Warum werden Aluminiumlegierungen bei elektrischen Leitern gegenüber Kupfer immer beliebter? Dieser Artikel befasst sich mit dem Vergleich zwischen Leitern aus Aluminium, Kupfer und Aluminiumlegierungen und beschreibt ihre Geschichte, Eigenschaften und Anwendungen. Sie werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien kennenlernen und verstehen, warum Aluminiumlegierungen mit ihrer verbesserten mechanischen Festigkeit und Kosteneffizienz die Branche revolutionieren. Gewinnen Sie Einblicke in die Auswirkungen dieser Materialien auf die Energieverteilung und die Zukunft der Elektrotechnik.
Die Verwendung von Kupfer durch den Menschen lässt sich bis vor 10.000 Jahren zurückverfolgen. Ein 8.700 Jahre altes Artefakt, eine Ohrmuschel aus Kupfer, wurde im Nordirak ausgegraben. In China gab es bereits vor mehr als 4.000 Jahren, während der Xia-Yu-Zeit, Bronzewaren.
Die Anwendung von Kupfer als Leiter hat eine über 200-jährige Geschichte seit seiner Entdeckung und Anwendung im späten 18. Jahrhundert bei der Elektrizität.
Als junges Metall wurde Aluminium in der Mitte des 19. Jahrhunderts als "silbernes Gold" bezeichnet, das noch wertvoller als Gold war.
Erst 1886 erforschte und entwickelte der amerikanische Wissenschaftler Hall unabhängig das elektrolytische Verfahren zur Aluminiumherstellung, das die Industrialisierung ermöglichte.
Die Verwendung von Aluminium als Leiter begann 1896, als der britische Wissenschaftler Colly in Bolton die erste Oberleitung aus Aluminiumlitze errichtete.
1910 erfand die American Aluminum Association eine Aluminiumlitze mit Stahlkern und errichtete sie über den Niagarafällen.
Seitdem wurden die Hochspannungsfreileitungen nach und nach durch stahlummantelte Aluminiumlitzen ersetzt. Darüber hinaus begannen die entwickelten Industrieländer in Europa und Amerika 1910 damit, Aluminiumleiter anstelle von Kupferleitern als Verteilungsleitungen zu verwenden.
Heutzutage werden etwa 14% des weltweit produzierten Aluminiums als Elektromaterial verwendet. Die Vereinigten Staaten haben mit 35% den höchsten Anteil an Aluminium, das für Drähte verwendet wird.
In China macht die von der Elektroindustrie verwendete Aluminiummenge etwa ein Drittel des gesamten Aluminiumverbrauchs des Landes aus, hauptsächlich für die Hochspannungsübertragung.
Der Anteil der in der Energieverteilung verwendeten Aluminiumleiter ist jedoch geringer als 5%. Die Wahl zwischen Kupfer und Aluminium Leitern wird von historischen Faktoren, nationalen Bedingungen, der Ressourcensituation und anderen Faktoren beeinflusst.
In den 1950er Jahren stieg der Kupferpreis rapide an, und die weltweite Draht- und Kabelindustrie schlug vor, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen.
Um die gleiche elektrische Leistung zu erreichen, musste die Querschnittsfläche von Aluminiumleitern zwei Stufen größer sein als die von Kupferleitern oder um 50% erhöht werden.
Der gleiche Vorschlag wurde in den 1960er und 1970er Jahren aus denselben Gründen gemacht. Seit 2005 wird der Vorschlag, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen, wieder aufgegriffen.
Mit dem Fortschritt der Technologie wird diesmal für den Ersatz von Kupfer durch Aluminium hauptsächlich eine Aluminiumlegierung anstelle von reinem Aluminium verwendet.
