Проводники из алюминия, меди и алюминиевых сплавов: Сравнение | MachineMFG

Проводники из алюминия, меди и алюминиевых сплавов: Сравнение

0
(0)

1. Введение:

Использование меди человеком прослеживается уже 10 000 лет назад. На севере Ирака был обнаружен артефакт возрастом 8 700 лет - медная ушная чашка. В Китае бронзовые изделия появились более 4 000 лет назад в эпоху Ся Ю.

Сайт применение меди как проводник имеет более чем 200-летнюю историю с момента его открытия и применения в конце XVIII века для получения электричества.

Алюминий, как молодой металл, в середине XIX века называли "серебряным золотом", даже более ценным, чем золото.

Только в 1886 году американский ученый Холл самостоятельно исследовал и разработал электролитический метод получения алюминия, что сделало возможной индустриализацию.

Алюминий начали использовать в качестве проводника в 1896 году, когда британский ученый Колли построил первый воздушный алюминиевый многожильный провод в Болтоне.

В 1910 году Американская алюминиевая ассоциация изобрела алюминиевый многожильный провод со стальной оболочкой и установила его над Ниагарским водопадом.

С тех пор воздушные высоковольтные линии электропередач постепенно заменяются алюминиевыми многожильными проводами со стальным сердечником. Кроме того, в 1910 году развитые индустриальные страны Европы и Америки начали использовать алюминиевые провода вместо медных в качестве распределительных линий.

В настоящее время около 14% произведенного в мире алюминия используется в качестве электротехнических материалов. Наибольший процент алюминия, используемого в проводах, приходится на США и составляет около 35%.

В Китае количество алюминия, используемого в электротехнической промышленности, составляет около трети от общего объема потребления алюминия в стране, в основном для высоковольтных линий электропередач.

Однако доля алюминиевых проводников, используемых в распределении электроэнергии, составляет менее 5%. Выбор между медь и алюминий проводников зависит от исторических факторов, национальных условий, ситуации с ресурсами и других факторов.

В 1950-х годах цена на медь стремительно росла, и мировая индустрия производства проводов и кабелей предложила заменить медь алюминием.

Чтобы достичь таких же электрических характеристик, площадь поперечного сечения алюминиевых проводников должна быть на два уровня больше, чем у медных, или увеличиться на 50%.

Такое же предложение было выдвинуто в 1960-х и 1970-х годах по тем же причинам. С 2005 года предложение о замене меди алюминием поднимается вновь.

С развитием технологий, на этот раз для замены меди на алюминий используется в основном алюминиевый сплав, а не чистый алюминий.

Каковы перспективы замены меди на алюминий? Мы должны лучше понимать свойства алюминиевых сплавов, меди и алюминия.

2. Сравнение меди и алюминия

2.1 Сравнение производительности между алюминием и медью (20℃)

алюминийАлюминийМедь
ОтожженныйХард (H8)ОтожженныйHard
Атомный весплотность/кгм-3удельное сопротивление/n Ω - mconductivity/% IACS26.98
2700
63.54
8890
27.8
62
28.3
61
17.24
100
17.77
97
Температурный коэффициент сопротивления/(n Ω - m) - K-1    0.1 0.1 0.09825 0.09525 
Прочность на разрыв/МПа 80-110 150-200 200~270 350470 
Положительный модуль упругости/МПа 63 63 120 120 
Коэффициент линейного расширения/ × 10-6K-123231717
Удельная теплоемкость/J(kgK)-1/J(℃.cm3)-1900
2.38
392
3.42
Теплопроводность/Вт - (м - К) -1  231436
Термическое сопротивление/К - Вт-10.4910.259
Потенциал каломельного электрода/V-0.75-0.22
Твердость по Бринеллюоколо 25около 45около 60около 120
Температура плавления /℃6001083
Теплота плавления/ × 105Jkg-13.9062.142

Примечание: Данные взяты из "Справочника по алюминиевым сплавам и их обработке", 2-е издание.

2.2 Применение медных и алюминиевых проводников в силовых кабелях

Что касается стандартов кабельной продукции, то 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 кабеля производятся в соответствии с GB/T3956-2008.

GB/T3956-2008 "Проводники для кабелей" содержит четкие положения, согласно которым может использоваться первый или второй тип отожженного медного проводника с позолоченным металлическим слоем или без него, либо проводник из алюминия или алюминиевого сплава.

