El uso humano del cobre se remonta a hace 10.000 años. En el norte de Irak se desenterró una orejera de cobre de hace 8.700 años, y en China existía cerámica de bronce hace más de 4.000 años, en la época de Xia Yu.
La aplicación del cobre como conductor abarca más de 200 años, desde el descubrimiento y la aplicación de la electricidad a finales del siglo XVIII.
El aluminio, un metal relativamente joven, era conocido como "oro plateado" a mediados del siglo XIX, más precioso que el oro, hasta que en 1886 el científico estadounidense Hall desarrolló de forma independiente el método del aluminio electrolítico, allanando el camino para su producción industrial.
El uso del aluminio como conductor comenzó en 1896, cuando el británico Sir William Crookes instaló en Bolton el primer cable aéreo trenzado de aluminio del mundo.
En 1910, Hupp, de la Aluminum Association of America, inventó el cable trenzado de aluminio con alma de acero, tendido sobre las cataratas del Niágara. Desde entonces, las líneas aéreas de transmisión de alta tensión se han ido sustituyendo por cables trenzados de aluminio con alma de acero.
Además, los países occidentales industrializados empezaron a utilizar conductores de aluminio para sustituir a los conductores de cobre como hilos de distribución en 1910.
Actualmente, cerca de 14% del aluminio producido en el mundo se utiliza como material eléctrico, con Estados Unidos a la cabeza en el uso de aluminio en cables eléctricos, alcanzando cerca de 35%.
La cantidad de aluminio utilizada por los departamentos eléctricos de China representa aproximadamente un tercio del consumo total de aluminio, utilizado principalmente para la transmisión de alta tensión, mientras que la proporción de conductores de aluminio utilizados en la distribución es inferior a 5%. El uso de cobre o aluminio como conductores está influido por las condiciones históricas, nacionales y de recursos.
En los años 50, con el rápido aumento del precio del cobre, la industria mundial de alambres y cables propuso sustituir el cobre por el aluminio. Para lograr el mismo rendimiento eléctrico, el área de la sección transversal del conductor de aluminio tiene que ser dos niveles mayor o aumentar en 50% en comparación con el conductor de cobre.
En los años 60 y 70, por las mismas razones, se propuso sustituir el cobre por el aluminio. Desde 2005 hasta la actualidad, se ha vuelto a proponer sustituir el cobre por aluminio.
Con el progreso de la tecnología, esta vez sustituir el cobre por aluminio se refiere principalmente a sustituir el cobre por una aleación de aluminio. ¿Cuál es la perspectiva de sustituir el cobre por el aluminio? Necesitamos comprender mejor las propiedades de las aleaciones de aluminio, cobre y aluminio.
| Rendimiento | Aluminio | Aluminio | Cobre | Cobre | |
| Recocido (0) | Duro (H8) | Recocido | Duro | ||
| Peso atómico | 26.98 | 63.54 | |||
| Densidad/kgm-3 | 2700 | 8890 | |||
| Resistividad/nΩ-m | 27.8 | 28.3 | 17.24 | 17.77 | |
| Conductividad/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Coeficiente de temperatura de la resistencia/(nΩ-m)-K-1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| Resistencia a la tracción/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Módulo de Young/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Coeficiente de dilatación lineal/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Capacidad calorífica específica | /J（kg-K）-1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃ -cm3）-1 | 2.38 | 3.42 | |||
| Conductividad térmica/W-(m-K) | 231 | 436 | |||
| Resistencia térmica/K-W-1 | 0.491 | 0.259 | |||
| Potencial/V del electrodo de mercurio | -0.75 | -0.22 | |||
| Dureza Brinell | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Punto de fusión/℃ | 600 | 1083 | |||
| Calor de fusión/ × 105J - kg-1 | 3.906 | 2.142 | |||
Nota: Los datos proceden de la segunda edición del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
Desde el punto de vista de las normas de producción de cables, toda la fabricación de cables de alimentación sigue la norma GB12706.1-2008 "Cables de alimentación con aislamiento extruido y accesorios con tensiones nominales de 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cables con tensiones nominales de 1kV (Um=1,2kV) y 3kV (Um=3,6kV)", donde los conductores de los cables se producen de acuerdo con GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 "Conductores de Cables" tiene regulaciones explícitas, permitiendo el uso del primer o segundo tipo de conductores de cobre recocido con revestimiento metálico o sin revestimiento metálico, conductores de aluminio o de aleación de aluminio.