Welche Aussichten gibt es, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen? Wir müssen ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, Kupfer und Aluminium haben.
| Aluminium | Aluminium | Kupfer | |||||
| Geglüht | Hart (H8) | Geglüht | Hart | ||||
| Atommasse Dichte/kgm-3spezifischer Widerstand/n Ω - mLeitfähigkeit/% IACS | 26.98 2700 | 63.54 8890 | |||||
| 27.8 62 | 28.3 61 | 17.24 100 | 17.77 97 | ||||
| Temperaturkoeffizient des Widerstands/(n Ω - m) - K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |||
| Zugfestigkeit/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Positiver Elastizitätsmodul/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Linearer Ausdehnungskoeffizient/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Spezifische Wärmekapazität | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2.38 | 392 3.42 | ||||
| Wärmeleitfähigkeit/W - (m - K) -1 | 231 | 436 | |||||
| Wärmewiderstand/K - W-1 | 0.491 | 0.259 | |||||
| Potential der Kalomelelektrode/V | -0.75 | -0.22 | |||||
| Brinell-Härte | etwa 25 | etwa 45 | etwa 60 | etwa 120 | |||
| Schmelzpunkt /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Fusionswärme/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Anmerkung: Die Daten stammen aus dem "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2. Auflage.
Was die Normen für die Kabelherstellung betrifft, so folgt die gesamte Stromkabelherstellung der Norm GB12706.1-2008 "Extrudierte isolierte Starkstromkabel und Zubehör mit einer Nennspannung von 1 kV (Um=1,2 kV) bis 35 kV (Um=40,5 kV): Teil 1: Kabel mit einer Nennspannung von 1kV (Um=1,2kV) und 3kV (Um=3,6kV)", wobei die Kabelleiter gemäß GB/T3956-2008 hergestellt werden.
GB/T3956-2008 "Conductors for Cables" (Leiter für Kabel) enthält eindeutige Bestimmungen, wonach der erste oder zweite Typ eines geglühten Kupferleiters mit oder ohne vergoldete Metallschicht oder ein Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet werden kann.
Zugfestigkeit und Leitfähigkeit von elektrischem Aluminium
| Staat | σb/MPa | Spezifischer Widerstand (max) /(Ω mm2) m-1 | Leitfähigkeit (min) /% IACS |
| 1350-O | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 oder H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 oder 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 oder 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Anmerkung: Die Daten stammen aus dem "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook", 2. Auflage.
In den 1960er und 1970er Jahren schnellten die Kupferpreise weltweit in die Höhe. Aufgrund politischer Faktoren wurde Kupfer als strategisches Material betrachtet und unterlag der Handelskontrolle.
Infolgedessen wurde Aluminium in großem Umfang als Hauptleitermaterial für Übertragungskabel verwendet, und der "Ersatz von Kupfer durch Aluminium" wurde zu einer gängigen technischen Strategie in der Elektroindustrie.
Die Wahl von Kupferleiterkabeln war genehmigungspflichtig.
Daher wurden für die Haupt- und Nebenleitungen der zivilen Gebäude reine Aluminiumkabel verwendet.
Die Nachteile von reinen Aluminiumleitern (AA1350) spiegeln sich vor allem in den folgenden Aspekten wider:
(1) Geringe mechanische Festigkeit, leicht zu brechen.
(2) Anfällig für Kriechbewegungen, Schrauben müssen regelmäßig nachgezogen werden.
(3) Sie können leicht überlastet werden und Wärme erzeugen, was zu Sicherheitsrisiken führt.
(4) Es gibt keine gute Lösung für das Problem der Kupfer-Aluminium-Übergangsverbindungen.
Vor diesen Problemen steht nicht nur China, sondern auch die weltweite Kabelindustrie. Mit der Verbesserung der internationalen Situation und der Umsetzung der Reform- und Öffnungspolitik Chinas können wir problemlos große Mengen an Kupfer aus dem Ausland importieren, und der Preisunterschied zwischen Kupfer und Aluminium ist nicht signifikant.
Daher wird der Ersatz von Kupfer durch Aluminium in China immer unpopulärer. Gleichzeitig hat das Ausland aktiv neue Leiter aus Aluminiumlegierungen entwickelt und die Verbindungsprobleme zwischen Leitern aus Legierungen und Klemmen gelöst.