Прочность на разрыв и электропроводность алюминия

Государствоσb/МПаУдельное сопротивление (макс.)
/(Ω мм2) m-1
Проводимость (мин)
/% IACS
1350-O58.3~980.02789961.8
1350-H12 или H2282.3~117.60.02803561.5
1350-H14 или 24102.9~137.20.02808061.4
1350-H16 или 26117.6~150.90.02812661.3
1350-H19161.7~198.90.02817261.2

Примечание: Данные взяты из "Справочника по алюминиевым сплавам и их обработке", 2-е издание.

2.3 Проблемы применения алюминиевых проводников в силовых кабелях

В 1960-х и 1970-х годах цены на медь взлетели по всему миру. Из-за политических факторов медь считалась стратегическим материалом и подлежала торговому контролю.

В результате алюминий стал широко использоваться в качестве основного проводникового материала для кабелей электропередачи, а "замена меди алюминием" стала общепринятой технической политикой в электротехнической промышленности.

Для выбора кабелей с медными жилами необходимо было получить разрешение.

Поэтому для магистральных и разветвленных линий гражданских зданий использовались кабели из чистого алюминия.

Недостатки проводников из чистого алюминия (AA1350) проявляются в основном в следующих аспектах:

(1) Низкая механическая прочность, легко сломать.

(2) Подвержен сползанию, винты необходимо регулярно подтягивать.

(3) Легко перегружается и выделяет тепло, что приводит к угрозе безопасности.

(4) Не существует хорошего решения проблемы соединения медно-алюминиевого перехода.

С этими проблемами сталкивается не только Китай, но и вся мировая кабельная промышленность. С улучшением международной ситуации и реализацией политики реформ и открытости в Китае мы можем легко импортировать большое количество медных ресурсов из-за рубежа, а разница в цене между медью и алюминием невелика.

Таким образом, замена меди на алюминий постепенно становится все менее популярной в Китае. В то же время зарубежные страны активно разрабатывают новые проводники из алюминиевых сплавов и решают проблемы соединения проводников из сплавов с клеммами.

В конце концов, в США и Европе широко применяются проводники из алюминиевого сплава в распределительных линиях. В Национальном электрическом кодексе США [5] NEC330.14 указано, что: "Сплошные проводники с площадью поперечного сечения 8, 10, 12AWG (эквивалент 8,37 мм2, 5,26 мм2, 3,332 мм2 в Китае) должны быть изготовлены из алюминиевого сплава серии AA8000.

Многожильные проводники от 8AWG (эквивалент 8,37 мм2 в Китае) до 1000 кмил (эквивалент 506,7 мм2 в Китае) маркируются 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 с электрическим классом".

Поведение высокотемпературной ползучести кабелей из твердого чистого алюминия при монтаже железных винтов

3. Проводники из алюминиевого сплава

3.1 Развитие проводников из алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, используемые в качестве проводников, получили бурное развитие в 1960-х и 1970-х годах в связи с резким ростом цен на медь.

В списке марок алюминиевых сплавов Международной ассоциации алюминиевой промышленности основными алюминиевыми сплавами, используемыми в качестве проводников, являются сплавы серии AA1000 (чистый алюминий), серии AA6000 (сплав Al-Mg-Si) и серии AA8000 (сплав Al-Mg-Cu-Fe). Проводники серии AA1000 в основном используются в высоковольтных воздушных линиях; проводники серии AA6000 из сплава Al-Mg-Si в основном используются в высоковольтных воздушных линиях и алюминиевые шины.

Оба типа проводников существуют в твердом состоянии, и сварка является основным методом соединения. Серия AA8000 Al-Mg-Cu-Fe - это мягкий алюминиевый сплав, который действительно используется в распределительных линиях.

AA8000 алюминиевая серия В 1960-х и 1970-х годах сплав получил ряд патентов.

Алюминиевый сплав

Название сплаваНомер патента США
ANSI-H35.1UNS 
8017A98017 
8030A980303711339
8076A980763697260
8130A98130 
8176A98176RE28419
 8176 A98176RE30465
8177A98177 

3.2 Основной химический состав проводников серии AA8000 следующий:

Алюминиевый сплавПроцентное соотношение химического состава в зависимости от качества
ANSIUNSАлюминийКремнийЖелезоМедьМагнийЦинкБорДругое (всего)Другое (всего)
8017
8030
8076
8130
8176
8177
A98017
A98030
A98076
A98130
A98176
A98177
Остаточный остаток Остаточный остаток Остаточный остаток0.10
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
  • О: Максимальное содержание лития составляет 0,03.
  • B: Максимальное содержание кремния и железа составляет 1,0.
  • C: Максимальное содержание галлия составляет 0,03.

Примечание: Данные взяты из справочника Aluminum Electrical Conductor Handbook Third Edition.

3.3 Сравнение проводников серии AA8000 с проводниками из чистого алюминия (AA1350).

Благодаря добавлению элементов меди/железа/магния, эти элементы играют очень важную роль в сплаве:

Медь: Повышает стабильность электрического сопротивления сплава при высоких температурах.

Железо: Прочность против ползучести и прочность на сжатие повышаются благодаря 280%, что позволяет избежать проблем с релаксацией, вызванной ползучестью.

Магний: Позволяет увеличить количество точек контакта и обладает более высокой прочностью на разрыв при одинаковом давлении на интерфейс.

Характеристики алюминиевого сплава для мягкой проволоки

Артикулσb/МПаσ0.2/МПаσ/%Проводимость
/% IACS
135074.527.53263.5
Triple E9567.73362.5
Супер-Т9567.63362.5
X8076108.860.82261.5
Stabiloy113.853.92061.8
NiCo108.867.72661.3
X8130102.060.82162.1

Примечание: Данные взяты из руководства "Алюминиевые сплавы и их обработка", второе издание.

(1) Механическая прочность: Из таблицы видно, что по сравнению с проводниками из чистого алюминия AA1350, прочность на разрыв проводников серии AA8000 составляет около 150% по сравнению с чистым алюминием, а предел текучести составляет около 200% чистого алюминия.

(2) Защита от сползания: При 500-часовом испытании на ползучесть видно, что по сравнению с проводниками из чистого алюминия AA1350, характеристики сплавов серии AA8000 против ползучести составляют около 280% по сравнению с чистым алюминием, в основном достигая того же уровня, что и медные проводники.

3.4 Сравнение проводников из алюминиевого сплава и меди.

Характеристики проводниковПлотность
(г/м3)
Температура плавления
(℃)
Коэффициент линейного расширенияСопротивление
(Ω * мм2/m)
Проводимость
IACS%
Прочность на разрыв
(МПа)
Предел текучести
(МПа)
Скорость удлинения
(%)
Электротехническая медь (Cu)8.89108317*10-60.017241100220-27060-8030-45
Алюминиевый сплав AA80002.766023*10-60.027961.8113.853.930

При сравнении с медными проводниками выяснилось, что из-за разного удельного сопротивления IACS проводников из алюминиевого сплава AA8000 составляет 61,8% по сравнению с медными.

При увеличении площади поперечного сечения проводников из алюминиевого сплава на два уровня или до 150% от площади поперечного сечения медных проводников, их электрические характеристики остаются неизменными.

Прочность на разрыв проводников из алюминиевого сплава в два раза меньше, чем у медных проводников (113,8:220 МПа).

Поскольку плотность алюминиевого сплава AA8000 составляет всего 30,4% от плотности медных проводников, даже если площадь поперечного сечения проводников из алюминиевого сплава увеличивается до 150% от площади поперечного сечения медных проводников, вес проводников из алюминиевого сплава составляет всего 45% от веса медных проводников.

Это делает прочность на разрыв проводников из алюминиевого сплава относительно более выгодной по сравнению с медными проводниками.

Предел текучести проводников из алюминиевого сплава AA8000 близок к пределу текучести медных проводников, поэтому характеристики ползучести проводников из алюминиевого сплава близки к характеристикам медных проводников.

По показателю удлинения при разрыве проводник из алюминиевого сплава практически не отличается от медного проводника.

Из-за различий в коэффициентах расширения проводников из алюминиевого сплава и меди нецелесообразно соединять проводники из меди и алюминиевого сплава напрямую. Мы обеспечиваем надежность соединения с помощью следующего метода.

3.5 Надежность соединения

Официально введен в действие стандарт GB14315-2008 для обжимных медных и алюминиевых клемм и соединителей для проводников силовых кабелей.

В данный стандарт также официально включен переходный терминал медь-алюминий, обеспечивающий теоретическую основу для соединения кабелей из сплава и медных шин или электрооборудования, изготовленного из меди.

В настоящее время существует три основных способа использования медно-алюминиевых переходов:

(1) Кабель из сплава + медно-алюминиевая переходная клемма (клемма напрямую соединена с медной шиной).

