Силовые кабели с медными и алюминиевыми жилами: анализ экономической целесообразности

Электрическая проводимость является единицей измерения генерации тока, создаваемого на поверхности металла. Проще говоря, речь идёт о том, насколько легко электрический ток может протекать по металлу. В то время как все металлы способны проводить электричество, некоторые металлы используются чаще других благодаря их высокой электропроводности. Наиболее распространёнными являются медь и алюминий. Проводники обладают различными свойствами, такими как проводимость, прочность на разрыв, вес и экологическое воздействие. Медь и алюминий даже не являются самыми проводящими металлами, несмотря на то, что они используются во многих распространённых областях применения. Ещё одно широко бытующее заблуждение состоит в том, что чистое золото – лучший проводник электричества. Хотя золото действительно обладает относительно высоким значением проводимости, оно менее проводящий материал, чем медь, и имеет почти такой же уровень проводимости, что и алюминий, но его стоимость намного выше. В то время как серебро обладает более высокой проводимостью, оно может покрыться оксидной плёнкой. Это может вызвать проблемы в тех областях, где имеет значение скин-эффект, например, такой как при токах высокой частоты. Серебро также дороже меди, и небольшое увеличение проводимости не стоит добавленной стоимости.

Медные проводники

Медь – один из древнейших известных материалов. Его пластичность и электропроводность использовались первыми экспериментаторами с электричеством, такими как Бенджамин Франклин и Майкл Фарадей. Медь использовалась в качестве проводника в таких изобретениях, как телеграф, телефон и электрический двигатель. Как упоминалось выше, за исключением серебра, медь является наиболее распространённым проводящим металлом, и она стала международным стандартом. Международный стандарт на отожжённую медь (IACS) был принят в 1913 году для сравнения проводимости других металлов с медью. В соответствии с этим стандартом коммерчески чистая отожжённая медь имеет проводимость 100% IACS. Коммерчески чистая медь, производимая сегодня, может иметь более высокие значения проводимости IACS, поскольку технология производства со временем усовершенствовалась. Кроме превосходной проводимости, медь обладает такими свойствами, как высокая прочность на разрыв, теплопроводность и тепловое расширение. Отожжённая медная проволока, используемая в электротехнических целях, соответствует требованиям спецификации ASTM B3 на мягкую или отожжённую медную проволоку.

Алюминиевые проводники

Несмотря на то, что медь имеет долгую историю как предпочтительный материал для проведения электричества, алюминий обладает определёнными преимуществами, которые делают его привлекательным для конкретных областей применения. Проводимость алюминия составляет 61 процент от проводимости меди, но его вес составляет всего лишь 30 процентов. Это означает, что неизолированная алюминиевая проволока весит вдвое меньше, чем неизолированная проволока из меди с таким же электрическим сопротивлением. Алюминий, как правило, дешевле, если сравнивать с медными проводниками. В 1960-х и 1970-х годах из-за высокой цене меди по сравнению с алюминием алюминий начал широко использоваться для проводки в жилых зданиях.

Из-за низкого качества выполнения соединений и физических различий между алюминием и медью образовывались соединения с высоким сопротивлением, которые создавали опасность возгорания. В результате были разработаны алюминиевые сплавы, обладающие свойствами ползучести и удлинения, аналогичными свойствам меди. Эти сплавы представляют собой единственные материалы для производства сплошных или скрученных многопроволочных жил, разрешённые к использованию в соответствии со статьёй 310 Национальных электротехнических норм и правил США 2014 года (National Electric Code). Сплавы отвечают требованиям стандарта ASTM B800, стандартной спецификации для проволоки из алюминиевых сплавов серии 8000 электротехнического назначения – отожжённой и промежуточного отжига.

Алюминий (Al) и медь (Cu)

Алюминий – мягкий и лёгкий металл серебристо-серого цвета. Предполагается, что земля приблизительно на 8 процентов состоит из алюминия. Он весьма редко встречается в природе. Производственный процесс очень сложный и требует большого объёма энергии. В результате электролиза получают алюминий чистотой 99,5%. Медь – металл красновато-коричневого цвета, который встречается в природе в свободном состоянии или в соединениях. С древних времён это один из наиболее часто используемых металлов в мире благодаря его мягкой структуре и простоте переработки. Хотя доля этого металла в составе земли составляет 0,01%, его, в основном, предпочитают добывать горнодобывающие компании. При сопоставлении стоимости медных и алюминиевых проводников необходимо учитывать цену, удельный вес, удельную электрическую проводимость и другие факторы для того, чтобы получить реальный ответ на вопрос о том, может ли использование алюминиевых жил обеспечить экономию расходов или нет. Сравнение меди и алюминия проводится по двум основным критериям – физические и электрические свойства обоих металлов.

Удельный вес

Одним из наиболее важных моментов, которые необходимо учитывать при сравнении двух металлов, является вес. Удельный вес меди составляет 8,89 г/см³, а удельный вес алюминия – 2,7 г/см³. Иначе говоря, при одной и той же спецификации на проводник вес медной жилы в 3,3 раза превышает вес алюминиевой жилы.

Площадь поперечного сечения

Удельная проводимость алюминия составляет всего лишь 61 процент от удельной проводимости меди, то есть поперечное сечение кабеля с алюминиевыми жилами, которое может использоваться в той же системе, что и медь, должно быть приблизительно в 1,6 раз больше поперечного сечения медной жилы.

Соотношение цен

Соотношение цен меди и алюминия – около 3,5, таким образом, стоимость эквивалентного медного проводника в семь раз выше стоимости алюминиевого проводника. Конечно, это простое сравнение стоимости не объясняет всю проблему. Как упоминалось выше, для того чтобы алюминиевый проводник имел такую же пропускную способность по току, как и медный проводник, его поперечное сечение должно быть увеличено в 1,6 раз по сравнению с сечением медного проводника. Поскольку поперечное сечение алюминиевого проводника больше, чем поперечное сечение медного проводника, необходимое в результате увеличение количества материалов изоляции, оболочки и брони алюминиевого проводника приводит к снижению ценового преимущества использования алюминиевого проводника. То есть, преимущество в цене алюминия по сравнению с медью не велико, так как стоимость проводника составляет лишь небольшую часть стоимости всего кабеля. Если взять в качестве примера кабель с медным сердечником сечением 70 мм², то стоимость медного проводника составляет около 65% от стоимости всего кабеля, в то время как стоимость кабеля с алюминиевым сердечником сечением 120 мм² при равной пропускной способности по току, может быть снижена на 23,5 %.

Прочность на разрыв

Прочность меди на разрыв приблизительно в два раза превышает прочность алюминия, но следует отметить, что поскольку эквивалентный алюминиевый проводник больше и легче, ему часто не требуется такая же степень прочности на разрыв.

Поведение при коротком замыкании

Когда происходит короткое замыкание, медные проводники защищают свою механическую прочность лучше, чем алюминиевые проводники. Использование алюминия может вызвать вытягивание и перекручивание жёстких проводников, а также может привести к изгибанию, ослаблению или сжатию гибких проводников. Алюминиевые проводники не так, как медные проводники, устойчивы к вибрации, растрескиванию и обрывам. При коротком замыкании возникает механическая усталость, которая со временем может достичь критической степени и привести к крупным обрывам.

Теплопроводность

Тепло, образующееся под действием тока, распределяется намного быстрее по медным проводникам. Это важная особенность при передаче тепла, например, во время токовой перегрузки любого двигателя. При меньшем диаметре проводника тепло быстро передаётся на поверхность более коротким путём.

Температуры плавления

Температура плавления меди выше, чем у алюминия, и это означает, что медный проводник может выдерживать механические нагрузки, которые возникают во время термоактивных процессов (расширение, сжатие и т.д.) без ухудшения своих механических свойств.

Соединения/сращивания

Ещё одним важным фактором при выборе проводящих материалов являются характеристики соединений/сращиваний. На электрические соединения влияют четыре основных механизма:

1 – окисление
2 – гальванический эффект
3 – текучесть в холодном состоянии / ползучесть
4 – тепловое расширение

Окисление

Оксид, который вызывает ухудшение контакта металла с металлом или увеличенное сопротивление контакта в месте соединения, состоит из сульфидных или неорганических плёнок. Этот эффект может вызвать нагревание поверхности контакта и повышение температуры в месте соединения, в результате чего произойдёт нарушение цепи. В отличие от алюминиевых, медные соединения редко перегреваются и не требуют какой-либо подготовки поверхности или использования антиокислителей.

Гальванический эффект

Когда алюминий и медь вступают в контакт друг с другом, алюминий может физически потерять свои структурные свойства в результате электролитического эффекта. Место соединения как механически, так и электрически разрушается вследствие сокращения контактной поверхности или коррозии.

По этой причине алюминиевый проводник, используемый в сочетании с оборудованием и арматурой, такой как контактные уплотнения, биметаллические наконечники или специальное оборудование, требует применения ряда вставок.

Текучесть в холодном состоянии / ползучесть

Для создания хорошей структуры соединения и обеспечения хорошего контакта между жилами прилагается давление. Эта операция может вызвать «текучесть» металла и, следовательно, деформацию. В то время как этот эффект, главным образом, наблюдается в алюминиевых проводниках, он настолько меньше в более жёстких медных проводниках, что является незначительным. Когда проводник находится под напряжением, деформация металла – в зависимости от уровня, длительности и температуры при механическом напряжении – называется «ползучестью». Как текучесть в холодном состоянии, так и ползучесть ведут к снижению контактного давления, увеличению сопротивления соединения и, следовательно, к перегреву. У алюминия ползучесть сильнее, чем у меди, происходит быстрее и при более низких температурах.

Тепловое расширение

В то время как в местах соединения, выполненных с помощью кабельных наконечников типа медь-медь или латунь-медь, не наблюдается ослабления, тепловое расширение алюминиевых проводников может со временем привести к ослаблению соединения.

Повышенное контактное сопротивление увеличивает вероятность перегрева и образования дуги, повышая, таким образом, риск возгорания. Медные соединения прочнее, более устойчивы к коррозии и более надёжны и долговременны, чем алюминиевые соединения (поскольку они менее чувствительны к текучести в холодном состоянии и термическим воздействиям).

Вывод

На основании вышеизложенного нельзя дать абстрактный ответ на вопрос о том, что предпочтительнее в силовых кабелях – медь или алюминий. Ответ на этот вопрос относителен и варьируется от человека к человеку и от одной области применения к другой, но в целом: если требуются приемлемые технические характеристики в дополнение к более низкой стоимости, тогда алюминий является лучшим выбором; если вы ищете высокие технические свойства, несмотря на стоимость, медь будет вашим лучшим выбором. Анализ эффективности затрат (CBA) – систематический подход к оценке сильных и слабых сторон альтернативных вариантов, используемый для определения опций, – обеспечивает лучший путь к достижению преимуществ при сохранении средств.

Автор - Nagi Ahmed Nagi Abdulmagid, технический директор компании Alfanar Cables Company (Саудовская Аравия)