Lorsque vous regardez une ligne électrique, il est fort probable qu'elle soit en aluminium, bien qu'en laboratoire le cuivre soit un meilleur conducteur. Le facteur déterminant pour l'utilisation de l'aluminium n'est pas l'électricité mais le poids, l'étendue des portées et le prix. Cet article présente les usages de chaque matériau, explique pourquoi l'aluminium a déjà prévalu sur le cuivre dans le cas des lignes de transmission aériennes mais lui fait encore concurrence dans la transmission souterraine et les appareillages, et décrit ce que cela entraîne aux points de terminaison de la ligne.
Réponse courte : La plus grande quantité de transmission d'énergie électrique aérienne est réalisée par des fils en aluminium, qui représentent plus de 90 % des fils de transmission d'énergie importés. Les fils en aluminium utilisés pour la transmission d'énergie électrique sont communément appelés ACSR, ce qui désigne un fil en aluminium à âme en acier. Les fils en cuivre sont utilisés dans les cas où l'espace et la fiabilité des connexions doivent être privilégiés par rapport au poids du fil, comme pour l'installation de câbles, les barres omnibus, les moteurs et les transformateurs. L'aluminium transmet seulement 61 % de l'électricité que le cuivre transmet et son coût est d'environ 25 à 30 % du coût du cuivre, mais il pèse 70 % de moins que le cuivre, ce qui signifie qu'un fil en aluminium ayant la même résistivité que le cuivre pèse environ deux fois moins car il a la même résistance électrique qu'un fil en cuivre et est quelque peu plus large en diamètre.
Les chiffres qui tranchent le débat
Les deux métaux excellent dans la conduction de l'électricité, mais la différence est bien moindre que ce que la plupart des gens pensent lorsque nous ne comparons pas des fils de même taille mais des fils de capacité égale. Le cuivre est gagnant car il est plus volumique ; le cuivre peut transporter plus d'électricité pour un fil de même surface. L'aluminium est gagnant grâce à son poids spécifique ; il est significativement plus léger et beaucoup moins cher pour la même conductance.
| Propriété à 20 °C | Cuivre étiré à froid | Aluminium étiré à froid | Acier galvanisé |
|---|---|---|---|
| Résistivité (×10-8 Ω·m) | 1.72 | 2.83 | env. 14 |
| Conductivité (1 % IACS) | 97 (cuivre recuit 100) | 61 | env. 12 |
| Densité (kg/m³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Résistance ultime à la traction (MPa) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Coefficient de température (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Coût relatif du matériau (indication 2026) | 8 800-11 000 USD par tonne | 2 400-3 200 USD par tonne | Dépend de l'application |
En termes d'ingénierie, les implications deviennent claires. En ce qui concerne la résistance électrique, l'aluminium a environ 1,6 fois plus de surface que le cuivre, ce qui est environ 1,28 fois plus large que le cuivre. Cependant, malgré la taille de ce conducteur, il ne pèse qu'environ la moitié. De plus, puisque les prix des matières premières pour la production d'aluminium sont significativement inférieurs à ceux du cuivre, un conducteur en aluminium de même taille coûte environ 35 à 50 % de son homologue en cuivre et est également 52 % plus léger.
Alors que l'aluminium présente un inconvénient majeur en termes mécaniques. Sa résistance à la traction est presque deux fois inférieure à celle du cuivre. De plus, il présente des inconvénients sous charge prolongée, car il subit un allongement.
Pourquoi l'aluminium a gagné la ligne aérienne
En divisant les deux responsabilités, le problème disparaît complètement. L'ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) se compose de fils d'aluminium à l'extérieur et d'un noyau en acier et acier galvanisé à l'intérieur. Le noyau en acier maintient la tension tandis que l'aluminium est responsable du transport du courant. L'acier joue presque aucun rôle du point de vue électrique puisqu'il est situé au cœur du conducteur, avec une densité de courant la plus faible dans ce type de conducteur. Le conducteur est désigné comme 54/7, ce qui signifie qu'il y a 54 fils d'aluminium autour des 7 brins du noyau en acier.
Lorsque le conducteur est léger, la construction de l'ensemble du système de transmission est moins coûteuse. Des fils plus légers permettent des portées plus longues entre les pylônes, ce qui signifie moins de pylônes, des fondations plus petites et moins de terrain défriché. Selon diverses estimations de l'industrie, les économies pour l'infrastructure lorsque des systèmes tout-cuivre sont utilisés peuvent atteindre jusqu'à 20-40 %. Sur des lignes plus longues, cet avantage dépasse tous les calculs d'efficacité de conductivité.
