Алюминий в электротехнике

Алюминий для электротехнической промышленности

Так сложилось много лет назад, что большинство инженеров, конструкторов и проектировщиков в электротехнической промышленности считают медь и сталь практически единственными материалами, с которыми можно работать. Это связывают, в частности, с тем, что в конце 19-го века, когда зарождалась электрическая промышленность, доступного алюминия практически еще не было.

В настоящее время ситуация совершено другая: алюминия в мире производят где-то в два раза больше чем меди и объемы производства алюминия уступают только объемам производства стали.

В последние годы цены на сталь и медь растут значительно быстрее, чем цены на алюминий. В результате некоторые потребители, которые традиционно  применяли медь, переходят на алюминий. Однако сравнение физических и экономических  характеристик этих металлов «кричит» о том, что замен стали и меди на алюминий должно быть намного больше. Поэтому не удивительно, что применение алюминия в электротехнической отрасли неуклонно возрастает.

Свойства материала как электрического проводника

Для инженера-электрика наиболее важными свойствами и характеристиками материалов являются:

• плотность,
• электрическая проводимость,
• прочность,
• термическое расширение и
• коррозионная стойкость.

Алюминий, сталь и медь

Сравнение свойств алюминия, стали и меди [1]:

• Плотность (г/см³):
  Алюминий 1350: 2,70
  Сталь: 7,86
  Медь (отожженная): 8,93
• Объемная проводимость (% IACS):
  Алюминий 1350: 61
  Сталь: 8
  Медь (отожженная): 100
• Удельная проводимость (на единицу массы):
  Алюминий 1350: 100 %
  Сталь: 4 %
  Медь (отожженная): 50 %
• Предел прочности (МПа):
  Алюминий 1350: 125
  Сталь: 300
  Медь (отожженная): 235
• Предел текучести (МПа):
  Алюминий 1350: 110
  Сталь: 170
  Медь (отожженная): 104
• Линейное термическое расширение (10^-6 м/м·°С):
  Алюминий 1350: 22
  Сталь: 13
  Медь (отожженная): 17

Электрические свойства

Отожженная медь имеет проводимость 100 % IACS. Сокращение IACS – обозначает «Международный стандарт по отожженной меди» –  сравнительная единица измерения электрической проводимости.Электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 200 °C составляет 63,8 % Международного стандарта на отожженную медь (IACS). Из-за низкого удельного веса массовая электропроводность чистого алюминия более чем в два раза выше, чем у отожженной меди, и выше, чем у любого другого металла (Fig. 1). Удельное сопротивление при 200 °C составляет 2,69 мкОм·см [2].

Электропроводность, обратная удельному сопротивлению, является одним из наиболее чувствительных свойств алюминия, на которое влияют как изменения состава, так и термическая обработка. Добавление других металлов в алюминиевые сплавы снижает электропроводность алюминия, поэтому это должно компенсироваться любыми дополнительными преимуществами, которые могут быть получены, такими как увеличение прочности. Термическая обработка также влияет на проводимость, поскольку легирующие элементы в твердом растворе производят большее сопротвление электрическому току, чем они же в нерастворенном состоянии.

Алюминий 1350-Н116 имеет проводимость 61 % IACS, то есть эквивалентная меди проводимость будет достигаться при большем поперечном сечении алюминия. Однако поскольку алюминий намного легче меди этот увеличенный алюминиевый проводник будет весить в два раза меньше чем медный (8,93/2,70×0,61=2,02). В результате один килограмм алюминия будет обеспечивать ту же проводимость что и два килограмма меди. Поэтому, когда нет жестких ограничений по размерам проводника, для токопроводящих шин, кабелей и проводов вместо меди все чаще применяют алюминий [2].

Прочность

При одинаковых сечениях и медь, и сталь, конечно, прочнее алюминия. Однако прочность алюминия можно увеличить легированием и термомеханической обработкой, а также увеличить его толщину. Кроме того, поскольку технология прессования алюминия позволяет получать в отличие, например, от стали, поперечные сечения очень сложной формы. Поэтому алюминиевый элемент может быть сконструирован таким образом, чтобы конструкционно быть более эффективным, чем стальные элементы.

Сопротивление коррозии

В отличие от стали поверхность алюминия не нужно красить или покрывать, например, цинком, а потом следить, чтобы она не заржавела. Естественный слой оксида алюминия изолирует металл от дальнейшего контакта с воздухом и предотвращает дальнейшее окисление. При малейшем повреждении этого слоя он мгновенно сам восстанавливается.

Заблуждения и мифы

Алюминиевые проводники являются достаточно надежными. Все провода воздушных линий электропередач – алюминиевые. Они имеют многолетнюю репутацию надежной службы.

