Leiter aus Aluminiumlegierung im Vergleich zu Leitern aus Kupfer und Aluminium: Eine vergleichende Analyse

1. Einführung

Die Verwendung von Kupfer durch den Menschen lässt sich bis vor 10.000 Jahren zurückverfolgen. Im Nordirak wurde ein Artefakt - eine kupferne Ohrmuschel - ausgegraben, das 8.700 Jahre alt ist, und in China gab es bereits vor mehr als 4.000 Jahren, zur Zeit von Xia Yu, Bronzegeschirr.

Die Verwendung von Kupfer als Leiter hat sich seit der Entdeckung und Anwendung der Elektrizität im späten 18. Jahrhundert über 200 Jahre erstreckt.

Aluminium, ein relativ junges Metall, war Mitte des 19. Jahrhunderts als "silbernes Gold" bekannt, wertvoller als Gold, bis 1886 der amerikanische Wissenschaftler Hall unabhängig das elektrolytische Aluminiumverfahren entwickelte und damit den Weg für die industrielle Produktion ebnete.

Die Verwendung von Aluminium als Leiter begann 1896, als der Brite Sir William Crookes in Bolton die weltweit erste Aluminium-Litzendrahtleitung errichtete.

1910 erfand Hupp von der Aluminum Association of America die Stahlkern-Aluminiumlitze, die über den Niagarafällen errichtet wurde. Seitdem wurden Hochspannungsfreileitungen nach und nach durch Aluminiumlitzen mit Stahlkern ersetzt.

Außerdem begannen die westlichen Industrieländer damit, die Aluminium-Leitungen um 1910 Kupferleiter als Verteilerkabel zu ersetzen.

Derzeit werden etwa 14% des weltweit produzierten Aluminiums als Elektromaterial verwendet, wobei die Vereinigten Staaten mit etwa 35% führend bei der Verwendung von Aluminium in elektrischen Drähten sind.

Die Menge an Aluminium, die von Chinas Elektrizitätsabteilungen verwendet wird, macht etwa ein Drittel des Gesamtverbrauchs an Aluminium aus, das hauptsächlich für die Hochspannungsübertragung verwendet wird, während der Anteil der in der Verteilung verwendeten Aluminiumleiter weniger als 5% beträgt. Die Verwendung von Kupfer oder Aluminium als Leiter wird durch historische, nationale und ressourcenbezogene Bedingungen beeinflusst.

In den 1950er Jahren schlug die weltweite Draht- und Kabelindustrie angesichts des rapiden Anstiegs der Kupferpreise vor, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen. Um die gleiche elektrische Leistung zu erreichen, muss die Querschnittsfläche des Aluminiumleiters im Vergleich zum Kupferleiter um zwei Ebenen größer sein oder um 50% zunehmen.

In den 1960er und 1970er Jahren wurde aus denselben Gründen der Vorschlag gemacht, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen. Von 2005 bis heute wurde der Vorschlag, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen, erneut unterbreitet.

Mit dem Fortschritt der Technologie bezieht sich der Ersatz von Kupfer durch Aluminium diesmal hauptsächlich auf den Ersatz von Kupfer durch eine Aluminiumlegierung. Wie sieht es mit dem Ersatz von Kupfer durch Aluminium aus? Wir müssen mehr über die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, Kupfer und Aluminium wissen.

2. Vergleich von Kupfer und Aluminium

2.1 Leistungsvergleich von Aluminium und Kupfer (20℃)

LeistungAluminiumAluminiumKupferKupfer
Geglüht (0)Hart (H8)GeglühtHart
Atomares Gewicht26.9863.54
Dichte/kgm-327008890
spezifischer Widerstand/nΩ-m27.828.317.2417.77
Leitfähigkeit/%IACS626110097
Temperaturkoeffizient des Widerstands/(nΩ-m)-K-10.10.10.098250.09525
Zugfestigkeit/MPa80-110150-200200-270350470
Elastizitätsmodul/GPa6363120120
Linearer Ausdehnungskoeffizient/×10-6K-123231717
Spezifische Wärmekapazität/J(kg-K)-1900392
/J(℃ -cm3)-12.383.42
Wärmeleitfähigkeit/W-(m-K)231436
Wärmewiderstand/K-W-10.4910.259
Quecksilber-Elektrodenpotential/V-0.75-0.22
Brinell-Härte254560120
Schmelzpunkt/℃6001083
Schmelzwärme/ × 105J - kg-13.9062.142

Anmerkung: Die Daten stammen aus der zweiten Ausgabe des "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".