Il y a un autre avantage à prendre en compte. Puisque la conception des conducteurs AC à résistance égale est environ 28 % plus large en diamètre, la charge électrique est répartie plus uniformément à la surface et l'effet de décharge corona est atténué. Ce qui semble être un excès de taille sur le chantier constitue un bon bonus au niveau de tension de 400 kV.
| Conducteur | Construction | Source de résistance | Où il est utilisé |
|---|---|---|---|
| AAC | Brins tout aluminium | Aluminium uniquement | Portées courtes, barre omnibus de poste, distribution urbaine |
| AAAC | Brins en alliage aluminium-magnésium-silicium | Alliage | Atmosphères côtières et industrielles ; pas de corrosion bimetallique |
| ACSR | Aluminium sur noyau en acier galvanisé | Noyau en acier | Le standard pour la transmission aérienne dans le monde entier |
| ACAR | Aluminium sur brins en alliage d'aluminium | Noyau en alliage | Itinéraires sensibles à la corrosion nécessitant plus de résistance que l'AAC |
| ACSS | Aluminium recuit sur noyau haute résistance | Noyau, essentiellement tout le noyau | Rehaussement d'un droit de passage existant ; haute température de fonctionnement |
Où le cuivre l'emporte encore, et pourquoi
Le câble souterrain est le dernier bastion du cuivre dans l'industrie du câble, et la raison en est la question de l'espace. Une tranchée, un conduit ou un chemin de câble dispose d'un espace prédéterminé, et chaque millimètre carré supplémentaire du conducteur doit être justifié par des efforts de creusement, de gainage et de tirage. Là où un grand sectionnement est nécessaire, la conductivité du cuivre remporte la compétition. L'utilisation sous-marine crée une raison supplémentaire pour l'emploi du cuivre : une construction robuste pour de longues courses sans support et aux points d'entrée où le câble est tiré.
Dans les dispositifs électriques, la situation est encore plus claire. Les barres omnibus, les enroulements de moteurs et de transformateurs, les bobines de contacteurs, les fils de commande sont tous en cuivre, puisque le boîtier a une taille fixe, et la qualité de la connexion se manifeste plus que le prix du métal. Une barre omnibus électrique de 3 200 A en cuivre devrait avoir une section environ 1,6 fois plus petite que celle en aluminium, ce qui ne convient normalement pas. La traction en courant continu (troisième rail de métro et systèmes aériens, fours à arc, usines électrolytiques) reste en cuivre pour la même raison.
Ensuite, il y a l'argument de la conversion : tout système actuel construit en cuivre ne peut pas être converti en aluminium sans modifier simultanément toutes les hypothèses concernant l'ampacité, les niveaux de défaut et les réglages de protection.
Les modes de défaillance qui ont donné une mauvaise réputation à l'aluminium
L'aluminium a acquis une mauvaise réputation qu'il a largement méritée — mais ce n'est pas la faute du matériau. À une époque de coûts du cuivre sans précédent, on a supposé que les mêmes technologies, dispositifs et valeurs de couple utilisés pour le cuivre fonctionneraient également avec l'aluminium dans les habitations en Amérique du Nord. Trois propriétés ont alors influencé la situation.
Premièrement, l'aluminium réagit avec l'oxygène et forme un revêtement d'oxyde, qui est un matériau isolant ayant un point de fusion d'environ 2 072 °C ; il est donc bon pour la résistance à la corrosion mais pas adapté aux bornes à vis. Deuxièmement, l'aluminium se dilate beaucoup plus que le cuivre lors des cycles thermiques ; par conséquent, la connexion réalisée va se desserrer après un grand nombre de cycles thermiques. Troisièmement, puisque l'aluminium est anodique par rapport au cuivre, la présence d'humidité provoque une corrosion galvanique du contact chaque fois qu'il y a un contact direct entre les deux métaux.
Tous ces problèmes conduisent à une défaillance classique : une prise qui chauffe suffisamment pour provoquer des arcs. Les solutions pour rendre le câblage aluminium moderne sûr sont l'application d'un composé inhibiteur d'oxyde directement sur les connexions, l'utilisation de dispositifs certifiés CO/ALR spécialement conçus pour les conducteurs en aluminium, les connexions de transition bimétalliques entre cuivre et aluminium, ainsi que des valeurs de couple calculées et prises en compte en fonction des propriétés de dilatation de l'aluminium.
