Почему спор между алюминиевым сплавом и медными проводниками так важен в электротехнической промышленности? Как материалы для проводников, оба имеют уникальные преимущества и недостатки. В этой статье рассматриваются характеристики, экономическая эффективность и области применения этих материалов, а также их механические и электрические свойства. Читатели поймут, как алюминиевые сплавы становятся жизнеспособной альтернативой меди, потенциально меняя системы передачи и распределения электроэнергии. Окунитесь в эту тему, чтобы узнать, какой проводник может возглавить будущее электрической инфраструктуры.
Использование меди человеком прослеживается уже 10 000 лет назад. На севере Ирака был обнаружен артефакт - медная ушная чашка, датируемая 8 700 лет назад, а в Китае бронзовые изделия появились более 4 000 лет назад в эпоху Ся Юй.
Применение меди в качестве проводника насчитывает более 200 лет, начиная с открытия и применения электричества в конце XVIII века.
Алюминий, относительно молодой металл, в середине XIX века был известен как "серебряное золото", более драгоценное, чем золото, до 1886 года, когда американский ученый Холл независимо разработал метод электролитического получения алюминия, проложив путь к промышленному производству.
Использование алюминия в качестве проводника началось в 1896 году, когда британец сэр Уильям Крукс установил в Болтоне первый в мире воздушный алюминиевый многожильный провод.
В 1910 году Юпп из Алюминиевой ассоциации Америки изобрел алюминиевый многожильный провод со стальным сердечником, проложенный над Ниагарским водопадом. С тех пор воздушные высоковольтные линии электропередач постепенно заменяются алюминиевыми многожильными проводами со стальным сердечником.
Кроме того, промышленно развитые западные страны начали использовать алюминиевые проводники для замены медных проводников в качестве распределительных проводов в 1910 году.
В настоящее время около 14% произведенного в мире алюминия используется в качестве электротехнических материалов, причем США лидируют по использованию алюминия в электрических проводах, достигая примерно 35%.
Количество алюминия, используемого электротехническими службами Китая, составляет около трети от общего потребления алюминия, в основном используемого для высоковольтной передачи, в то время как доля алюминиевых проводников, используемых в распределении, составляет менее 5%. Использование меди или алюминия в качестве проводников зависит от исторических, национальных и ресурсных условий.
В 1950-х годах, в связи с быстрым ростом цен на медь, мировая индустрия производства проводов и кабелей предложила заменить медь алюминием. Для достижения одинаковых электрических характеристик площадь поперечного сечения алюминиевого проводника должна быть на два уровня больше или увеличена на 50% по сравнению с медным проводником.
В 1960-х и 1970-х годах по тем же причинам было выдвинуто предложение о замене меди алюминием. С 2005 года по настоящее время предложение о замене меди на алюминий выдвигается вновь.
С развитием технологий, на этот раз замена меди на алюминий в основном относится к замене меди на алюминиевый сплав. Каковы перспективы замены меди на алюминий? Нам нужно больше узнать о свойствах алюминиевых сплавов, меди и алюминия.
| Производительность | Алюминий | Алюминий | Медь | Медь | |
| Отожженный (0) | Хард (H8) | Отожженный | Hard | ||
| Атомный вес | 26.98 | 63.54 | |||
| Плотность/кгм-3 | 2700 | 8890 | |||
| Удельное сопротивление/нΩ-м | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| Проводимость/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Температурный коэффициент сопротивления/(нΩ-м)-К-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| Прочность на разрыв/МПа | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Модуль Юнга/ГПа | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Коэффициент линейного расширения/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Удельная теплоемкость | /J（kg-K）-1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃ -cm3）-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| Теплопроводность/Вт-(м-К) | 231 | 436 | |||
| Термическое сопротивление/к-В-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| Потенциал ртутного электрода/V | -0.75 | -0.22 | |||
| Твердость по Бринеллю | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Температура плавления/℃ | 600 | 1083 | |||
| Теплота плавления/ × 105J - кг-1 | 3.906 | 2.142 | |||
Примечание: Данные взяты из второго издания "Справочника по алюминиевым сплавам и их обработке".