2.2 Anwendung von Kupfer-Aluminium-Leitern in Stromkabeln

Aus der Perspektive der Kabelproduktionsstandards folgt die gesamte Energiekabelherstellung GB12706.1-2008 "Extrudierte isolierte Energiekabel und Zubehör mit Nennspannungen von 1kV (Um=1,2kV) bis 35kV (Um=40,5kV): Teil 1: Kabel mit Nennspannungen von 1kV (Um=1,2kV) und 3kV (Um=3,6kV)", wobei die Leiter der Kabel in Übereinstimmung mit GB/T3956-2008 hergestellt werden.

GB/T3956-2008 "Conductors of Cables" (Leiter von Kabeln) enthält ausdrückliche Bestimmungen, die die Verwendung des ersten oder zweiten Typs von metallbeschichteten oder nicht metallbeschichteten geglühten Kupferleitern, Aluminium oder Aluminiumlegierungen erlauben.

Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit von elektrischem Aluminium

Statusσb/MPaMaximaler spezifischer Widerstand (Ω-mm)2/m)Leitfähigkeit (Minimum) / %IACS
1350-0 58.3~980.02789961.8
1350-H12 oder H22 82.3~117.60.02803561.5
1350-H14 oder 24 102.9~137.20.02808061.4
1350-H16 oder 26 117.6~150.90.02812661.3
1350-H19161.7~198.90.02817261.2

Anmerkung: Die Daten stammen aus der zweiten Ausgabe des "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".

2.3 Probleme mit Aluminiumleitern in Stromkabelanwendungen

In den sechziger und siebziger Jahren stieg der Weltmarktpreis für Kupfer stark an. Aufgrund politischer Faktoren wurde Kupfer als strategisches Material reguliert, und im Inland wurde Aluminium in großem Umfang als Hauptleitermaterial für Übertragungskabel verwendet.

Die Politik des "Ersetzens von Kupfer durch Aluminium" wurde zu einer allgemeinen technischen Politik in der Elektroindustrie, wobei die Verwendung von Kupferleiterkabeln Berichtsanwendungen erforderte.

Daher wurden für Haupt- und Nebenleitungen in zivilen Gebäuden ausschließlich Reinaluminiumkabel verwendet. Die Nachteile von reinen Aluminiumleitern (AA1350) spiegeln sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:

(1) Geringe mechanische Festigkeit, leicht zu brechen,

(2) Neigt zum Kriechen und erfordert häufiges Nachziehen der Schrauben,

(3) Überhitzt leicht bei Überlast und stellt ein Sicherheitsrisiko dar,

(4) Das Problem der Übergangsverbindung zwischen Kupfer und Aluminium wird nicht gut behandelt.

Diese Probleme treten nicht nur im Inland auf, sondern sind auch in der weltweiten Kabelindustrie weit verbreitet. Mit der Verbesserung der internationalen Beziehungen und der Umsetzung der Reform und Öffnung Chinas konnten wir jedoch eine große Menge an Kupferressourcen aus dem Ausland importieren, und der Preisunterschied zwischen Kupfer und Aluminium wurde unbedeutend, was zu einem allmählichen Auslaufen des Trends "Aluminium ersetzt Kupfer" im Inland führte.

Gleichzeitig entwickelte das Ausland aktiv neue Leiter aus Aluminiumlegierungen, um die Verbindungsprobleme zwischen Leitern und Klemmen zu lösen.