Pour toute personne travaillant sur des circuits dérivés en aluminium existants, le diagnostic est la chaleur plutôt que l'apparence. Une terminaison qui commence à défaillir montrera généralement une isolation décolorée, un dispositif brûlé ou des déclenchements intempestifs bien avant de tomber complètement en panne, et la même empreinte digitale — chaleur sous faible charge, puis des déclenchements incompréhensibles — est la façon de détecter un disjoncteur qui est défectueux à l'autre extrémité du circuit.
Adapter le conducteur à la classe de tension
La manière dont la puissance est transmise change avec la tension de transmission, et ce changement est causé par la géométrie et non par l'économie. Au-dessus d'environ 220 kV, les lignes transportent plus d'un conducteur par phase, et la même logique qui régit la différence entre haute tension et basse tension la conception décide combien. Une ligne de 400 kV utilise couramment deux ou quatre sous-conducteurs par phase en faisceau plutôt qu'un seul conducteur très large.
Le changement dans la transmission de puissance est lié à l'inductance et aux effets corona. L'inductance d'une ligne électrique est déterminée uniquement par le rayon physique du fil, et l'augmentation du rayon d'un seul fil n'a pas beaucoup d'influence sur l'inductance. Pour être efficace, les fils sont regroupés en plusieurs fils plus petits, ainsi, le rayon effectif augmente avec le nombre de fils, tout en maintenant le champ électrique à la surface suffisamment bas pour éviter la corona. Par conséquent, la teneur en aluminium des fils augmente avec la tension, et la conception des fils est réalisée à l'avance, elle ne dépend donc pas du fabricant.
| Code ACSR | Toron Al / acier | Diamètre total | Résistance DC à 20 °C | Utilisation typique |
|---|---|---|---|---|
| Chien | 6/4.72 + 7/1.57 | 14,15 mm | 0,2745 Ω/km | Lignes 33-66 kV |
| Panthère | 30/3.00 + 7/3.00 | 21,00 mm | 0,1390 Ω/km | Lignes 132 kV |
| Zèbre | 54/3.18 + 7/3.18 | 28,62 mm | 0,0688 Ω/km | 220 kV et 400 kV, en faisceau |
| Orignal | 54/3.53 + 7/3.53 | 31,77 mm | 0,0561 Ω/km | 400 kV, faisceau double ou quadruple |
Ces noms sont dérivés des catalogues nationaux de conducteurs, tandis que les chiffres qui suivent — y compris le diamètre, le toronnage, la résistance et le rayon moyen géométrique — sont des considérations clés dans la conception d'une ligne. Le premier aspect concernant la substance du conducteur est résolu bien avant l'examen du tableau des conducteurs.
Ampacité, température et classes de terminaison
La conductivité inférieure de l'aluminium se reflète également dans les tableaux d'ampacité. Pour une même taille de conducteur, l'aluminium peut conduire environ 78-80 % de l'ampacité du cuivre à la même classe de température pour l'isolation. Par exemple, un conducteur 1/0 classé à 75 °C présente une ampacité de 150 A en cuivre et une ampacité de 120 A en aluminium. Pour atteindre le même niveau d'ampacité, il est nécessaire d'utiliser un conducteur plus grand — la règle générale est d'utiliser un conducteur de deux tailles AWG supérieures à celles du cuivre. En fin de compte, cela soulève la question de l'espace — le conducteur en aluminium qui conduit le courant requis nécessite des tailles de chemin de câbles différentes, des cosses différentes et plus d'espace dans le tableau.
Deux détails dans le code créent la plupart des cas d'erreurs sur le terrain. Le premier est le fait que l'ampacité dépend des températures nominales des câbles et des terminaisons. Un conducteur isolé à 90 °C connecté à une borne classée à 75 °C ne peut être utilisé qu'à la valeur inférieure, sauf si l'ensemble est listé autrement, et cette liste est précisément ce que un disjoncteur moulé UL 489 déclare dans sa température nominale de borne plutôt que dans sa documentation marketing. Le second détail est que les connexions en aluminium doivent être réalisées avec des connecteurs listés comme adaptés au câblage en aluminium, en utilisant le couple mentionné ci-dessus et l'inhibiteur d'oxyde conformément aux spécifications du fabricant du connecteur.