С точки зрения стандартов кабельной продукции, все производство силовых кабелей соответствует стандарту GB12706.1-2008 "Силовые кабели и аксессуары с экструдированной изоляцией на номинальное напряжение от 1 кВ (Um=1,2 кВ) до 35 кВ (Um=40,5 кВ): Часть 1: Кабели с номинальным напряжением 1кВ (Um=1,2кВ) и 3кВ (Um=3,6кВ)", где жилы кабелей производятся в соответствии с GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Проводники кабелей" имеет четкие правила, позволяющие использовать первый или второй тип проводников из отожженной меди с металлическим или неметаллическим покрытием, алюминия или алюминиевого сплава.
Прочность на разрыв и электропроводность электротехнического алюминия
| Статус | σb/MPa | Максимальное удельное сопротивление (Ω-мм2/m) | Проводимость (минимальная) / %IACS |
| 1350-0 | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 или H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 или 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 или 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Примечание: Данные взяты из второго издания "Справочника по алюминиевым сплавам и их обработке".
В шестидесятые и семидесятые годы мировая цена на медь резко возросла. Из-за политических факторов медь была отнесена к стратегическим материалам, а на внутреннем рынке в качестве основного проводникового материала для кабелей электропередачи широко использовался алюминий.
Политика "замены меди на алюминий" стала общепринятой технической политикой в электротехнической промышленности, а использование кабелей с медными жилами потребовало составления отчетов.
Таким образом, на магистральных и ответвляющихся линиях гражданских зданий использовались кабели из чистого алюминия. Недостатки проводников из чистого алюминия (AA1350) проявляются в основном в следующих аспектах:
(1) Низкая механическая прочность, легко ломается,
(2) Склонны к деформации, требуют частой подтяжки винтов,
(3) Легко перегревается при перегрузках, создавая угрозу безопасности,
(4) Задача о соединении переходов между медь и алюминий не уделяется должного внимания.
С этими проблемами сталкиваются не только внутри страны, но и в мировой кабельной промышленности. Однако с улучшением международных отношений и реализацией китайских реформ и открытости мы получили возможность импортировать большое количество медных ресурсов из-за рубежа, а разница в цене между медью и алюминием стала незначительной, что привело к постепенному отказу от тенденции "алюминий заменяет медь" внутри страны.
Одновременно зарубежные страны активно разрабатывали новые проводники из алюминиевого сплава, чтобы решить проблемы соединения проводников из сплава с клеммами.
Со временем в США и Европе в распределительных линиях стали широко использоваться проводники из алюминиевых сплавов.
Согласно Американскому национальному электротехническому кодексу [5] NEC330.14: "Сплошные проводники сечением 8, 10, 12AWG (эквивалент отечественных размеров 8,37 мм2, 5,26 мм2, 3,332 мм2) должны быть изготовлены из алюминиевого сплава серии AA8000 электрического класса.
Многожильные проводники от 8AWG (эквивалент внутреннего размера 8,37 мм2) до 1000 кмил (эквивалент внутреннего размера 506,7 мм2), маркированные как тип RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, сервисный вход типа SE Style U и SE Style R, должны быть изготовлены из проводниковых материалов из алюминиевого сплава серии AA-8000 электрического класса".
Стремительное развитие алюминиевых сплавов, используемых в качестве проводников, было вызвано значительным ростом цен на медь в 1960-х и 1970-х годах. В соответствии с обозначениями сплавов, принятыми в Алюминиевой ассоциации, основные типы алюминиевых сплавов, используемых в качестве проводников, включают серию AA1000 (чистый алюминий), серию AA6000 и серию AA8000.