Schließlich wurden in den Vereinigten Staaten und Europa in großem Umfang Leiter aus Aluminiumlegierungen in Verteilungsleitungen eingesetzt. Im United States National Electrical Code [5] NEC330.14 ist festgelegt, dass: "Massive Leiter mit Querschnittsflächen von 8, 10, 12AWG (entspricht 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2 in China) sollten aus Aluminiumlegierungen der Serie AA8000 hergestellt werden, die für elektrische Zwecke geeignet sind.
Litzenleiter von 8AWG (entspricht 8,37mm2 in China) bis 1000kcmil (entspricht 506,7mm2 in China) sind als Typ RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, Service-Eingang Typ SE Style U und SE Style R gekennzeichnet und müssen aus Leiterwerkstoffen aus Aluminiumlegierung der Serie AA-8000 hergestellt sein."
Aluminiumlegierungen, die als Leiter verwendet werden, erlebten in den 1960er und 1970er Jahren aufgrund der steigenden Kupferpreise eine rasante Entwicklung.
In der Liste der Aluminiumlegierungssorten der International Aluminum Industry Association sind die wichtigsten Aluminiumlegierungen, die als Leiter verwendet werden, die AA1000-Serie (reines Aluminium), die AA6000-Serie (Al-Mg-Si-Legierung) und die AA8000-Serie (Al-Mg-Cu-Fe-Legierung). Leiter der Serie AA1000 werden hauptsächlich in Hochspannungsfreileitungen verwendet; Leiter der Serie AA6000 aus einer Al-Mg-Si-Legierung werden vor allem in Hochspannungsfreileitungen und in Aluminium-Sammelschienen.
Beide Arten von Leitern liegen in einem harten Zustand vor, und das Schweißen ist die Hauptmethode für gemeinsame Verbindungen. Die AA8000 Al-Mg-Cu-Fe-Serie ist eine weiche Aluminiumlegierung, die tatsächlich in der Verteilungsleitung verwendet wird.
Der AA8000 Serie Aluminium Die Legierung erhielt in den 1960er und 1970er Jahren eine Reihe von Patenten.
Aluminiumlegierung
| Name der Legierung | US-Patentnummer | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
| Aluminiumlegierung | Chemische Zusammensetzung in Prozent je nach Qualität | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminium | Silizium | Eisen | Kupfer | Magnesium | Zink | Bor | Sonstiges (insgesamt) | Sonstiges (insgesamt) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 | A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 | Restwert Restwert Restwert Restwert Restwert | 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 |
Hinweis: Die Daten stammen aus dem Aluminum Electrical Conductor Handbook Third Edition.
Aufgrund des Zusatzes von Kupfer/Eisen/Magnesium spielen diese Elemente eine sehr wichtige Rolle in der Legierung:
Kupfer: Erhöht die Stabilität des elektrischen Widerstands der Legierung bei hohen Temperaturen.
Eisen: Die Kriechfestigkeit und die Druckfestigkeit werden durch 280% erhöht, wodurch durch Kriechen verursachte Relaxationsprobleme vermieden werden.
Magnesium: Kann die Kontaktpunkte erhöhen und hat eine höhere Zugfestigkeit bei gleichem Schnittstellendruck.
Leistung von Aluminiumlegierungen für weichen Draht
| Artikel | σb/MPa | σ0.2/MPa | σ/% | Leitfähigkeit /% 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 |
Anmerkung: Die Daten stammen aus Aluminum Alloys and their Processing Manual, Second Edition.
(1) Mechanische Festigkeit: Aus der Tabelle geht hervor, dass die Zugfestigkeit der Leiter der Serie AA8000 im Vergleich zu den Leitern aus reinem Aluminium AA1350 etwa 150% beträgt, und die Streckgrenze ist etwa 200% reines Aluminium.