Однако еще в 60-70-е годы прошлого века сложилось мнение о проблемах  с алюминиевой проводкой в жилых домах и квартирах, в частности, возможном перегреве их соединений. Тщательные исследования этого вопроса, например, в Канаде, показали, что алюминиевые провода не являются в этом смысле какими-то особенными: при неправильном обращении перегреваться могут любые провода. Более того, в сотнях тысяч домов и квартир по всему миру алюминиевые провода продолжают работать. Другое дело, в 60-70-е годы никто не предполагал, что дома и квартиры будут так «напичканы» электрическим приборами: сечения алюминиевых проводов можно было заложить и потолще.

Aluminum Electrical Conductors

Очень хорошие электрические свойства алюминия сделали его очевидным выбором для применения в электротехнической промышленности, особенно в распределении электроэнергии, где он используется почти исключительно для воздушных линий электропередач и сборных шин. Первая крупная алюминиевая линия электропередачи была завершена в 1898 году в США: трехфазная линия протяженностью 46 миль для Standard Electric Company of California от Блю-Лейкс до Стоктона.

Позже его использование стало гораздо более распространенным, когда была обнаружена возможность армировать трос (обычно из сплава 1350) оцинкованной стальной проволокой, которая увеличивала пролеты без слишком большого провисания. Хотя этот продукт все еще используется, высокопрочные (сплав 6061) полностью алюминиевые многожильные кабели в настоящее время предпочтительны для некоторых линий, поскольку можно достичь более высокого натяжения линии, что может быть применено для увеличения расстояния между опорами или, альтернативно, для уменьшения их высоты [2] (Fig. 2).

Fig. 2 – Применение алюминиевых проводов в США и Канаде [3]

Electrical uses of aluminium extrusion  

Уличные и шоссейные осветительные столбы

Алюминиевые прессованные столбы имеют преимущества перед, например, стальными столбами, за счет их меньшего веса, меньшего соотношения прочность-вес, хорошего внешнего вида, долговременной коррозионной стойкости, низкой стоимости обслуживания, а также большей безопасности, особенно при применении специальных безопасных оснований. Когда на такой столб наезжает на большой скорости автомобиль, это основание разрушается и позволяет столбу двигаться вместе с автомобилем. Это снижает мощность удара по автомобилю и степень повреждений водителя и пассажиров. Это основание так «хитро» спроектировано, что оно разрушается от удара об столб, но выдерживает воздействующие на столб ветровые нагрузки.

Токопроводящие шины

Для всех типов шин применяют прессованный алюминий там, где это позволяет место для их размещения, так как они, в первую очередь, намного дешевле, а также их намного легче гнуть (Fig. 3).

Fig. 3 – Aluminium bus bars

Electrical connector bodies

Кабельные наконечники и гильзы из прессованных алюминиевых труб имеют преимущества над аналогами из стали или меди  по прочности, проводимости, стоимости, коррозионной стойкости и легкости механической обработки (Fig. 4).

Fig, 4 – Electrical connector bodies

Каналы для прокладки кабелей

Каналы для прокладки кабелей все чаще применяют из прессованного алюминия, а не из стали или пластика, так как они обеспечивают достаточную прочность, имеют малый вес, обладают высокой коррозионной стойкостью, являются немагнитными и огнестойкими (Fig. 5).

Fig. 5 – An electrical chanel

Шкафы электрических подстанций

Алюминиевые профили предпочтительнее, например, оцинкованной стали, за счет минимального технического обслуживания, прочности, коррозионной стойкости, малого веса (особенно при монтаже в полевых условиях и на высоте). Алюминиевые профили и листы легко подрезать и сверлить прямо «по месту», а главное, их не надо красить для защиты от коррозии.

Распределительные траверсы электрических столбов

Распределительные траверсы электрических столбов (те, которые горизонтальные) из прессованного алюминия обеспечивают необходимую прочность, но при этом мало весят и не требуют никакого технического обслуживания.

Радиаторы-гребенки

Прессованные алюминиевые пластинчатые радиаторы для рассеивания тепла («гребенки») весьма эффективны за счет высокой теплопроводности, малого веса, низкой стоимости. Главное преимущество алюминия – способность прессоваться во много  очень тонких ребер (Fig. 6).

Fig. 6 – An aluminium heat sink

Outer conductor of CATV cable 

Наружный проводник коаксильного телевизионного кабеля чаще всего выполняют не из медной трубы, а из более дешевой алюминиевой. Технология изготовления такого кабеля представлена на рисунке 5.

Fig. 7 – The manufacturing steps of outer conductor of CATV cable 

 

Источники:

1. P. Pollak / ET 2008.
2. TALAT 1501
3. Stabiloy, Aluminum or copper? /Alex Mak – Alcan – 2008