Серия AA1000 используется в основном для высоковольтных воздушных линий. Серия AA6000 Al-Mg-Si (алюминиево-магниево-кремниевый сплав) используется в основном для высоковольтных воздушных линий и алюминиевых шин; оба типа проводников находятся в твердом состоянии, а их соединение осуществляется в основном с помощью сварки.
Серия AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (алюминиево-магниево-медно-железный сплав) представляет собой настоящий мягкий алюминиевый сплав, используемый в распределительных линиях. AA8000 серия алюминиевых Сплавы получили множество патентов в 1960-х и 1970-х годах.
| Название сплава | Номер патента США | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| Алюминиевый сплав | Процентное соотношение химического состава в зависимости от качества | |||||||||
| ANSI | UNS | Алюминий | Кремний | Железо | Медь | Магний | Цинк | Бор | Другие (Всего) | Другие (Всего) |
| 8017 | A98017 | Остатки | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | Остатки | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | Остатки | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | Остатки | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | Остатки | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | Остатки | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
О: Максимальное содержание лития - 0,03.
B: Максимальное содержание кремния и железа - 1,0.
C: Максимальное содержание галлия - 0,03.
Примечание: Данные взяты из справочника Aluminum Electrical Conductor Handbook - Third Edition.
Добавление элементов меди, железа и магния играет решающую роль в сплаве:
Медь: Повышает устойчивость сплава к электрическому сопротивлению при высоких температурах.
Железо: Увеличивает сопротивление ползучести и прочность на сжатие на 280%, предотвращая проблемы, вызванные ослаблением при ползучести.
Магний: При одинаковом давлении на интерфейс он может увеличить количество точек контакта и обеспечить более высокую прочность на разрыв.
Характеристики алюминиевого сплава для мягких электрических проводов
| Бренд или название продукта | σb/MPa | σ0.2/МПа | δ/% | Название бренда или продукта/%IACS |
| 1350 | 74.5 | 27.5 | 32 | 63.5 |
| Triple E | 95 | 67.7 | 33 | 62.5 |
| Супер -Т | 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 |
Примечание: Данные взяты из второго издания "Справочника по алюминиевым сплавам и их обработке".
(1) Механическая прочность: Как видно из таблицы, по сравнению с проводником из чистого алюминия AA1350, прочность на разрыв проводника серии AA8000 составляет около 150% по сравнению с чистым алюминием, а его предел текучести составляет примерно 200% чистого алюминия.
(2) Сопротивление ползучести: Из 500-часового испытания на ползучесть видно, что сопротивление ползучести сплава серии AA8000 составляет примерно 280% от сопротивления ползучести проводника из чистого алюминия AA1350, по сути, достигая того же уровня, что и медный проводник.
| Характеристики проводников | Электротехническая медь (Cu) | Алюминиевый сплав AA8000 |
| Плотность (г/мм³) | 8.89 | 2.7 |
| Температура плавления (℃) | 1083 | 660 |
| Коэффициент линейного расширения | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Электрическое сопротивление (Ω*мм²/м) | 0.017241 | 0.0279 |
| Электропроводность IACS% | 100 | 61.8 |
| Прочность на разрыв (МПа) | 220-270 | 113.8 |
| Предел текучести (МПа) | 60-80 | 53.9 |
| Скорость удлинения (%) | 30-45 | 30 |
Сравнивая проводники из алюминиевого сплава AA8000 и медные проводники, мы обнаружили, что из-за различий в удельном сопротивлении их значения по Международному стандарту отожженной меди (IACS) отличаются.
Алюминиевый сплав AA8000 составляет 61,8% от медной величины. Если увеличить площадь поперечного сечения проводника из алюминиевого сплава на два класса или довести ее до 150% от площади поперечного сечения медного проводника, их электрические характеристики выравниваются.
По прочности на растяжение проводник из алюминиевого сплава лишь вдвое уступает медному (113,8 против 220 МПа).
