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.

Материалы с высокой проводимостью | Электротехника

К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности.

Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление.

Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси.

Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.

Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр.

При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается.

Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.

В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы.

Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.

Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см ). Для увеличения прочности и улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.

По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.

Что такое алюминий и его электропроводность?

20 декабря 2022 г. 20 декабря 2022 г. | 11:50

Алюминий — широко распространенный металл, который широко используется в повседневной жизни.

Одним из наиболее важных его свойств является его способность проводить электричество, но как алюминий соотносится с другими металлами, когда дело доходит до проведения электричества? Давайте исследуем электропроводность алюминия и то, что делает его уникальным.

Что такое алюминий и почему он так популярен?

Алюминий — это серебристо-белый металл, легкий, прочный и устойчивый к коррозии. По этим причинам он имеет широкий спектр применения в современной жизни, от автомобилей и самолетов до электроники и строительных материалов. Но одним из важнейших свойств алюминия является его электропроводность.

Как алюминий сравнивается с другими металлами, когда дело доходит до проведения электричества?

Все металлы являются хорошими проводниками электричества, но некоторые лучше других. Медь имеет самую высокую электропроводность среди всех металлов, за ней следуют серебро, золото, алюминий, железо и т. д. Алюминий имеет примерно одну треть электропроводности электропроводность меди (59 процентов по IACS). Это означает, что алюминий выделяет больше тепла, чем медь, при одинаковом количестве энергии, проходящей через проводник, что в определенных ситуациях может привести к таким проблемам, как короткое замыкание или отказ оборудования. Однако это также означает, что алюминий может работать с более высокими токами более эффективно, чем медь, что делает его идеальным для таких приложений, как воздушные линии электропередач или электродвигатели, где важно снижение веса.

Алюминий также имеет более низкое удельное сопротивление, чем медь, , что означает, что он может выдерживать более высокие напряжения без риска искрения или искрения между компонентами. Это делает его идеальным для высоковольтных линий электропередачи и других приложений, где необходимо минимизировать изоляцию или сопротивление. Кроме того, алюминий обладает лучшими тепловыми свойствами, чем другие металлы, поэтому он может быстро рассеивать тепло, что делает его пригодным для электронных компонентов, таких как радиаторы или печатные платы, где рассеивание тепла имеет решающее значение.

Заключение

Таким образом, алюминий предлагает много преимуществ по сравнению с другими металлами, когда речь идет об электропроводности и сопротивлении, благодаря более низкому удельному сопротивлению и лучшим термическим свойствам. Его меньший вес делает его идеальным выбором для высоковольтных линий электропередачи, а также для сильноточных приложений, таких как электродвигатели или печатные платы, где необходимо максимальное рассеивание тепла. В общем, алюминий зарекомендовал себя как отличный проводник электричества!

 

Piping Mart

Pipingmart — это портал B2B, специализирующийся на промышленных, металлических и трубопроводных изделиях. Кроме того, делитесь последней информацией и новостями, касающимися продуктов, материалов и различных типов марок, чтобы помочь бизнесу в этой отрасли.

Алюминий в качестве электрического проводника

Одним из основных свойств многих металлов является способность проводить электричество, и алюминий является одним из лучших в этом применении. В качестве электрического проводника немногие материалы могут соперничать с алюминием. Вот почему так много отраслей и технологий, от высокотехнологичных потребительских устройств до аэрокосмической 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 являются жизнеспособными вариантами в промышленных масштабах. 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 по своей природе является 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.

Одно из самых известных и старых применений алюминия — электрические провода. 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 вы должны 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% по сравнению с медью. 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.