Resistencia a la tracción y conductividad eléctrica del aluminio eléctrico
| Estado | σb/MPa | Resistividad máxima (Ω-mm2/m) | Conductividad (mínima) / %IACS |
| 1350-0 | 58.3~98 | 0.027899 | 61.8 |
| 1350-H12 o H22 | 82.3~117.6 | 0.028035 | 61.5 |
| 1350-H14 o 24 | 102.9~137.2 | 0.028080 | 61.4 |
| 1350-H16 ó 26 | 117.6~150.9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161.7~198.9 | 0.028172 | 61.2 |
Nota: Los datos proceden de la segunda edición del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
En los años sesenta y setenta, el precio mundial del cobre se disparó. Debido a factores políticos, el cobre se reguló como material estratégico, y a nivel nacional se generalizó el uso del aluminio como principal material conductor de los cables de transmisión.
La política de "sustituir el cobre por el aluminio" se convirtió en una política técnica común en la industria eléctrica, ya que el uso de cables conductores de cobre requería aplicaciones de informes.
De ahí que las líneas principales y los ramales de los edificios civiles utilizaran todos cables de aluminio puro. Las desventajas de los conductores de aluminio puro (AA1350) se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Escasa resistencia mecánica, se rompe con facilidad,
(2) Propenso a la fluencia, lo que requiere un apriete frecuente de los tornillos,
(3) Se sobrecalienta fácilmente bajo sobrecargas, lo que supone un riesgo para la seguridad,
(4) El problema de conexión de transición entre cobre y aluminio no está bien abordada.
Estos problemas no sólo se plantean a escala nacional, sino también en la industria mundial del cable. Sin embargo, con la mejora de las relaciones internacionales y la puesta en marcha de la reforma y la apertura de China, hemos podido importar una gran cantidad de recursos de cobre del extranjero, y la diferencia de precio entre el cobre y el aluminio se ha vuelto insignificante, lo que ha llevado a una desaparición gradual de la tendencia nacional de "el aluminio sustituye al cobre".
Al mismo tiempo, los países extranjeros desarrollaron activamente nuevos conductores de aleación de aluminio para resolver los problemas de conexión entre los conductores de aleación y los terminales.
Con el tiempo, Estados Unidos y Europa utilizaron ampliamente conductores de aleación de aluminio en las líneas de distribución.
Según el Código Eléctrico Nacional Estadounidense [5] NEC330.14: "Los conductores sólidos con una sección transversal de 8, 10, 12AWG (equivalentes a tamaños domésticos de 8,37mm2, 5,26mm2, 3,332mm2) deben fabricarse con materiales de aleación de aluminio de grado eléctrico de la serie AA8000.
Los conductores trenzados de 8AWG (equivalente al tamaño doméstico de 8,37mm2) a 1000kcmil (equivalente al tamaño doméstico de 506,7mm2), etiquetados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de servicio Tipo SE Estilo U y SE Estilo R, deben estar hechos de materiales conductores de aleación de aluminio de grado eléctrico de la serie AA-8000."
El rápido desarrollo de las aleaciones de aluminio utilizadas como conductoras fue provocado por la importante subida de los precios del cobre durante las décadas de 1960 y 1970. Dentro de las designaciones de aleaciones de la Asociación del Aluminio, los principales tipos de aleaciones de aluminio utilizadas como conductores incluyen la serie AA1000 (aluminio puro), la serie AA6000 y la serie AA8000.
La serie AA1000 se utiliza principalmente para líneas aéreas de alta tensión. La serie AA6000 Al-Mg-Si (aleación de aluminio-magnesio-silicio) se emplea principalmente para líneas aéreas de alta tensión y barras colectoras de aluminio; ambos tipos de conductores existen en estado duro, y las conexiones se realizan principalmente mediante soldadura.
La serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (aleación de aluminio-magnesio-cobre-hierro) representa la verdadera aleación de aluminio blando utilizada en las líneas de distribución. La AA8000 serie de aluminio aleaciones obtuvieron numerosas patentes en los años sesenta y setenta.
| Nombre de la aleación | Número de patente de EE.UU. | |
| ANSI-H35.1 | UNS | |
| 8017 | A98017 | ...... |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | ...... |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | ...... |
| Aleación de aluminio | Porcentaje de la composición química en función de la calidad | |||||||||
| ANSI | UNS | Aluminio | Silicio | Hierro | Cobre | Magnesio | Zinc | Boro | Otros (Total) | Otros (Total) |
| 8017 | A98017 | Residuos | 0.10 | 0.55-0.8 | 0.10-0.20 | 0.01-0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03A | 0.10 |
| 8030 | A98030 | Residuos | 0.10 | 0.30-0.8 | 0.15-0.30 | 0.05 | 0.05 | 0.001-0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8076 | A98076 | Residuos | 0.10 | 0.6-0.9 | 0.04 | 0.08-0.22 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
| 8130 | A98130 | Residuos | 0.15B | 0.40-1.0B | 0.05-0.15 | ... | 0.10 | ... | 0.03 | 0.10 |
| 8176 | A98176 | Residuos | 0.03-0.15 | 0.40-1.0 | ...... | ... | 0.10 | ... | 0.05C | 0.15 |
| 8177 | A98177 | Residuos | 0.10 | 0.25-0.45 | 0.04 | 0.04-0.12 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.10 |
R: El contenido máximo de litio es de 0,03.
B: El contenido máximo de silicio y hierro es de 1,0.
C: El contenido máximo de galio es de 0,03.
Nota: Los datos proceden del Aluminum Electrical Conductor Handbook - Third Edition.
La adición de elementos de cobre, hierro y magnesio desempeña un papel crucial en la aleación:
Cobre: Mejora la estabilidad de la resistencia eléctrica de la aleación a altas temperaturas.
Hierro: Aumenta la resistencia a la fluencia y a la compresión en 280%, evitando los problemas causados por el aflojamiento inducido por la fluencia.
Magnesio: Bajo la misma presión de interfaz, puede aumentar los puntos de contacto y proporcionar una mayor resistencia a la tracción.
Rendimiento de la aleación de aluminio para cables eléctricos blandos
| Marca o nombre del producto | σb/MPa | σ0,2/MPa | δ/% | Marca o nombre del producto/%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 |
Nota: Los datos proceden de la segunda edición del "Aluminum Alloy and Its Processing Handbook".
(1) Resistencia mecánica: Como puede verse en la tabla, en comparación con el conductor de aluminio puro AA1350, la resistencia a la tracción del conductor de la serie AA8000 es de aproximadamente 150% de aluminio puro, y su límite elástico es de aproximadamente 200% de aluminio puro.
(2) Resistencia a la fluencia: Del ensayo de fluencia de 500 horas se desprende que la resistencia a la fluencia de la aleación de la serie AA8000 es aproximadamente 280% de la del conductor de aluminio puro AA1350, alcanzando esencialmente el mismo nivel que el conductor de cobre.
| Características del conductor | Cobre eléctrico (Cu) | Aleación de aluminio AA8000 |
| Densidad (g/mm³) | 8.89 | 2.7 |
| Punto de fusión (℃) | 1083 | 660 |
| Coeficiente de dilatación lineal | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Resistividad eléctrica (Ω*mm²/m) | 0.017241 | 0.0279 |
| Conductividad eléctrica IACS% | 100 | 61.8 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 220-270 | 113.8 |
| Límite elástico (MPa) | 60-80 | 53.9 |
| Índice de elongación (%) | 30-45 | 30 |
Al comparar los conductores de aleación de aluminio AA8000 y los conductores de cobre, observamos que, debido a las diferencias de resistividad, sus valores de la Norma Internacional del Cobre Recocido (IACS) varían.
La aleación de aluminio AA8000 es 61,8% del valor del cobre. Cuando aumentamos el área de la sección transversal del conductor de aleación de aluminio en dos grados o lo elevamos a 150% del área de la sección transversal del conductor de cobre, su rendimiento eléctrico se alinea.
En términos de resistencia a la tracción, el conductor de aleación de aluminio es sólo la mitad que el de cobre (113,8 frente a 220 MPa).
Sin embargo, como la densidad de la aleación de aluminio AA8000 es sólo 30,4% de la del conductor de cobre, incluso cuando el área de la sección transversal del conductor de aleación de aluminio se aumenta a 150% de la del conductor de cobre, el peso del conductor de aleación de aluminio es sólo 45% del conductor de cobre.
Esta situación proporciona al conductor de aleación de aluminio ciertas ventajas en resistencia a la tracción sobre el conductor de cobre.
El límite elástico del conductor de aleación de aluminio AA8000 es próximo al del conductor de cobre, lo que permite que las propiedades de fluencia del conductor de aleación de aluminio se aproximen a las del conductor de cobre.
En términos de alargamiento a la rotura, el conductor de aleación de aluminio y el conductor de cobre son esencialmente iguales.
Debido a los diferentes coeficientes de dilatación del conductor de aleación de aluminio y el conductor de cobre, no son adecuados para la conexión directa. Garantizamos la fiabilidad de su conexión mediante los siguientes métodos.
Se ha implementado formalmente la norma GB14315-2008 de terminales de cobre y aluminio de tipo engarzado y tubos de conexión para conductores de cables de alimentación.
En esta norma también se ha incorporado oficialmente el terminal de transición cobre-aluminio, que proporciona una base teórica para conectar cables de aleación a barras colectoras de cobre y equipos eléctricos.
Los principales métodos actuales para la transición cobre-aluminio son los siguientes:
1) Cable de aleación + terminal de transición cobre-aluminio (el terminal se conecta directamente al barra colectora de cobre).
2) Cable de aleación + terminal de aluminio (cuando se conectan el terminal de aluminio y la barra colectora de cobre estañado, apriete los tornillos de acuerdo con los valores de par de apriete previstos por la norma nacional, y añada una arandela de disco para mantener la conexión efectiva del cobre y el aluminio durante la dilatación y contracción térmicas).
3) Cable de aleación + terminal de aluminio + arandela bimetálica (la parte de aluminio de la arandela conecta con el terminal de aluminio, y la parte de cobre conecta con la barra colectora de cobre).
Todos estos métodos de conexión requieren 1.000 pruebas de ciclos térmicos de acuerdo con IEC61238-2008 o GB9327-2008, simulando 30 años de uso para garantizar la fiabilidad de las conexiones de los cables.
Las pruebas de ciclos térmicos realizadas por el Power Board de Georgia (Estados Unidos) y el Instituto de Investigación de Cables de Shanghai demuestran que las conexiones de los cables de aleación son seguras y fiables. Los datos de los informes experimentales indican que su fiabilidad es incluso más estable que la de los conductores de cobre.
Según los datos del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), el contenido de cobre en la corteza terrestre es inferior a 0,01%, mientras que el aluminio constituye 7,73%.
Así, el contenido de aluminio es más de 1.000 veces superior al del cobre. Sobre la base de las tasas de consumo actuales, con una tasa media de crecimiento anual de 3%, los recursos mundiales de cobre durarán otros 32 años.
Sin embargo, considerando la escala actual de extracción de aluminio (alrededor de 140 millones de toneladas/año), las reservas existentes de bauxita pueden satisfacer las necesidades de la industria mundial del aluminio durante casi 180 años.
Dadas las excelentes propiedades eléctricas y mecánicas de los conductores de aleación de aluminio, han mejorado la poca fiabilidad de las conexiones de aluminio, la insuficiente resistencia mecánica y la propensión a la fluencia.
Estos conductores son similares al cobre en cuanto a rendimiento mecánico y, al aumentar el área de la sección transversal, pueden alcanzar la misma conductividad que el cobre, lo que los hace ampliamente aplicables en sistemas de distribución de baja tensión.
La promoción de los conductores de aleación de aluminio en el mercado nacional puede ayudar al país a ahorrar una cantidad significativa de recursos de cobre, reducir la dependencia de los recursos de cobre extranjeros, ahorrar una cantidad sustancial de divisas, y también proporcionar ciertos ahorros económicos para los usuarios, facilitando la instalación a los instaladores.
Con tantas ventajas, es razonable creer que la aplicación de conductores de aleación de aluminio en cables eléctricos de baja tensión será ampliamente aceptada. La tendencia a sustituir el cobre por aluminio podría desencadenar una transformación en la industria del cable.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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