(2) Anti-Kriech-Leistung: Im 500-Stunden-Kriechversuch zeigt sich, dass die Kriechfestigkeit der AA8000-Legierungen im Vergleich zu AA1350-Leitern aus reinem Aluminium etwa 280% beträgt und damit im Grunde das gleiche Niveau wie bei Kupferleitern erreicht wird.
| Eigenschaften des Leiters | Dichte (g/m3) | Schmelzpunkt (℃) | Linearer Ausdehnungskoeffizient | Widerstandsfähigkeit (Ω * mm2/m) | Leitfähigkeit IACS% | Zugfestigkeit (MPa) | Streckgrenze (MPa) | Dehnungsrate (%) |
| Elektrisches Kupfer (Cu) | 8.89 | 1083 | 17*10-6 | 0.017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| AA8000 Aluminiumlegierung | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0.0279 | 61.8 | 113.8 | 53.9 | 30 |
Im Vergleich zu Kupferleitern wird festgestellt, dass aufgrund des unterschiedlichen spezifischen Widerstandes der IACS von Leitern aus der Aluminiumlegierung AA8000 61,8% von Kupfer beträgt.
Wenn wir die Querschnittsfläche von Leitern aus Aluminiumlegierungen um zwei Stufen erhöhen oder sie auf 150% der Querschnittsfläche von Kupferleitern erhöhen, ist ihre elektrische Leistung gleichbleibend.
Die Zugfestigkeit von Leitern aus Aluminiumlegierungen ist nur halb so hoch wie die von Kupferleitern (113,8:220MPa).
Da die Dichte der Aluminiumlegierung AA8000 nur 30,4% von Kupferleitern beträgt, beträgt das Gewicht der Leiter aus Aluminiumlegierung nur 45% von Kupferleitern, selbst wenn die Querschnittsfläche der Leiter aus Aluminiumlegierung auf 150% der Querschnittsfläche von Kupferleitern erhöht wird.
Dadurch ist die Zugfestigkeit von Leitern aus Aluminiumlegierungen im Vergleich zu Kupferleitern relativ vorteilhaft.
Die Streckgrenze von Leitern aus der Aluminiumlegierung AA8000 liegt nahe an der von Kupferleitern, so dass die Kriechleistung von Leitern aus Aluminiumlegierungen der von Kupferleitern nahe kommt.
In Bezug auf die Bruchdehnung ist der Leiter aus einer Aluminiumlegierung im Grunde derselbe wie der Kupferleiter.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Leitern aus Aluminiumlegierungen und Kupfer ist eine direkte Verbindung von Leitern aus Kupfer- und Aluminiumlegierungen nicht geeignet. Wir gewährleisten die Zuverlässigkeit der Verbindung durch die folgende Methode.
Die Norm GB14315-2008 für Crimp-Klemmen und -Steckverbinder aus Kupfer und Aluminium für Stromkabel ist offiziell eingeführt worden.
In dieser Norm wurde auch die Kupfer-Aluminium-Übergangsklemme offiziell in die Norm aufgenommen, die eine theoretische Grundlage für die Verbindung von legierten Kabeln und Kupferschienen oder elektrischen Geräten aus Kupfer bietet.
Derzeit gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten, Kupfer-Aluminium-Übergänge zu nutzen:
(1) Legierungskabel + Kupfer-Aluminium-Übergangsklemme (die Klemme ist direkt mit der Kupferschiene verbunden).
(2) Legierungskabel + Aluminiumklemme (wenn die Aluminiumklemme mit dem verzinnten Kabel verbunden ist) KupfersammelschieneDie Schraube wird mit dem in der nationalen Norm vorgesehenen Drehmoment angezogen, und es wird eine scheibenförmige Unterlegscheibe hinzugefügt, um eine wirksame Verbindung zwischen Kupfer- und Aluminiummetall während der thermischen Ausdehnung und Kontraktion zu gewährleisten.)
(3) Legierungskabel + Aluminiumklemme + Bimetall-Unterlegscheibe (der Aluminiumteil der Unterlegscheibe ist mit der Aluminiumklemme verbunden, der Kupferteil mit der Kupfersammelschiene).
Diese Verbindungsmethoden erfordern alle einen 1000 Zyklen umfassenden Thermozyklustest gemäß IEC61238-2008 oder GB9327-2008, der eine 30-jährige Nutzung simuliert, um die Zuverlässigkeit der Kabelverbindungen zu gewährleisten.
