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.
Сравнение алюминия, стали и меди
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. Алюминий 1350-Н116 (АД0Е по ГОСТ 4784-97) 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.
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 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.
Алюминиевые профили в электротехнике
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 (рисунок 1).
Рисунок 1
Кабельные наконечники и гильзы
Кабельные наконечники и гильзы из прессованных алюминиевых труб имеют преимущества над аналогами из стали или пластика по прочности, проводимости, стоимости, коррозионной стойкости и легкости механической обработки (рисунок 2).
Рисунок 2
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 (рисунок 3).
Рисунок 3
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 (рисунок 4).
Рисунок 4
Коаксильный кабель
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.
Рисунок 5
Источник: P.
Pollak, ET 2008.
Медь или Алюминий? — Кабель-провод
Кабель медный или алюминиевый?
Кабели из какого материала лучше подойдут для проведения электричества?
На данный момент большинство электриков отдают предпочтение медной проводке вместо алюминиевой. Почему? В чем плюсы меди и недостатки алюминия?
Со времен Советского Союза вся электро-проводка была алюминиевая, а в современном строительстве таковую уже не встретить. Но чем причина глобальных перемен?
Преимущества медной проводки над алюминиевой
1. Электропроводность
Медь превосходит алюминий по электропроводности. Удельное электрическое сопротивление меди составляет 0,017 Ом*мм2/м в то время, как у алюминия 0,028 Ом*мм2/м. То есть электропроводность алюминия составляет 65% электропроводности меди, поэтому для одной и той же нагрузки алюминиевый провод придется брать сечением на «ступень» выше меди.
Например, необходимо запитать нагрузку в 5 кВт. Для нее нужно будет взять или медный провод сечением 2,5 мм2, например, NYM 3х2,5, или алюминиевый сечением 4 мм2. Так как алюминиевый провод более объемный, то он будет занимать больше места в кабель-каналах, для него потребуется клеммы для розеточных групп крупнее по размеру, чем для медных. Учитывая это, медь удобнее использовать для проводки в доме.
2. Окисление
И медь, и алюминий окисляются в процессе эксплуатации под действием воздуха. Однако у меди окисление происходит значительно медленней, и сама по себе пленка (зеленоватый налет) довольно легко разрушается, поэтому неплохо проводит ток (хотя проходимость немного ухудшается).
3. Механическая прочность
Медный провод более гибкий и прочный, чем алюминиевый. В процессе монтажа жилы приходится изгибать, например, для соединения в распредкоробках и розетках. Медные жилы могут выдержать многоразовое изгибание без повреждения, а вот алюминиевые лишь 5 — 10 изгибаний, а дальше ломаются.
Особые проблемы алюминиевая проводка создает, когда нужно ремонтировать соединения в распредкоробках — старый алюминий уже имеет микротрещины, поэтому при одном неверном движении жила может обломаться и придется снимать часть штукатурки, чтобы вытащить хоть немного провода.
4. Теплопроводность
Данный параметр характеризует способность проводника рассеивать тепло. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем лучше металл рассеивает тепло. У меди коэффициент теплопроводности составляет 389,6 Вт/м* °С, а у алюминия 209,3 Вт/м* °С. То есть медь почти в два раза лучше рассеивает тепло, чем алюминий. Особенно это важно в местах соединений, где провод греется сильнее всего.
При одной и той же нагрузке медь в два раза быстрее будет отводить тепло (точнее не нагреваться).
Превосходство алюминия над медью для ЛЭП
Но алюминий вовсе не отправлен на пенсию: воздушные линии электропередач по-прежнему выполняют из этого металла. Стало быть, и у него есть преимущества? Конечно!
1. Вес
Вес во многом определяется исходя из плотности металла. Чем выше плотность, тем тяжелее проводник. Плотность меди составляет 8900 кг/м3, а алюминия 2700 кг/м3. То есть при равном объеме медный провод будет весить в 3,3 раза больше алюминиевого. Для домашней проводки это не критично, так как провод лежит в штробах, а для воздушной линии электропередач это важный показатель. Именно поэтому для ВЛЭП используют алюминиевый провод.
2. Цена
Здесь алюминий явный победитель. Все минусы алюминия сказались на относительно невысокой цене, которая примерно в 4 раза ниже цены на медь, поэтому воздушные линии, а также вводы в дом выполняют исключительно алюминиевым проводом.
Проводит ли алюминий электричество? Что вам нужно знать
Если вы разрабатываете продукт, для которого важна электропроводность, вы можете рассматривать алюминий в качестве основного материала. Кроме того, у вас уже может быть изделие из алюминия, и вас просто интересуют электрические свойства этого популярного металла. В зависимости от вашего конкретного приложения электрические свойства материала могут быть важным фактором при проектировании.
Эта статья даст вам представление о том, как работает электропроводность, как легко электричество проходит через алюминий и чем этот металл отличается от других хорошо известных проводников, таких как медь.
Содержание
Является ли алюминий хорошим электрическим проводником?
