Алюминиевые кабели или медные кабели?

Алюминиевые кабели или медные кабели?

Все статьи

С развитием технологий инвесторы ищут различные продукты, эквивалентные существующим, чтобы снизить свои затраты. В кабельной отрасли этот поиск особенно заметен при сравнении алюминия и меди, используемых в качестве сырья для производства кабелей.

 

Алюминий (Al) и Медь (Cu)

Алюминий - это мягкий и легкий металл серебристого цвета. По оценкам, около 8% земной коры состоит из алюминия. В природе он встречается очень редко. Процесс его производства очень сложен и требует большого количества энергии. В результате электролиза получают алюминий с чистотой 99,5%. Поскольку примеси в алюминии снижают его прочность, применяется метод электролитической очистки, чтобы избежать этого и достичь 99,9% чистого алюминия.

Медь - это металл красновато-коричневого цвета, который в природе встречается в свободной форме или в соединениях. Благодаря своей мягкой структуре и легкости обработки, медь является одним из наиболее используемых металлов с древних времен. Несмотря на то, что она составляет 0,01% земной коры, медь является приоритетом для горнодобывающих компаний.

Техническая оценка

Технические характеристики алюминия и меди можно разделить на две основные категории:

  • Физические свойства
  • Электрические характеристики

Самый важный момент, который следует учитывать при рассмотрении этих двух основных пунктов, заключается в том, что эти характеристики взаимодействуют друг с другом. При физическом сравнении обоих металлов наиболее заметным пунктом является их вес. Поскольку удельный вес алюминия ниже, чем у меди, физические свойства проводников, планируемых к использованию, приобретают значение в плане веса и размера.

Алюминий, благодаря своему низкому удельному весу, примерно в два раза легче меди. Однако, если рассматривать свойства проводимости, то факт, что проводимость меди значительно лучше, чем у алюминия, или что сопротивление алюминия выше, чем у меди, означает, что физическая структура алюминиевого проводника, необходимого для той же системы, должна быть на 15-25% больше.

Когда свойства проводимости этих двух металлов сравниваются с использованием формулы падения напряжения, применяемой при расчете сечения кабеля:

Сечение алюминиевого проводника, используемого в той же системе, должно быть примерно в 1,6 раза больше сечения медного проводника. С другой стороны, что касается электрической производительности (с учетом структуры сопротивления), следует учитывать такие аспекты, как диэлектрические свойства, импедансные характеристики, сопротивление короткому замыканию, а также физические характеристики, такие как реакция на повышение температуры, огнестойкость и механическая прочность.

При коротком замыкании медные проводники лучше сохраняют свою механическую прочность, чем алюминиевые проводники. Использование алюминия может привести к растяжению и скручиванию жестких проводников, а также к изгибу, ослаблению или сжатию гибких проводников.

Алюминиевые проводники не такие устойчивые к вибрациям, трещинам и повреждениям, как медные проводники. Механическая усталость возникает при воздействии повторяющихся нагрузок и разгрузок, что может вызвать микроскопические трещины. Со временем эти трещины могут достигнуть критических размеров и привести к крупным разрывам.

При рассмотрении теплопроводности становится очевидно, что тепло, возникающее под воздействием тока, распределяется медным проводником гораздо быстрее. Это важное свойство при передаче тепла, например, во время перегрузки любого двигателя. Предпочтение проводника меньшего диаметра позволяет теплу быстрее передаваться на поверхность за более короткое время.

Благодаря высокой температуре плавления, медь способна выдерживать механические силы, возникающие в термоактивных процессах (расширение, сжатие и т. д.), без потери своих механических свойств.

Еще один важный фактор при выборе проводящих материалов — это соединения и стыки. Существует четыре основных механизма, влияющих на электрические соединения. Это:

  • Окисление
  • Гальванический эффект
  • Холодный поток / Ползучесть
  • Тепловое расширение

Окисление: Оксид, который вызывает снижение контакта металл-металл или увеличение контактного сопротивления в точке соединения, состоит из сульфида или неорганических пленок. Этот эффект может вызвать нагрев контактной поверхности и повышение температуры в точке соединения, что приведет к неисправности. В отличие от алюминия, медные соединения редко перегреваются и не требуют специальной подготовки поверхности или использования антиоксидантных составов.

Гальванический эффект: Когда алюминий и медь контактируют друг с другом, алюминий может терять свои структурные свойства под воздействием электролиза. Точка соединения как механически, так и электрически ухудшается из-за уменьшения контактной поверхности или коррозии. Поэтому для алюминиевого проводника, используемого с оборудованием и аксессуарами, такими как контактные уплотнения, биметаллические соединения или использование специального оборудования, необходимо применять ряд методов вставки.

Холодный поток / Ползучесть: Для создания хорошей структуры соединения и обеспечения высокого контакта проводников применяется давление. Эта операция может вызвать "течение" металла, и, следовательно, его деформацию. Этот эффект чаще всего наблюдается в алюминиевых проводниках, тогда как для медного проводника, который более жесткий, он настолько мал, что не является значительным. Когда проводник находится под напряжением, деформация металла в зависимости от уровня, продолжительности и температуры напряжения называется "ползучестью". И холодный поток, и ползучесть приводят к уменьшению контактного давления, увеличению сопротивления соединения и, следовательно, к перегреву. Алюминий ползет больше, чем медь, быстрее и при более низких температурах.

Тепловое расширение: В точках соединения медь-медь, латунь-медь или наконечников для кабеля не наблюдается расслабления, тогда как тепловое расширение алюминиевых проводников может со временем вызвать ослабление. Увеличение контактного сопротивления повышает перегрев и потенциал дуги, что увеличивает риск возгорания. Соединения с медью прочнее, более устойчивы к коррозии, надежнее и долговечнее (поскольку они менее чувствительны к холодному потоку и тепловым эффектам), чем соединения с алюминием.

Структура установки и стоимость

Независимо от того, используются ли кабели из алюминия или меди, они подвергаются последовательным изгибающим или тяговым усилиям в поворотных точках во время установки. Эти изгибы заставляют проводник подвергаться физическим нагрузкам. Чтобы справиться с этим, проводник должен иметь гибкую структуру. Кабели, подготовленные в соответствии с международным стандартом производства TS EN 60228, делятся на четыре класса.

  • Класс 1: Сплошные проводники
  • Класс 2: Многожильные проводники
  • Класс 5: Гибкие проводники
  • Class 6: Класс 6: Проводники с гибкостью больше, чем у класса 5

Хотя использование как алюминия, так и меди допускается для производства проводников классов 1 и 2, для производства проводников классов 5 и 6 допускается только использование меди. Причиной этого является гибкость меди. Тот же стандарт допускает производство только в сечениях 10 мм² и выше в качестве минимального размера, чтобы обеспечить достаточную прочность алюминиевых проводников.

Допустимый радиус изгиба в стандартах TS EN 60228 и TS EN 50565-1 может варьироваться от 2 до 15 раз диаметра кабеля. Однако для кабелей с одинаковой пропускной способностью неизбежно потребуется установка с большим углом изгиба, так как алюминиевый кабель будет иметь большее сечение.

Когда мы рассматриваем энергосбережение и выбросы CO2, медь выделяется среди металлов, которые лучше всего передают электричество и тепло. Низкое сопротивление меди играет значительную роль в улучшении энергетической эффективности устройств и блоков, в которых она используется, и способствует снижению выбросов CO2 за счет экономии энергии.

Учитывая стоимость установки, эксплуатации и обслуживания, инвестиционные затраты на алюминий более выгодны, чем на медь, но когда в общую стоимость включаются затраты на обслуживание этих металлов, установочное оборудование, производственные расходы и трудозатраты на установку, преимущество в стоимости алюминия практически устраняется.

Пример сравнения алюминиевых и медных кабелей

В примере сравнительной таблицы можно увидеть сравнение технических характеристик (упомянутых в нашей статье) алюминиевых и медных кабелей с одинаковой пропускной способностью. Если использовать алюминиевый проводник согласно этой таблице:

Общий диаметр кабеля увеличивается на 17%,
Диаметр проводника увеличивается на 27%,
Радиус изгиба увеличивается на 17%,
Размер барабана увеличивается на 18%,
Сопротивление проводимости увеличивается на 3,8%,
Потери проводника увеличиваются на 4,1%,
Потери на экране увеличиваются на 40%.

По этой причине при сравнении алюминиевого кабеля с медным кабелем следует учитывать не только стоимость покупки, но и соответствие технических условий структуре предприятия и влияние, которое они оказывают или могут оказать на эксплуатационные расходы.