Однако, поскольку плотность алюминиевого сплава AA8000 составляет всего 30,4% медной жилы, даже при увеличении площади поперечного сечения проводника из алюминиевого сплава до 150% медной жилы, вес проводника из алюминиевого сплава составляет всего 45% медной жилы.
Такая ситуация обеспечивает проводнику из алюминиевого сплава определенные преимущества в прочности на разрыв по сравнению с медным проводником.
Предел текучести проводника из алюминиевого сплава AA8000 близок к пределу текучести медного проводника, что позволяет приблизить свойства ползучести проводника из алюминиевого сплава к свойствам медного проводника.
По показателю удлинения при разрыве проводник из алюминиевого сплава и медный проводник практически одинаковы.
Из-за различий в коэффициентах расширения проводников из алюминиевого сплава и медных проводников они не подходят для прямого соединения. Мы обеспечиваем надежность их соединения с помощью следующих методов.
Официально введен в действие стандарт GB14315-2008 на обжимные медные и алюминиевые клеммы и соединительные трубки для проводников силовых кабелей.
В этот стандарт также официально включена переходная клемма медь-алюминий, обеспечивающая теоретическую основу для соединения кабелей из сплава с медными шинами и электрооборудованием.
Основными современными методами перехода меди в алюминий являются следующие:
1) Кабель из сплава + медно-алюминиевая переходная клемма (клемма напрямую соединяется с медная шина).
2) Кабель из сплава + алюминиевая клемма (при соединении алюминиевой клеммы и медной луженой шины затяните винты в соответствии со значениями крутящего момента, предусмотренными национальным стандартом, и добавьте тарельчатую шайбу для сохранения эффективного соединения меди и алюминия при тепловом расширении и сжатии).
3) Кабель из сплава + алюминиевая клемма + биметаллическая шайба (алюминиевая часть шайбы соединяется с алюминиевой клеммой, а медная часть соединяется с медной шиной).
Для обеспечения надежности кабельных соединений все эти методы требуют проведения испытаний на 1000 тепловых циклов в соответствии с IEC61238-2008 или GB9327-2008, имитирующих 30 лет эксплуатации.
Испытания на тепловой цикл, проведенные Энергетическим советом штата Джорджия в США и Шанхайским научно-исследовательским институтом кабелей, показывают, что соединения кабелей из сплава безопасны и надежны. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что их надежность даже выше, чем у медных проводников.
По данным Геологической службы США (USGS), содержание меди в земной коре составляет менее 0,01%, а алюминия - 7,73%.
Таким образом, содержание алюминия более чем в 1000 раз превышает содержание меди. Исходя из текущих темпов потребления, при среднегодовом темпе роста в 3%, мировых запасов меди хватит еще на 32 года.
Однако, учитывая текущие масштабы добычи алюминия (около 140 миллионов тонн/год), существующие запасы бокситов могут удовлетворить потребности мировой алюминиевой промышленности в течение почти 180 лет.
Учитывая превосходные электрические и механические свойства проводников из алюминиевых сплавов, они позволили улучшить ненадежность алюминиевых соединений, недостаточную механическую прочность и склонность к ползучести.
По механическим характеристикам эти проводники похожи на медь, а увеличение площади поперечного сечения позволяет достичь такой же проводимости, как у меди, что делает их широко применимыми в низковольтных распределительных системах.
Продвижение проводников из алюминиевого сплава на внутреннем рынке может помочь стране сэкономить значительное количество медных ресурсов, уменьшить зависимость от иностранных медных ресурсов, сэкономить значительное количество иностранной валюты, а также обеспечить определенную экономию для пользователей, облегчить монтаж для установщиков.
Учитывая множество преимуществ, можно предположить, что применение проводников из алюминиевых сплавов в низковольтных силовых кабелях получит широкое распространение. Тенденция замены алюминия медью может привести к трансформации кабельной промышленности.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR