Über neue Aluminiumkabel in Russland

Einführung

VON 20 Martha 2019 Jahr in Russland Änderung Nr. 2 des Joint Ventures wurde in Kraft gesetzt 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий». Изменение №2 разрешает применение кабелей и проводов с жилами из алюминиевых сплавов марок 8030 und 8176 (таблица 1) в электропроводке при строительстве жилых и общественных зданий. Это изменение вводит также некоторые дополнительные правила по работе с алюминиевыми проводами и кабелями.

Измененный свод правил СП 256.1325800.2016 дает возможность применять провода и кабели с жилами из алюминиевых сплавов не только в распределительных сетях зданий, которые осуществляют питание квартир, но и в самих квартирах.

Tabelle 1 - Chemische Zusammensetzung von Aluminiumlegierungen 8176 und 8030
по ГОСТ Р 58019-2017 (с учетом поправки по ИУС №5 2018 г.)

Ниже представлен обзор проблем и решений по алюминиевой проводке, а также практики применения алюминиевой проводки в США и Канаде.

«Старая» алюминиевая проводка

Aluminiumverkabelung, которая устанавливалась в жилых зданиях с середины 1960-х годов, wie es gilt, явилась причиной многих пожаров. Поэтому с 2003 года в России она была запрещена для применения в жилищном строительстве. Токопроводящими жилами этой проводки в то время являлась проволока из нагартованного алюминия марки АД0Е по ГОСТ 4784 (таблица 2). Основной причиной проблем с этой алюминиевой проводкой являлось ослабление и перегрев контактных соединений алюминиевого провода с так называемыми электроустановочными изделиями, то есть с розетками, выключателями и т. P.

Похожие проблемы с алюминиевой проводкой происходили и за рубежом. beispielsweise, в США и Канаде эти проблемы начались после того, wie, mit ... anfangen 1965 des Jahres, в связи с нехваткой и дороговизной меди стали массово применять алюминиевые провода и кабели, einschließlich, для разводки электрической проводки внутри домов. Это была проводка с жилами из марки алюминия 1350 в нагартованном состоянии H19. Химический состав марки алюминия 1350 (таблица 3) практически совпадает с химическим составом АД0Е [1].

Tabelle 2 – Химический состав марки алюминия АД0E (ГОСТ 4784-97)

Tabelle 3 – Химический состав марки алюминия 1350 по стандарту ANSI H35.1 [2]


Алюминий марки 1350 успешно применялся и применяется до сих пор в воздушных линиях электропередачи от электростанций до трансформаторных подстанций. В этом случае алюминий имеет неоспоримые преимущества перед медью благодаря своему малому удельному весу.

Проблемыстаройпроводки и их решения

Причинами проблем со «старой» алюминиевой проводкой с жилами из алюминия марки АД0Е или марки 1350 считаются следующие особенности его свойств по сравнению с медной проводкой [2,3]:

  • выше ползучесть
  • ниже пластичность
  • выше температурное расширение
  • окисление поверхности контакта
  • гальваническая коррозия в контакте с латунью и сталью.

1) Ползучесть

Проблема:

  • Алюминий марки АД0Е (1350) под постоянной нагрузкой в контактном соединении проявляет ползучесть, что приводит к ослаблению электрического контакта (рисунок 1). Ползучесть – это, упрощенно, медленная пластическая деформация при напряжениях ниже предела текучести. Cm. mehr Details Hier.


Bild 1 – Ползучесть алюминия и ослабление контакта [13]

Решение:

  • Алюминиевые жилы из сплавов 8030 und 8017 имеют более высокую стойкость к ползучести, которая близка к той, которой обладают медные жилы. Это достигается, meist, за счет повешенного содержания железа (рисунок 2).

Bild 2 [13]

2) Пластичность

Проблема:

Проволоку из алюминия 1350 применяли в алюминиевой проводке в полностью нагартованном состоянии Н19. В этом состоянии предел прочности лишь незначительно превышает предел текучести, а относительное удлинение составляет всего 1,5-2 % (Bild 3) [6]. С этим связана «хрупкость» этой алюминиевой проволоки и ее чувствительность к надрезам и вмятинам.

Рисунок 3– Изменение пределов прочности и пластичности
при нагартовке и отжиге алюминия [5]

Решение:

  • Алюминиевые жилы из сплавов 8030 und 8176 имеют состояние Н2х, то есть с применением промежуточного отжига, что дает относительное удлинение не менее 10 % [7].

3) Температурное расширение

Алюминий при нагреве увеличивает свои размеры и объем в большей степени, чем другие материалы, которые находятся вместе с ним контактном соединении, z.B, латунь или сталь. Это вызывает температурные напряжения и, häufig, пластические деформации, что приводит к уменьшению площади контакта и к еще большему его нагреву (рисунок 4) [8].

(а)

(б)

Bild 4 [9]

Решение:

  • Коэффициент температурного расширения алюминия практически не зависит от легирующих элементов или технологии [2]. Для компенсации повышенного температурного расширения алюминиевой проводки применяют специальные контактные устройства из материалов, близких по температурному расширению (рисунок 5) [8].
  • Для алюминиевой проводки категорически не применяют так называемые вставные контакты, когда провод «втыкается» в контактное устройство [9]. Эти контакты являются очень чувствительными к различиям температурного расширения материалов контактного устройства и алюминиевого проводника.

Bild 5 [8]

4) Окисление поверхности контакта

Проблема:

  • Свежая поверхность алюминия мгновенно покрывается пленкой из оксида алюминия. Оксид алюминия является электрическим изолятором. Толщина этой пленки зависит от температуры и влажности окружающей среды.

Решение:

  • Bei einer Temperatur 25 ºС толщина оксидной составляет всего 2-50 нм. Механическое усилие, которое прилагается к алюминиевому проводу винтом или пластиной легко «проламывает» хрупкий слой оксида алюминия. Außerdem, напряжения, которое применяется в распределительных сетях зданий (обычно от 120 zu 480 В) достаточно, чтобы преодолеть изолирующие свойства естественного оксида алюминия [3,4].
  • Zum, чтобы получить максимально хорошее соединение лучше удалить оксидный слой с поверхности алюминиевого проводника и нанести на него токопроводящую смазку. Это особенно важно для проводников, которые работают во влажной или коррозийной атмосфере, при высокой температуре или при длительном сроке службы. Токопроводящая смазка предотвращает дальнейший рост оксидной пленки и, Außerdem, исключает попадание на поверхность контакта влаги или другого электролита, что исключает гальваническую коррозию (см. ниже).

5) Гальваническая коррозия алюминия

Проблема:

  • Материалами, которые применяются в контактном соединении с алюминием, могут оказаться другие металлы, z.B, сталь или латунь. При наличии влаги это может приводить к образованию гальванической пары и вызывать гальваническую коррозию алюминия (см. Bild 3). Эта коррозия ухудшает условия контакта и также может вызывать перегрев контактного соединения.

Решение:

  • Применение специальных контактных устройств из материалов, не вызывающих гальваническую коррозию алюминия (см. Bild 4);
  • Применение специальной контактной смазки (см. выше пункт 4)).

«Новые» алюминиевые сплавы в США и Канаде

Электротехнические сплавы серии 8000

Еще в начале 1970-х годов в США и Канаде были разработаны несколько новых алюминиевых сплавов для изготовления алюминиевых проводов и кабелей. Стандарт ASTM B 800 [8] включает 6 таких сплавов, часть из них были запатентованы. Все они имеют повышенное содержание железа, а также добавки некоторых других элементов. Основные различия химического состава, z.B, Aluminiumlegierung 8030 и марки алюминия 1350 in der Abbildung gezeigt 6.

Bild 6 – Сравнение химического состава
Aluminiumlegierung 8030 и марки алюминия 1350 [13]

В настоящее время для изготовления алюминиевых кабелей и проводов применяются только два алюминиевых сплава – 8030 und 8176 (таблица 4) [8-12]. Europäische Norm EN 573-3 также включает в серию 8000 только эти два электротехнических алюминиевых сплава (таблица 5). Для удобства сравнения показана также таблица 6 с химическим составом сплавов 8030 und 8176 по ГОСТ Р 58019.

Tabelle 4 – Сплавы 8030 und 8176 в ASTM B 800

Tabelle 5 – Сплавы 8030 und 8176 в EN 573-3

Tabelle 6 – Химический состав сплавов 8176 und 8030 по ГОСТ Р 58019-2017

«Американские» и «российские» сплавы 8030 und 8176

Отметим, что российские сплавы 8030 und 8176 существенно отличаются от своих американских и европейских аналогов (см. Tabellen 4-6). In den Bildern 7 und 8 показаны пределы содержания основных легирующих элементов в сплаве 8030 (железо-медь) и 8176 (железо-кремний) по ASTM B 800 и по ГОСТ Р 58019. Российские сплавы имеют значительно более низкое содержание легирующих элементов – Drüse, меди и кремния.

Bild 7 – Пределы содержания железа и меди в сплаве 8030
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Bild 8 – Пределы содержания железа и кремния в сплаве 8176
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Алюминиевые жилы в американском NEC

Согласно американскому Национальному электрическому кодексу (NEC) все алюминиевые жилы должны изготавливаться из электротехнических алюминиевых сплавов серии 8000:

  • Цельныеразмеры 12, 10 und 8 AWG
  • Многожильные – aus 8 AWG и более.

Алюминиевые жилы менее 12 AWG (3,31 мм2) в Кодексе не рассматриваются.

Справка:

  • American wire gauge (AWG) – это стандартизированная система размеров для диаметров круглых токопроводящих жил – от 40 zu 0000(4/0). Чем больше число AWG, тем меньше физический размер жилы. Фрагмент таблицы AWG см. на рисунке 9.


Рисунок 9– Фрагмент таблицы AWG

Применение алюминиевых проводов в США и Канаде

В настоящее время в США и Канаде алюминиевые провода из сплавов 8030 und 8176 доступны на рынке только начиная с размера AWG 8 (8,37 мм2) [10]. Это можно видеть также в каталогах и презентациях производителей алюминиевых проводов и кабелей, которые в 1970-х годах первыми начали применять сплавы 8030 und 8176 – Alcan Cable и Southwire [11-13]. Для внутренней проводки нужны алюминиевые провода с размерами AWG 10 и AWG 12.

В презентации компании Alcan представлена наглядная схема стандартного применения алюминиевых проводов и кабелей для передачи электроэнергии от электростанций к жилым домам (рисунок 10) [13]: везде, но не внутри самих домов!


Bild 10 – Применение алюминиевых проводов в США и Канаде [13]

При строительстве новых жилых домов для разводки внутренней проводки, allgemein, применяют медные провода – об этом прямо указано и на сайте американской Алюминиевой Ассоциации [14].

Gleichzeitig, для подключения крупных бытовых потребителей электрической энергии – сушилок, кондиционеров, бойлеров, электроплит – обычно применяют именно алюминиевые кабели. Außerdem, во многих американских домах для подвода электрической энергии от общей электрической сети до распределительного щитка дома также применяют кабели с алюминиевыми жилами. В этих случаях применяют алюминиевые жилы 8 und 6 AWG (8,37 и 13,3 mm2) [6].

Für das letzte 20 лет значительно возросло применение алюминиевых проводов в качестве «фидерных» (подводящих) электрических линий для высотных зданий, больниц, отелей, стадионов и, уже в последнее время, дата-центров [3].

Учиться работе с алюминиевыми проводами и кабелями

Американская Алюминиевая Ассоциация прикладывает много усилий по продвижению алюминиевой продукции, einschließlich, алюминиевой кабельной продукции. Примером этого служит, z.B, объемное руководство по алюминиевым электрическим проводникам Aluminum Electrical Conductor Handbook [15].

Американская Алюминиевая Ассоциация и Национальная Ассоциация Электротехнических Подрядчиков (NECA) совместно разработали и регулярно обновляют Стандарт NECA/AA 104-2012 [9] по правилам установки алюминиевых проводов и кабелей в электрических сетях зданий. Этот стандарт является руководством по работе с алюминиевыми проводами и кабелями, которое включает много подробных иллюстраций.

Fazit

1. Работа с алюминиевыми проводами и кабелями для внутренней и наружной проводки зданий, einschließlich, aus Legierungen 8030 und 8176 требует дополнительных знаний и навыков по сравнению с работой с медными проводами и кабелями. Для этого, z.B, в США и Канаде, разрабатываются и распространяются специальные стандарты, руководства и рекомендации, а также проводятся семинары и тренинги.

2. В США и Канаде провода и кабели из алюминиевых сплавов 8030 und 8176 применяют в основном, начиная с размера 8 AWG. Такие кабели применяют для подключения крупных бытовых потребителей электроэнергии, таких как сушилки, бойлеры, кондиционеры, а также для подвода электроэнергии от общих сетей к распределительным щиткам индивидуальных домов. Для разводки внутренней проводки при строительстве новых домов алюминиевые провода и кабели с размерами 10 AWG и 12 AWG практически не применяются.

3. За последние два десятилетия в США и Канаде расширилось применение проводов и кабелей из алюминиевых сплавов 8030 und 8176 для подводящих (фидерных) линий подачи электроэнергии для высотных жилых, офисных зданий и дата-центров, а также крупных сооружений, z.B, стадионов.

Quellen:

  1. Изменение №2 к СП 256.1325800.2016 – 19.09.2018.
  2. Aluminium und Aluminiumlegierungen / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.
  3. Кабели силовые с токопроводящими жилами из сплавов алюминия для электропроводок в жилых зданиях / Каменский М.К., Недайхлиб Т.А., Фрик А.А. – Кабели и провода№3, 2018.
  4. Aluminum Alloy Conductors: 45 Years of Reliable Installations /Christel HunterIAEI News magazineJanuary 18, 2016.
  5. Design of Aluminium structures: Selection of Structural Alloys Structural Design according to Eurocode 9 /R. Gitter – EUROCODES: Background and Applications, 2008.
  6. ASTM B 230 Standard Specification for Aluminum 1350–H19 Wire for Electrical Purposes.
  7. ASTM B 800 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wire for Electrical Purposes – Annealed and Intermediate Tempers.
  8. Evaluation of Aluminum Cable / Breck Booker, Southwire – 2011.
  9. NECA/AA 104-2012 Recommended Practice for Installing Aluminum Building
    Wire and Cable.
  10. The Evolution of Aluminum Conductors Used for Building Wire and Cable – National Electrical Manufactures Association (NEMA), 2012.
  11. Building Wire – Product Catalog – Alcan Cable
  12. https://www.southwire.com/Building-Wire/c/building-wire
  13. Stabiloy, Aluminum or copper? /Alex MakAlcan – 2008
  14. Technical Information on Electrical AluminumAluminum Association, 2019
  15. Aluminum Electrical Conductor Handbook /Aluminum Association, 1989.