Schließlich wurden in den Vereinigten Staaten und Europa in großem Umfang Leiter aus Aluminiumlegierungen für Verteilungsleitungen verwendet.

Nach dem American National Electrical Code [5] NEC330.14: "Massive Leiter mit einem Querschnitt von 8, 10, 12AWG (entspricht den inländischen Größen von 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2) sollten aus Aluminiumlegierungen der Serie AA8000 hergestellt werden.

Litzenleiter von 8AWG (entspricht der Haushaltsgröße von 8,37mm2) bis 1000kcmil (entspricht der Haushaltsgröße von 506,7mm2), gekennzeichnet als Typ RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, Service-Eingang Typ SE Style U und SE Style R, sollten aus Aluminiumlegierungen der Serie AA-8000 hergestellt werden."

3. Leiter aus Aluminiumlegierung

3.1 Die Entwicklung von Leitern aus Aluminiumlegierungen

Die rasante Entwicklung von Aluminiumlegierungen, die als Leiter verwendet werden, wurde durch den erheblichen Anstieg der Kupferpreise in den 1960er und 1970er Jahren ausgelöst. Innerhalb der Legierungsbezeichnungen der Aluminum Association gehören zu den wichtigsten Arten von Aluminiumlegierungen, die als Leiter verwendet werden, die AA1000-Serie (reines Aluminium), die AA6000-Serie und die AA8000-Serie.

Die AA1000-Serie wird hauptsächlich für Hochspannungsfreileitungen verwendet. Die Serie AA6000 Al-Mg-Si (Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung) wird hauptsächlich für Hochspannungsfreileitungen und Aluminiumsammelschienen verwendet; beide Leitertypen liegen in einem harten Zustand vor, wobei die Verbindungen hauptsächlich durch Schweißen hergestellt werden.

Die Serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (Aluminium-Magnesium-Kupfer-Eisen-Legierung) repräsentiert die echte weiche Aluminiumlegierung, die in Verteilungsleitungen verwendet wird. Die AA8000 Serie von Aluminium Legierungen wurden in den 1960er und 1970er Jahren zahlreiche Patente erteilt.

Legierung Name        U.S. Patent Nummer
ANSI-H35.1UNS 
8017A98017......
8030A980303711339
8076A980763697260
8130A98130......
8176A98176RE28419
  RE30465
8177A98177......

3.2 Die chemischen Hauptbestandteile der Leiter der Serie AA8000 sind wie folgt:

Aluminium-LegierungProzentualer Anteil der chemischen Zusammensetzung auf Basis der Qualität
ANSIUNSAluminiumSiliziumEisenKupferMagnesiumZinkBorAndere
(Gesamt) 
Andere
(Gesamt) 
8017 A98017 Rückstände0.10 0.55-0.8 0.10-0.20 0.01-0.05 0.05 0.04 0.03A 0.10 
8030A98030Rückstände0.100.30-0.80.15-0.300.050.050.001-0.040.030.10
8076A98076Rückstände0.100.6-0.90.040.08-0.220.050.040.030.10
8130A98130Rückstände0.15B0.40-1.0B0.05-0.15...0.10...0.030.10
8176A98176Rückstände0.03-0.150.40-1.0.........0.10...0.05C0.15
8177A98177Rückstände0.100.25-0.450.040.04-0.120.050.040.030.10

A: Der maximale Lithiumgehalt beträgt 0,03.

B: Der Höchstgehalt an Silizium und Eisen beträgt 1,0.

C: Der maximale Galliumgehalt beträgt 0,03.

Hinweis: Die Daten stammen aus dem Aluminum Electrical Conductor Handbook - Third Edition.

3.3 Vergleich zwischen Leitern der Serie AA8000 und Leitern aus reinem Aluminium (AA1350).

Der Zusatz von Kupfer, Eisen und Magnesium spielt eine entscheidende Rolle in der Legierung:

Kupfer: Verbessert die Stabilität des elektrischen Widerstands der Legierung bei hohen Temperaturen.

Eisen: Erhöht die Kriechbeständigkeit und Druckfestigkeit um 280% und verhindert Probleme, die durch kriechbedingte Lockerung entstehen.