Электричество определяется в очень сжатой форме как физическое явление потока электрического заряда. С субатомной точки зрения это означает поток электронов от одного атома к другому, что создает цепной эффект, который мы называем электрическим током.
Материалы, атомы которых позволяют электронам легко проходить через них, известны как хорошие проводники электричества, тогда как материалы, затрудняющие этот поток, являются плохими проводниками. Есть также материалы, атомы которых отказываются пропускать электроны, которые мы называем изоляторами.
В целом алюминий занимает четвертое место по электропроводности среди известных металлов. В этом списке первое и третье места занимают серебро и золото соответственно, которые слишком дороги для большинства обычных приложений. Таким образом, мы можем сказать, что алюминий занимает второе место среди наиболее доступных в практическом смысле проводящих материалов после меди.
Как объясняется в нашей статье «Марки алюминия», существует множество различных алюминиевых сплавов, классифицированных по классам или сериям, и каждый из них будет иметь разную электропроводность. Сплавы серий 1ХХХ, 6ХХХ и 8ХХХ обладают наилучшей электропроводностью среди алюминиевых сплавов.
Какие приложения используют алюминий в качестве электрического проводника?
Медь, вероятно, первый материал, который приходит на ум большинству людей, когда они думают о проводниках.
Эта реакция понятна, поскольку медь является отличным выбором для многих применений. Однако алюминий уже давно используется и в энергетике.
Алюминий все чаще используется в качестве проводника для коммунальных сетей после окончания Второй мировой войны. Хотя медь показывает лучшую проводимость по объему, алюминий имеет значительные преимущества в весе и стоимости. Алюминиевый проводник весит в два раза меньше, чем эквивалентный медный проводник. Эти преимущества делают алюминий предпочтительным материалом для проводов передачи и распределения.
Лучшее отношение электропроводности к весу, которое демонстрирует алюминий по сравнению с медью, в последнее время поощряет его использование в электропроводке для жилых домов, самолетов, зданий и приборов.
Электрические шины, которые используются для распределения электроэнергии по различным цепям внутри здания, в настоящее время чаще всего изготавливаются из алюминия. Это часто делается, когда размер не является ограничением, но могут быть вес и стоимость меди.
Влияет ли алюминиевая отделка на электропроводность?
Выбор отделки поверхности алюминиевого изделия может сильно повлиять на свойства электропроводности металла. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть естественный оксидный слой, который алюминий образует на своей поверхности.
Этот оксидный слой делает алюминий очень устойчивым к коррозии, что часто является желательным свойством. Однако слой оксида алюминия не проводит электричество; это изолятор. Учтите, что когда вы применяете обработку поверхности анодированием к алюминиевому изделию, оксидный слой становится намного толще. А последствием анодирования является то, что оно электрически изолирует нижележащий металл.
Другой типичной отделкой поверхности алюминиевых изделий является порошковое покрытие. Этот процесс придает алюминиевому изделию защитный и декоративный слой на поверхности, а также влияет на электропроводность. Полученный продукт по-прежнему будет иметь некоторую степень проводимости, поэтому он не станет изолированным, но он не будет таким проводящим, как чистый алюминий.
Если вы хотите узнать больше об этих двух типах обработки алюминиевой поверхности, вы можете прочитать нашу статью «Анодирование и порошковое покрытие».
Заключение
В целом, алюминий является отличным выбором для продуктов, которым требуются превосходные электрические проводники, вплоть до того, что во многих случаях он заменяет медь. Его превосходное отношение проводимости к весу и низкая стоимость делают его предпочтительным вариантом для все большего числа приложений, где важна электропроводность.
В конечном счете, выбор использования алюминия для электрических применений зависит от потребностей вашей конкретной конструкции.
Алюминий как электрический проводник
Одним из основных свойств многих металлов является способность проводить электричество, и алюминий является одним из лучших в этом приложении. В качестве электрического проводника немногие материалы могут соперничать с алюминием. Вот почему так много отраслей и технологий, от высокотехнологичных потребительских устройств до аэрокосмической промышленности и сверхмощных трансформаторов, обратились к алюминиевым сплавам в качестве решения.
Химический состав металла означает, что в большинстве случаев металлическая связь позволяет проводить электричество. Металлические атомы окружены постоянно движущимися электронами, которые позволяют электричеству легко перемещаться между ионами. Хотя алюминий не является лучшим металлическим проводником, его превосходят только чистое серебро (№1), чистая медь (№2) и чистое золото (№3). С другой стороны, железо — средний проводник, а нержавеющая сталь — один из худших.
Из-за очевидных расходов серебро и золото не подходят для промышленных масштабов. Это оставляет только медь в качестве более приемлемого проводника электричества, и если сравнить их, алюминий имеет много преимуществ, которые делают его более привлекательным для производителей и дизайнеров.
Сегодня мы рассмотрим, как алюминиевые сплавы используются в электрических устройствах, и что вам нужно знать при выборе марки, которая подходит именно вам.
Алюминий является естественным проводником
Во-первых, алюминий сам по себе является одним из лучших металлов для проведения электричества.
Алюминий на самом деле способен к тому, что известно как сверхпроводимость, когда электрическое сопротивление материала исчезает, а поля магнитного потока вытесняются. В обычном металлическом проводнике сопротивление будет постепенно уменьшаться по мере его охлаждения, в то время как в сверхпроводнике существует критическая температура, при которой сопротивление резко падает до нуля. Это означает, что обычный электрический ток может бесконечно сохраняться через петлю из сверхпроводящего провода без источника питания.
Для алюминия критическая температура сверхпроводимости составляет 1,2 Кельвина. Его критическое магнитное поле составляет примерно 100 Гс. Еще одним свойством алюминия является то, что он парамагнетик, поэтому ему не нужно беспокоиться о статических магнитных полях. Однако следует отметить, что на него может сильно влиять изменение магнитного поля в результате индукции вихревых токов.
По сравнению с медью алюминий обладает вдвое меньшей проводимостью (точнее, 61 процент) по сравнению с медью.
На первый взгляд, кажется, что медь является лучшим вариантом в качестве проводника, но при этом игнорируется тот факт, что алюминий составляет одну треть веса меди. Следовательно, если у вас есть два металлических провода, один медный, один алюминиевый, способные проводить одинаковое количество электричества, алюминиевый будет весить вдвое меньше. Алюминий также имеет тенденцию быть менее дорогим по этой причине.
Какие приложения чаще всего используют алюминий в качестве проводника?
Алюминий является настолько хорошим проводником электричества, что даже алюминиевую фольгу можно использовать в качестве проводника. Фольга слишком деликатна для большинства промышленных применений, но она просто демонстрирует преимущества этого материала.
Одним из наиболее известных и старых применений алюминия является электрическая проволока. Большинство изолированных силовых кабелей в электроснабжении Америки сделаны из алюминия по вышеупомянутым причинам веса и стоимости. Медные кабели будут весить намного больше, чем алюминиевые, поэтому алюминий был обнаружен в энергосистеме страны еще в конце 1800-х годов.
Помимо воздушных силовых кабелей, алюминиевая проводка также может быть найдена в некоторых самолетах, домах, электронных устройствах и приборах, таких как вентиляторы, лампы и многое другое.
Имея это в виду, при меньших размерах проводов медь часто предпочтительнее алюминия. Это связано с тем, что алюминиевая проводка имеет один недостаток, о котором вам следует знать: она может быть чрезвычайно коррозионной в сочетании с другими металлами, а это означает, что вы не можете использовать алюминиевую проволоку с медными проводниками, например. Поскольку медь использовалась во многих первых электрических устройствах, большая часть нашей инфраструктуры зависит от меди. Переход на алюминий был бы непомерно дорогим, и именно по этой причине алюминиевая проводка на протяжении многих десятилетий в основном использовалась для воздушных силовых кабелей.
Однако в последнее время все больше и больше медных проводов заменяется алюминиевыми. Это означает, что вам важно провести исследование и понять, как будет использоваться ваше приложение и каковы текущие требования к проводке (медь или алюминий).
Из чего сделаны алюминиевые электрические кабели?
Существует четыре основных типа алюминиевых силовых кабелей. Первый известен как полностью алюминиевый проводник (AAC) и состоит из алюминия класса электрических проводников. Этот алюминиевый сплав не очень прочен, и хотя его проводимость составляет 61 % от проводимости меди, его редко можно увидеть в линиях электропередачи. Вы найдете его в городских распределительных сетях, которые, как правило, имеют более короткие пролеты и более высокие требования к проводимости.
Далее идет проводник из алюминиевого сплава (AAAC), изготовленный из сплава 6201. Этот сплав обладает превосходной прочностью, его проводимость составляет около 52% меди. Он часто используется для распределения и особенно полезен в прибрежных районах из-за его коррозионной стойкости.
Алюминиевый проводник, армированный сталью (ACSR) сочетает в себе стальной сердечник со слоями проволоки из алюминиевого сплава 1350, намотанной вокруг него по спирали.
Благодаря значительно повышенной прочности, обеспечиваемой стальным сердечником, провисание значительно меньше, что делает этот тип кабеля подходящим как для передачи, так и для распределения. Вы часто обнаружите, что он используется при пересечении рек и в других местах, где требуется более высокая прочность.
Наконец, алюминиевый проводник, армированный сплавом (ACAR), сочетает в себе алюминий 1350, обернутый вокруг сердечника из алюминиевого сплава 6201. Это приводит к улучшенным электрическим и механическим свойствам, чем ACSR, что делает его более надежным, хотя и более дорогим, чем другие кабели. Его можно найти как в воздушных линиях электропередачи, так и в распределительных.
Ваш специалист по техническим услугам
Цель Clinton Aluminium — быть больше, чем просто поставщиком алюминия. Мы стремимся быть настоящими партнерами для наших клиентов. Это особенно важно при работе со сложными приложениями, связанными с электропроводностью. Мы стремимся помочь вам на каждом этапе процесса закупок.