Die von der Georgia Power Company und dem Shanghai Cable Research Institute durchgeführten Thermozyklustests haben gezeigt, dass die Verbindung von legierten Kabeln sicher und zuverlässig ist, und die experimentellen Daten zeigen, dass ihre Verbindungssicherheit sogar stabiler ist als die von Kupferleitern.
Nach Angaben des US Geological Survey (USGS) macht das Element Kupfer weniger als 0,01% des Gehalts an Elementen in der Kruste aus, während das Element Aluminium 7,73% des Gehalts an Elementen in der Kruste ausmacht.
Der Gehalt an Aluminiumelementen in der Erdkruste ist mehr als 1000 Mal so hoch wie der von Kupferelementen. Ausgehend von der derzeitigen Verbrauchsrate können die weltweiten Kupferressourcen bei einer Wachstumsrate von 3% pro Jahr noch 32 Jahre lang genutzt werden.
Was die Aluminiumvorkommen betrifft, so reichen die vorhandenen Bauxitreserven bei der derzeitigen Abbaumenge (rund 140 Millionen Tonnen pro Jahr) aus, um den Bedarf der weltweiten Aluminiumindustrie für fast 180 Jahre zu decken.
Seit 2004 hat China etwa 10% seines jährlichen Aluminiumbedarfs exportiert, was zu erheblichen Überkapazitäten geführt hat.
Gleichzeitig hat die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission (NDRC) in den Jahren 2004 bis 2006 festgestellt, dass in China jährlich mehr als 1,3 Millionen Tonnen Kupfer fehlen.
Nach Angaben des Statistischen Jahrbuchs 2008 importierte China im Jahr 2007 4,52 Millionen Tonnen Kupfererz und raffiniertes Kupfer im Wert von 27,1 Milliarden US-Dollar.
Der chinesische Markt für Kupfermetalle ist in hohem Maße von Importen abhängig, und die unstillbare Nachfrage Chinas nach Kupfermaterialien hat zu einem kontinuierlichen Anstieg der internationalen Kupferpreise geführt.
Chinesische Unternehmen sind auch mit beispiellosem Enthusiasmus ins Ausland gegangen, haben ausländische Bergbauunternehmen aufgekauft und nicht-chinesische Minen abgebaut und dafür einen Preis gezahlt, der dem chinesischen Volk noch in Erinnerung ist.
Seit Anfang 2004 sind die Kupferpreise um mehr als 200% gestiegen, während die Aluminiumpreise nicht so dramatisch schwankten wie die Kupferpreise.
Eine Änderung der starken Abhängigkeit von Kupferwerkstoffen ist der Schlüssel zur Veränderung des internationalen Verhältnisses von Angebot und Nachfrage, zur Einsparung von Devisen, zur umfassenden Nutzung der heimischen Ressourcen und zur Gewährleistung einer nachhaltigen Entwicklung der Energiewirtschaft.
Aufgrund der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften von Leitern aus Aluminiumlegierungen konnten die Nachteile der unzuverlässigen Verbindung, der geringen mechanischen Festigkeit und des leichten Kriechens von Aluminiumleitern verbessert werden.
Ihre mechanische Leistung ist mit der von Kupferleitern vergleichbar. Die elektrische Leistung kann durch Vergrößerung der Querschnittsfläche erreicht werden, die die gleiche Leitfähigkeit wie Kupferleiter aufweist.
Daher werden Leiter aus Aluminiumlegierungen häufig in Niederspannungsnetzen verwendet.
Die Förderung und Anwendung von Leitern aus Aluminiumlegierungen auf dem heimischen Markt wird eine große Menge an Kupferressourcen einsparen, die Abhängigkeit des Landes von ausländischen Kupferressourcen verringern, eine Menge Devisen einsparen und den Benutzern ermöglichen, Geld zu sparen.
Außerdem ist es für die Installateure einfacher, sie zu verlegen. Aufgrund der vielen Vorteile haben wir Grund zu der Annahme, dass die Verwendung von Leitern aus Aluminiumlegierungen in Niederspannungskabeln immer beliebter wird und der Trend, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen, eine Revolution in der Kabelindustrie auslösen wird.
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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