Magnesium: Bei gleichem Schnittstellendruck kann es die Kontaktpunkte vergrößern und eine höhere Zugfestigkeit bieten.

Leistung von Aluminiumlegierungen für weiche elektrische Drähte

Marke oder Produktnameσb/MPaσ0,2/MPaδ/%Marke oder Produktname/%IACS
135074.527.53263.5
Triple E9567.73362.5
Super-T9567.63362.5
X8076108.860.82261.5
Stabiloy113.853.92061.8
NiCo108.867.72661.3
X8130102.060.82162.1

Anmerkung: Die Daten stammen aus der zweiten Ausgabe des "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".

(1) Mechanische Festigkeit: Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, beträgt die Zugfestigkeit des Leiters der Serie AA8000 im Vergleich zum Leiter aus Reinaluminium AA1350 etwa 150%, und seine Streckgrenze beträgt etwa 200% reines Aluminium.

(2) Kriechbeständigkeit: Aus dem 500-Stunden-Kriechversuch geht hervor, dass die Kriechbeständigkeit der Legierung der Serie AA8000 etwa 280% der des Leiters aus reinem Aluminium AA1350 beträgt und im Wesentlichen das gleiche Niveau wie der Kupferleiter erreicht.

3.4 Vergleich von Leitern aus Aluminiumlegierungen und Kupfer

Eigenschaften des LeitersElektrisches Kupfer (Cu)AA8000 Aluminium-Legierung
Dichte (g/mm³)8.892.7
Schmelzpunkt (℃)1083660
Linearer Ausdehnungskoeffizient17*10-623*10-6
Elektrischer spezifischer Widerstand (Ω*mm²/m)0.0172410.0279
Elektrische Leitfähigkeit IACS%10061.8
Zugfestigkeit (MPa)220-270113.8
Streckgrenze (MPa)60-8053.9
Dehnungsrate (%)30-4530

Beim Vergleich von Leitern aus der Aluminiumlegierung AA8000 mit Leitern aus Kupfer stellen wir fest, dass die IACS-Werte (International Annealed Copper Standard) aufgrund von Unterschieden im spezifischen Widerstand variieren.

Die Aluminiumlegierung AA8000 beträgt 61,8% des Kupferwertes. Wenn wir die Querschnittsfläche des Leiters aus einer Aluminiumlegierung um zwei Stufen erhöhen oder sie auf 150% der Querschnittsfläche des Kupferleiters anheben, gleicht sich ihre elektrische Leistung an.

Die Zugfestigkeit des Leiters aus einer Aluminiumlegierung ist nur halb so hoch wie die des Kupferleiters (113,8 vs. 220 MPa).

Da die Dichte der Aluminiumlegierung AA8000 jedoch nur 30,4% des Kupferleiters beträgt, beträgt das Gewicht des Leiters aus der Aluminiumlegierung nur 45% des Kupferleiters, selbst wenn die Querschnittsfläche des Leiters aus der Aluminiumlegierung auf 150% des Kupferleiters erhöht wird.

Dieser Umstand verschafft dem Leiter aus Aluminiumlegierung gewisse Vorteile bei der Zugfestigkeit gegenüber dem Kupferleiter.

Die Streckgrenze des Leiters aus der Aluminiumlegierung AA8000 liegt nahe an der des Kupferleiters, so dass sich die Kriecheigenschaften des Leiters aus der Aluminiumlegierung denen des Kupferleiters annähern.

In Bezug auf die Bruchdehnung sind der Leiter aus einer Aluminiumlegierung und der Kupferleiter im Wesentlichen identisch.

Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Leiters aus Aluminiumlegierung und des Kupferleiters sind sie nicht für eine direkte Verbindung geeignet. Wir gewährleisten die Zuverlässigkeit ihrer Verbindung durch die folgenden Methoden.

3.5 Zuverlässigkeit der Verbindung

Die Norm GB14315-2008 für Crimpklemmen aus Kupfer und Aluminium und Verbindungsrohre für Stromkabel wurde formell eingeführt.