(2) Кабель из сплава + алюминиевая клемма (когда алюминиевая клемма подключена к луженой медная шинаВинт затягивается в соответствии со значением крутящего момента, предусмотренным национальным стандартом, и добавляется шайба в форме диска для обеспечения эффективного соединения между медью и алюминием при тепловом расширении и сжатии).

(3) Сплавный кабель + алюминиевая клемма + биметаллическая шайба (алюминиевая часть шайбы соединена с алюминиевой клеммой, а медная часть соединена с медной шиной).

Все эти способы соединения требуют 1000 циклов испытаний на термоциклирование в соответствии с IEC61238-2008 или GB9327-2008, имитирующих 30 лет эксплуатации, чтобы обеспечить надежность кабельных соединений.

Испытания на термоциклирование, проведенные Georgia Power Company и Shanghai Cable Research Institute, показали, что соединение кабелей из сплавов безопасно и надежно, а экспериментальные данные свидетельствуют о том, что надежность их соединения даже выше, чем у медных проводников.

4. Состояние ресурсов меди и алюминия

4.1 Глобальная перспектива ресурсов меди и алюминия

По данным Геологической службы США (USGS), на элемент медь приходится менее 0,01% от содержания элементов в земной коре, а на элемент алюминий - 7,73% от содержания элементов в земной коре.

Содержание элемента алюминия более чем в 1000 раз превышает содержание элемента меди в земной коре. Исходя из текущих темпов потребления, мировые запасы меди могут использоваться еще 32 года при темпах роста в 3% в год.

Что касается алюминиевых ресурсов, то, исходя из нынешних масштабов добычи (около 140 миллионов тонн в год), существующих запасов бокситов достаточно для удовлетворения потребностей мировой алюминиевой промышленности в течение почти 180 лет.

4.2 Состояние ресурсов меди и алюминия на внутреннем рынке

С 2004 года Китай экспортировал около 10% своего годового спроса на алюминий, что привело к серьезному избытку мощностей.

В то же время, согласно статистике Национальной комиссии по развитию и реформам, с 2004 по 2006 год ежегодный дефицит медных материалов в Китае превышал 1,3 миллиона тонн.

Согласно данным Китайского статистического ежегодника за 2008 год, в 2007 году Китай импортировал 4,52 миллиона тонн медной руды и рафинированной меди, а стоимость импорта меди и продуктов ее переработки составила 27,1 миллиарда долларов США.

Китайский рынок медных металлов в значительной степени зависит от импорта, а ненасытный спрос Китая на медные материалы привел к постоянному росту мировых цен на медь.

Китайские компании также с небывалым энтузиазмом вышли за рубеж, приобретая иностранные горнодобывающие компании и разрабатывая некитайские рудники, заплатив за это цену, которую до сих пор помнит китайский народ.

С начала 2004 года цены на медь выросли более чем на 200%, в то время как цены на алюминий колебались не так резко, как цены на медь.

Изменение серьезной зависимости от медных материалов - это ключ к изменению соотношения спроса и предложения на международном рынке, экономии иностранной валюты, полному использованию внутренних ресурсов и обеспечению устойчивого развития энергетической отрасли.

Международные цены на алюминий за последние шесть лет (в долл. США/тонна) Источник: Лондонская биржа металлов.

Международные цены на медь за последние шесть лет (единица измерения: доллар США/тонна) Источник: Лондонская биржа металлов.

5. Заключение

Благодаря отличной электропроводности и механическим свойствам проводников из алюминиевого сплава, были устранены такие недостатки алюминиевых проводников, как ненадежность соединения, низкая механическая прочность и легкая деформация.

Их механические характеристики сравнимы с характеристиками медных проводников. Электрические характеристики могут быть достигнуты за счет увеличения площади поперечного сечения, которое имеет такую же проводимость, как и у медных проводников.

Поэтому проводники из алюминиевого сплава широко используются в низковольтных распределительных системах.

Продвижение и применение проводников из алюминиевого сплава на внутреннем рынке позволит сэкономить большое количество медных ресурсов, уменьшить зависимость страны от иностранных медных ресурсов, сэкономить большое количество иностранной валюты и позволит пользователям экономить деньги.

Это также облегчает монтажникам их установку. Имея множество преимуществ, мы имеем основания полагать, что применение проводников из алюминиевого сплава в низковольтных силовых кабелях будет становиться все более популярным, а тенденция замены меди алюминием вызовет революцию в кабельной промышленности.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх