Борьба с гальванической коррозией или технологии присоединения алюминия к меди

Медь и алюминий — два металла, наиболее часто используемые при изготовлении токопроводящих жил в кабельно-проводниковой продукции. Алюминий, в силу небольшой стоимости (порядка трех-четырех раз ниже стоимости меди) получил широкое распространение в производстве силовых кабелей. Однако этот металл обладает рядом особенностей и недостатков, оказывающих существенное влияние на качество и надежность электрического соединения. По своей электропроводимости алюминий значительно уступает меди, серебру и золоту, поэтому алюминиевая кабельная жила в сравнении с медной обладает более слабой способностью выдерживать длительные токовые нагрузки, что приходится компенсировать увеличением ее сечения. К недостаткам алюминия можно отнести его быструю окисляемость на открытом воздухе, в результате чего на поверхности проводника образуется тугоплавкая (с температурой плавления около 2000°С) окисная плёнка, обладающая высоким сопротивлением и плохо проводящая электрический ток.

 

Помимо этого в энергетике существует проблема подключения кабелей с алюминиевыми жилами к медным шинам электрических шкафов и медных устройств. Это связано с разными электрохимическими потенциалами меди и алюминия, которые, в свою очередь, под воздействием влажной агрессивной внешней среды образуют гальваническую пару. В результате электрокоррозии ухудшается качество контакта, как следствие, происходит нагрев места соединения и потеря электроэнергии. По этой причине контактные соединения Al и Cu необходимо защищать от проникновения влаги специальными пастами или наносить на них дополнительное покрытие (как правило — олово) для избегания прямого контакта двух разнородных металлов.

 

Cu

2++2e = Cu  | E = 0,34B
Al³⁺+3e = Al     | E = -1,66B

На практике существуют следующие варианты присоединения алюминиевого наконечника к медной шине:

• Наиболее грамотным и профессиональным является монтаж с использованием биметаллических алюмомедных наконечников, контактная часть лопатки которых изготавливается из электротехнической меди, а хвостовик — из алюминия. Среди всех возможных модификаций алюмомедных наконечников наиболее надежными являются наконечники, изготовленные по технологии сварки трением
• Применение дополнительной прокладки в виде оцинкованной стальной шайбы уменьшает вероятность образования гальванической пары Al-Cu. Однако, использование стали с ее низкой электропроводимостью негативно сказывается на качестве контакта
• Абсолютно недопустимым, но, к сожалению, иногда используемым способом является прямое подключение алюминиевого наконечника к медной шине Однако помимо вышеупомянутых допустимых и недопустимых способов присоединения алюминиевых наконечников к электрическим аппаратам с медными шинами существует еще один экономный, практичный и профессионально грамотный метод монтаж с применением алюмомедной шайбы ШАМ (КВТ)
• Для обеспечения безопасного и долговечного подключения алюминиевых наконечников к медным шинам, во избежание прямого гальванического контакта, а также снижения себестоимости конструкции рекомендовано использование специальных алюмомедных шайб ШАМ производства электротехнического завода КВТ в качестве биметаллической прокладки между медной шиной и контактной лопаткой алюминиевого наконечника.  

Использование данного продукта позволяет:

• Предотвратить гальваническую коррозию
• Полностью ликвидировать потери электроэнергии, возникающие при протекании процесса электротехнической коррозии между алюминием и медью
• Избежать перегревания места соединения
• Обеспечить быстрый и удобный монтаж за счет несложной конструкции
• Охватить несколько типоразмеров как алюминиевых, так и медных наконечников и шин
• Найти достойную и экономически выгодную альтернативу алюмомедным наконечникам

Алюминий или медь, вечное противостояние

27.03.2018

В настоящее время основным материалом для обмотки низкого напряжения сухих трансформаторов, мощность которых составляет более 15 кВА, является алюминий. В некоторых странах преобладающим намоточным материалом выступает медь. Рассмотрим основные различия алюминия и меди.

Одной из основных причин выбора обмоток из алюминия является низкая начальная стоимость. Это обусловлено тем, что этот материал более распространен в природе. Более дорогой является покупка медного проводника, цена которой исторически более изменчива. В отличие от меди, алюминий имеет большую пластичность, поэтому легче поддается сварке. Это также обуславливает дешевизну этого материала в производстве. Но для надежного соединения алюминия требуются квалифицированные сварщики, имеющие большое количество знаний и опыта. Легче дело состоит во время соединения меди.

Существует множество аргументов в электротехнической промышленности о плюсах и минусах использования алюминия вместо меди. Мнения меняются до сих пор. Ниже приведем основные характеристики материалов и рассмотрим все преимущества и недостатки.

Рассмотрим ложные и истинные сведения о применении алюминия.

Бытуют ложные мнения о том, что:

• оконечные заделки трансформаторов, намотанных алюминием несовместимы с медной линией и силовыми кабелями;
• соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками;
• обмотки низкого напряжения трансформаторов, намотанные медью, лучше подходят для «ударных» нагрузок. Объясняется это тем, что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия;
• устройства с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем трансформаторы с медными обмотками;
• трансформаторы с алюминиевыми обмотками больше греются, потому, что медь обладает лучшей теплопроводностью.

Правдивыми сведениями об алюминии являются:

• оконцевание выводов должным образом — более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов;
• трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками;

 

5 основных различий между медью и алюминием

Существует пять различий между алюминием и медью, которые вызывают беспокойства в выборе материала для обмотки:

1. Возможность соединения.

Оксиды, хлориды и недрагоценные металлы более проводящие на меди, чем на алюминии. Этот делает более важной для алюминия очистку и защиту соединителей. Бытует мнение о несовместимости соединения меди с алюминием. Остается под вопросом и сопряжение соединений алюминия трансформаторов и медного провода присоединения.

2. Коэффициент расширения.

Алюминий при изменении температуры расширяется практически на треть больше меди. Такое расширение и пластичность алюминия вызывает проблемы для ненадлежаще смонтированных болтовых соединений. Избежать ослабления соединения позволит его подпружинивание. Необходимо использовать прижимные или чашевидные шайбы. С их помощью обеспечится нужная эластичность при сочленении, без сжатия алюминия. При использовании надлежащей арматуры соединения алюминия могут сравняться по качеству с медным.

3. Теплопроводность.

Существует мнение, раз теплопроводность у меди выше, то это влияет на снижение хот-спот температуры обмотки трансформатора. Такое утверждение является верным при условии, что проводники обмоток из меди и алюминия имеют одинаковый дизайн, размер и геометрию. Из этого следует, что для силовых трансформаторов, имеющих заданный размер, характеристики теплопроводности алюминия и меди будут очень близки. Для достижения такой же электропроводности, как у меди, у алюминия она должна быть больше на 66% по площади поперечного сечения.

4. Электропроводность

Часто аргументируют неполноценность проводимости алюминия. Это происходит из-за того, что он имеет 61% от проводимости меди. Поэтому происходят более высокие потери в обмотках трансформатора, изготовленных из алюминия. Чтобы способствовать удержанию температуры в изоляции, трансформаторы, в которых используются обмотки из алюминия разрабатывают с проводниками большего поперечного сечения, чем у меди. Такая процедура приводит, в среднем, к одинаковым потерям как для алюминия, так и для меди. Можно сделать вывод, что силовые трансформаторы аналогичной конструкции с одинаковым нагревом имеют практически аналогичные потери, и материал проводника не имеет значения.

5. Прочность на разрыв

Алюминий имеет более низкую прочность на растяжение и предел текучести. Это вызывало беспокойства в использовании этого материала при циклических нагрузках. 

Нагрузки с большими токовыми бросками, создающие приводы постоянного тока, приводят к появлению электромагнитных сил, вызывающих движение проводников и смещение обмотки. Алюминий имеет 38% от предела прочности меди. Но это сравнение основано на равных площадях поперечного сечения.

Чтобы обеспечить равный рейтинг трансформаторам с алюминиевыми и медными обмотками необходимо, чтобы обмотки имели площадь поперечного сечения на 66% больше, чем устройства с обмотками из меди.

Способность силового трансформатора противостоять долговременным воздействиям бросков нагрузки, в большинстве зависит от соответствующего баланса обмотки и крепления соединительных проводов. Существенной разницы между алюминиевыми и медными обмотками силовых трансформаторов низкого напряжения в механических повреждениях при испытаниях не обнаружено.

Подключение

На сегодняшний день подключение является наиболее распространенной причиной ущербов в использовании обмоток трансформаторов из алюминия. Как медь, так и алюминий под воздействием атмосферы склонны к окислению и другим химическим изменениям. Проблема состоит в том, что окись алюминия представляет собой хороший изолятор. В свою очередь, оксид меди не является очень проблематичным в болтовых соединениях. Предотвратить окисление позволит зачистка контактов вместе с качественным соединением. Рекомендации можно отнести к любому проводящему материалу, но они наиболее существенны для алюминия. Приходим к выводу, что болтовые соединения, изготовленные из алюминия, не рекомендуется использовать без покрытия с медью.

Столкновение теории и практики

Существует множество аргументов, способствующих использованию как меди, так и алюминия.

Одна из теорий фокусируется на разнообразных методах выполнения медных и алюминиевых соединений. Внутренние соединения медных обмоток трансформатора, как правило, паяные. В свою очередь, соединения алюминия свариваются с использованием инертного газа. Сварка алюминия в инертном газе дает сплошной алюминий, который соединен без потери проводимости.

Существует утверждение, медная окись в течение долгого времени продолжает формироваться. Она отслаивает наружную медь и повреждает весь проводник. С другой стороны, алюминиевая окись формирует защитное покрытие на открытых металлических поверхностях. Это препятствует окислению через несколько миллионных долей сантиметра. Не исключены проблемы при эксплуатации трансформатора в коррозионных атмосферных или экстремальных нагрузочных условиях. Но среднестатистическому потребителю не стоит волноваться, потому что у медных и алюминиевых силовых трансформаторов есть отличный послужной список долгих лет практического применения.Единственной причина, чтобы отдать предпочтение меди — ограниченность пространства. Намотанный медью силовой трансформатор имеет меньшие габариты чем с алюминиевой обмоткой.

Выбор алюминиевой или медной обмотки сводится к личным предпочтениям потребителя. Спрос на сухие силовые трансформаторы с низковольтными обмотками из алюминия будет расти из-за главного преимущества над медью — более низкой стоимости. Прежде, чем вложить средства медные трансформаторы, исследуйте причины предпочтения меди в технических характеристиках.

< ПредыдущаяСледующая >

Плюсы и минусы медных и алюминиевых проводов

В проводке обычно используются два типа металла: медь и алюминий. Их выбирают из-за их эффективности, простоты использования и доступности. У каждого есть свои преимущества и недостатки, и знание их может помочь избежать проблем, которые варьируются от раздражающих до катастрофических.

Плюсы и минусы алюминиевой проводки
Алюминиевая проволока широко использовалась в домашней и коммерческой электропроводке с конца 60-х до конца 70-х годов из-за скачка цен на медь. Он по-прежнему примерно вдвое дешевле меди, намного легче и более податлив, чем медь, что упрощает работу с ним. Его меньший вес делает его лучшим выбором, когда электрический ток необходимо передавать на большие расстояния, например, между опорами электропередач.

При правильной установке он абсолютно безопасен.

Вот тут-то и могут начаться проблемы — при неправильном использовании алюминия.

Алюминий расширяется, когда через него проходит ток, и сжимается, когда через него не проходит ток. Это расширение и сжатие может привести к ослаблению соединений с течением времени, в результате чего мерцание и опасное искрение могут привести к пожару. В некоторых условиях он может даже стать достаточно горячим, чтобы расплавить определенные приспособления, поэтому важно знать, какие типы приспособлений и разъемов можно использовать с алюминиевой проводкой.

Алюминий также более подвержен коррозии, чем медь, а это означает, что срок его службы может быть короче, поскольку он становится хрупким и подвержен поломкам.

Плюсы и минусы медной проводки
Медь проводит электричество лучше, чем алюминий, более долговечна и менее подвержена коррозии, не так сильно расширяется и сжимается, что делает многие типы соединений более безопасными. С другой стороны, он тяжелее и в два раза дороже, что делает его плохим выбором для длительных пробегов без поддержки.

Почему они не могут поладить?
Правильно соединенные алюминиевые и медные провода могут быть друзьями, но в основном из-за их различных скоростей расширения и сжатия эти соединения должны выполняться осторожно. Стандартные проволочные гайки и винты не предназначены для соединения меди и алюминия; для этой цели существуют специальные разъемы с маркировкой Cu-Al, и их необходимо использовать во избежание проблем.

Поскольку домовладельцы и домашние мастера часто меняют или заменяют розетки, выключатели и светильники, строительные подрядчики обычно используют медь, за исключением изолированных высоковольтных цепей, например, для печей, духовок, водонагревателей и печей. Таким образом, домашнему мастеру не нужно беспокоиться, поскольку широко используемые устройства предназначены для медных соединений.

Если вы знаете или даже подозреваете, что к вашим обычным розеткам и выключателям подключена алюминиевая проводка, обязательно используйте только устройства, специально предназначенные для соединений медь-алюминий.

Нужна помощь? Позвоните профессионалу
Зачем рисковать неприятностями, если для получения помощи достаточно одного звонка или щелчка мышью? Ремонт, реконструкция, реконструкция и дополнения требуют первоклассных электромонтажных работ, и Allstar Electrical Services обеспечивает качественные результаты, которых вы ожидаете и заслуживаете. Мы работаем рука об руку с вами и вашими подрядчиками, чтобы гарантировать, что ваш проект будет выполнен правильно, в рамках бюджета и графика.

Мы обслуживаем компанию Front Range более 20 лет, имеем высшие рейтинги BBB и Angie’s List и гордимся тем, что являемся предпочтительным подрядчиком Home Advisor и членом независимых подрядчиков по электротехнике.

В зависимости от ваших потребностей в электроснабжении позвоните в Allstar Electrical по телефону (303) 399-7420 или посетите наш веб-сайт. Затем используйте наши удобные онлайн-формы, чтобы запросить оценку или назначить встречу.

Приготовление проводящей альтернативы меди с алюминием

Александра Фрейботт, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Алюминий всего на треть дешевле и весит медь, но его электропроводность составляет всего около 60%. Относительно низкая проводимость алюминия может быть ограничением в некоторых реальных приложениях. Кредит: Шеннон Колсон | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

В мире электричества медь является королем — пока. Это может измениться благодаря новому исследованию Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), которое предлагает рецепт повышения проводимости алюминия, что делает его экономически конкурентоспособным с медью. Это исследование открывает двери для экспериментов, которые — если они будут полностью реализованы — могут привести к сверхпроводящей алюминиевой альтернативе меди, которая будет полезна на рынках за пределами линий электропередач, произведя революцию в транспортных средствах, электронике и энергосистемах.

«Что, если бы вы могли сделать алюминий более проводящим, хотя бы на 80% или 90% таким же, как у меди? Вы могли бы заменить медь, и это имело бы огромное значение, потому что более проводящий алюминий легче, дешевле и более распространен», — сказал Кирти.

Каппагантула, материаловед PNNL и соавтор исследования. «Это общая проблема, которую мы пытаемся решить».

Медь по сравнению с алюминием

Спрос на медь быстро превышает ее текущее наличие, увеличивая ее стоимость. Медь — отличный электрический проводник — она используется во всем, от портативной электроники до подводных кабелей передачи, питающих Интернет, — но нельзя избежать того факта, что медь становится менее доступной и более дорогой. Ожидается, что эти проблемы будут только усугубляться с ростом числа электромобилей (EV), для которых требуется в два раза больше меди, чем для традиционных автомобилей. Кроме того, медь тяжелая, что снижает эффективность электромобиля.

Алюминий всего в три раза дешевле и легче меди, но его электропроводность составляет всего около 60%. Относительно низкая проводимость алюминия может быть ограничением в некоторых реальных приложениях.

«Проводимость имеет ключевое значение, потому что более легкий провод с эквивалентной проводимостью может использоваться для разработки более легких двигателей и других электрических компонентов, поэтому ваш автомобиль потенциально может преодолевать большие расстояния», — сказал Каппагантула. «Все, от автомобильной электроники до выработки энергии и передачи этой энергии в ваш дом через сеть для зарядки аккумулятора вашего автомобиля — все, что работает на электричестве, — все это может стать более эффективным».

Повышение проводимости алюминия изменит правила игры.

«В течение многих лет мы думали, что металлы нельзя сделать более проводящими. Но это не так», — объяснил Каппагантула. «Если вы измените структуру металла и введете правильные добавки, вы действительно сможете повлиять на его свойства».

Чтобы выяснить, насколько можно увеличить проводимость алюминия, Каппангантула и докторант PNNL Адитья Ниттала объединились с заслуженным профессором Дэвидом Драболдом и аспирантом Каши Субеди из Университета Огайо, чтобы определить влияние температуры и структурных дефектов в алюминии. электропроводность и разработать поатомный рецепт для увеличения ее электропроводности.

Успех модели

Этот тип молекулярного моделирования никогда ранее не применялся для металлов, поэтому исследователям пришлось проявить творческий подход. Они искали вдохновение в полупроводниках, потому что предыдущие исследования успешно моделировали проводимость этих материалов на основе кремния и некоторых оксидов металлов. Команда адаптировала эти концепции для работы с алюминием и смоделировала, что произойдет с проводимостью металла, если отдельные атомы в его структуре будут удалены или перегруппированы. Эти крошечные изменения привели к большому увеличению общей проводимости.

Способность модели имитировать реальные условия удивила даже команду. «Мы не думали, что эти результаты будут так близки к реальности», — сказал Каппагантула. «Эта имитация модели, основанная на атомной структуре и ее различных состояниях, настолько точна, что я подумал: «Вау, это точно в цель». Это весьма захватывающе.»

Теперь, когда теоретический рецепт изменения проводимости металла ясен, исследователи планируют посмотреть, насколько они могут увеличить проводимость алюминия в лаборатории, чтобы привести теорию в соответствие с экспериментальными результатами.