da arruela é conectada ao terminal de alumínio, e a parte de cobre é conectada ao barramento de cobre).
Todos esses métodos de conexão exigem 1000 ciclos de teste de ciclagem térmica 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 térmico realizados pela Georgia Power Company e pelo Shanghai Cable Research Institute mostraram que a conexão dos cabos de liga metálica é segura e confiável, e os dados experimentais mostram que a confiabilidade da conexão é ainda mais estável do que a dos condutores de cobre.
De acordo com dados do US Geological Survey (USGS), o elemento cobre representa menos de 0,01% do conteúdo de elementos na crosta, enquanto o elemento alumínio representa 7,73% do conteúdo de elementos na crosta.
O conteúdo do elemento alumínio é mais de 1.000 vezes superior ao do elemento cobre na crosta. Com base na taxa de consumo atual, os recursos globais de cobre podem suportar mais 32 anos de uso em uma taxa de crescimento de 3% por ano.
Quanto aos recursos de alumínio, com base na escala atual de mineração (cerca de 140 milhões de toneladas por ano), as reservas de bauxita existentes são suficientes para atender às necessidades da indústria mundial de alumínio por quase 180 anos.
Desde 2004, a China tem exportado cerca de 10% de sua demanda anual de alumínio, resultando em um sério excesso de capacidade.
Ao mesmo tempo, de acordo com as estatísticas da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, de 2004 a 2006, a lacuna anual de material de cobre da China ultrapassou 1,3 milhão de toneladas.
De acordo com dados do Anuário Estatístico da China de 2008, em 2007, a China importou 4,52 milhões de toneladas de minério de cobre e cobre refinado, e o valor de importação de cobre e seus produtos foi de US$ 27,1 bilhões.
O mercado de cobre metálico da China tem dependido muito das importações, e a demanda insaciável da China por materiais de cobre levou a um aumento contínuo dos preços internacionais do cobre.
As empresas chinesas também foram para o exterior com um entusiasmo sem precedentes, adquirindo empresas de mineração estrangeiras e explorando minas não chinesas, pagando um preço que ainda é lembrado pelo povo chinês.
Desde o início de 2004, os preços do cobre aumentaram mais de 200%, enquanto os preços do alumínio não flutuaram tão drasticamente quanto os preços do cobre.
Mudar a grave dependência de materiais de cobre é fundamental para alterar a relação internacional de oferta e demanda, economizar divisas, fazer uso total dos recursos domésticos e garantir o desenvolvimento sustentável do setor de energia.
Devido à excelente condutividade elétrica e às propriedades mecânicas dos condutores de liga de alumínio, as desvantagens da conexão não confiável, da baixa resistência mecânica e da fácil deformação dos condutores de alumínio foram melhoradas.
Seu desempenho mecânico é comparável ao dos condutores de cobre. O desempenho elétrico pode ser obtido com o aumento da área da seção transversal, que tem a mesma condutividade dos condutores de cobre.
Portanto, os condutores de liga de alumínio são amplamente utilizados em sistemas de distribuição de baixa tensão.
A promoção e a aplicação de condutores de liga de alumínio no mercado doméstico economizarão uma grande quantidade de recursos de cobre, reduzirão a dependência do país de recursos de cobre estrangeiros, economizarão muitas divisas e permitirão que os usuários economizem dinheiro.
Isso também facilita a instalação por parte dos instaladores. Com muitas vantagens, temos motivos para acreditar que a aplicação de condutores de liga de alumínio em cabos de energia de baixa tensão se tornará mais popular, e a tendência de substituir o cobre pelo alumínio causará uma revolução 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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