In dieser Norm wurde auch die Kupfer-Aluminium-Übergangsklemme offiziell aufgenommen, die eine theoretische Grundlage für den Anschluss von legierten Kabeln an Kupferschienen und elektrische Geräte bietet.

Die wichtigsten aktuellen Methoden für den Kupfer-Aluminium-Übergang sind folgende:

1) Legierungskabel + Kupfer-Aluminium-Übergangsklemme (die Klemme ist direkt mit dem Kupfersammelschiene).

2) Legierungskabel + Aluminiumklemme (wenn die Aluminiumklemme und die verzinnte Kupfersammelschiene verbunden sind, ziehen Sie die Schrauben gemäß den von der nationalen Norm vorgesehenen Drehmomentwerten an und fügen Sie eine Unterlegscheibe hinzu, um die effektive Verbindung von Kupfer und Aluminium während der thermischen Ausdehnung und Kontraktion zu erhalten).

3) Legierungskabel + Aluminiumklemme + Bimetallscheibe (der Aluminiumteil der Scheibe ist mit der Aluminiumklemme verbunden, und der Kupferteil ist mit der Kupfersammelschiene verbunden).

Diese Verbindungsmethoden erfordern alle 1.000 Wärmezyklustests gemäß IEC61238-2008 oder GB9327-2008, die eine 30-jährige Nutzung simulieren, um die Zuverlässigkeit der Kabelverbindungen zu gewährleisten.

Die vom Power Board of Georgia in den Vereinigten Staaten und dem Shanghai Cable Research Institute durchgeführten Wärmezyklustests zeigen, dass die Verbindungen der legierten Kabel sicher und zuverlässig sind. Die Daten aus den Versuchsberichten zeigen, dass ihre Zuverlässigkeit sogar stabiler ist als die von Kupferleitern.

4. Kupfer- und Aluminium-Ressourcen

Globaler Überblick über die Kupfer- und Aluminiumressourcen

Nach Angaben des United States Geological Survey (USGS) beträgt der Kupfergehalt in der Erdkruste weniger als 0,01%, während Aluminium 7,73% ausmacht.

Der Aluminiumgehalt ist also mehr als 1000 Mal so hoch wie der von Kupfer. Ausgehend von den derzeitigen Verbrauchsraten reichen die weltweiten Kupferressourcen bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 3% noch für 32 Jahre.

Angesichts des derzeitigen Umfangs der Aluminiumgewinnung (ca. 140 Millionen Tonnen/Jahr) können die vorhandenen Bauxitreserven den Bedarf der weltweiten Aluminiumindustrie für fast 180 Jahre decken.

5. Schlussfolgerung

Angesichts der ausgezeichneten elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Leitern aus Aluminiumlegierungen haben sie die Unzuverlässigkeit von Aluminiumverbindungen, die unzureichende mechanische Festigkeit und die Anfälligkeit für Kriechen verbessert.

Diese Leiter haben ähnliche mechanische Eigenschaften wie Kupfer, und durch Vergrößerung der Querschnittsfläche können sie die gleiche Leitfähigkeit wie Kupfer erreichen, wodurch sie in Niederspannungsverteilungssystemen weit verbreitet sind.

Die Förderung von Leitern aus Aluminiumlegierungen auf dem heimischen Markt kann dem Land helfen, eine beträchtliche Menge an Kupferressourcen einzusparen, die Abhängigkeit von ausländischen Kupferressourcen zu verringern, eine beträchtliche Menge an Devisen einzusparen und auch den Nutzern gewisse wirtschaftliche Einsparungen zu ermöglichen, indem die Installation für die Installateure erleichtert wird.

Angesichts dieser vielen Vorteile kann man davon ausgehen, dass sich die Verwendung von Leitern aus Aluminiumlegierungen in Niederspannungskabeln durchsetzen wird. Der Trend, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen, könnte möglicherweise einen Wandel in der Kabelindustrie auslösen.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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