Ce que cela signifie pour les appareillages et les terminaisons
À ce stade, la décision prise par le conducteur ne concerne plus le câble, mais l'appareillage. L'utilisation de conducteurs en aluminium exige que chaque équipement connecté aux câbles soit classé à la fois pour l'aluminium et le cuivre ; l'équipement de terminaison doit être bimétallique impliquant une connexion aluminium-cuivre partout où l'aluminium est utilisé avec le cuivre.
La ligne de fabrication de HUYU produit des composants tels que des disjoncteurs MCB, MCCB, disjoncteurs à air, contacteurs, relais, transformateurs de courant, dispositifs de protection contre les surtensions, commutateurs de transfert automatiques et boîtes de regroupement PV. Nous ne produisons pas de câbles, donc nous ne considérons pas qu'il nous appartient de choisir entre aluminium et cuivre. Ce que nous faisons, c'est fournir des équipements dont les bornes sont classées pour les deux, avec les données de couple et de plage de conducteurs publiées — un rail DIN disjoncteur miniature n'est qu'un appareil de 63 A dans la mesure où ses bornes acceptent le conducteur que vous y connectez.
Comme nous l'avons appris de notre expérience des défaillances sur le terrain, il est important de se rappeler que chaque fois qu'un conducteur change de matériau en cours de ligne, la jonction de ce changement doit se faire à une borne désignée ou à un connecteur bimétallique — jamais en plein milieu d'une ligne avec un boulon fendu et un morceau de ruban adhésif.
Comment décider sur un projet réel
| Application | Matériau | Raison |
|---|---|---|
| Transmission et distribution aériennes | Aluminium (ACSR / AAAC) | Poids, longueur de portée, coût de la tour, diamètre et corona |
| Câble souterrain et sous-marin | Cuivre, parfois aluminium pour les grandes basses tensions | La section transversale est coûteuse ; robustesse aux points d’atterrissage |
| Barres omnibus et câblage de commande des appareillages | Cuivre | Volume d’enceinte fixe ; fiabilité de la connexion |
| Enroulements de moteur et de transformateur | Cuivre ; aluminium dans les unités de distribution à coût optimisé | Espace d’enroulement, pertes, dissipation thermique |
| Construction des alimentations, circuits plus grands | Aluminium pour la taille et le coût ; cuivre pour les parcours serrés | Compromis entre coût du métal et espace dans les chemins de câbles |
| Installations existantes | Correspondre à ce qui est déjà en place | Éviter les études de requalification et les terminaisons en métaux mixtes |
Les décisions au niveau système poussent souvent la réponse un cran plus loin. Sur un grand site industriel, le matériau du conducteur interagit avec l’architecture de distribution — nombre de transformateurs, longueur des lignes MT, quantité d’appareillage MT — c’est pourquoi les systèmes de distribution à l’échelle de l’entreprise sont conçus dans leur ensemble plutôt que conducteur par conducteur, et pourquoi l’optimisation de l’architecture permet généralement d’économiser plus que le simple échange de métal.
FAQ
L’aluminium ou le cuivre est-il meilleur pour la transmission d’énergie ?
L’aluminium est préféré pour les lignes aériennes par un facteur énorme, avec plus de 90 % du réseau mondial employant ce matériau. Le cuivre est mieux adapté aux lignes souterraines, équipements, ou situations où la section est prédéterminée. Les deux ont leurs avantages ; la question est donc quelle contrainte s’applique à la situation donnée.
Pourquoi utilise-t-on de l’aluminium au lieu du cuivre dans les lignes aériennes ?
Cela s’explique par le fait qu’un conducteur en aluminium de même résistance pèse environ deux fois moins et coûte environ 35 à 50 % du prix de l’équivalent en cuivre. Le poids réduit permet des portées plus longues, nécessitant plus de pylônes et des fondations plus petites pour supporter correctement la structure.
Peut-on connecter directement des fils en cuivre et en aluminium ?
Évitez de l’utiliser dans toute zone humide ou extérieure. L’aluminium est électropositif par rapport au cuivre, ce qui peut provoquer une action galvanique en présence d’humidité dans la connexion. Il faut donc utiliser des connecteurs bimétalliques spéciaux conçus spécifiquement pour ces deux métaux.
Le fil en aluminium transporte-t-il moins de courant que le cuivre de même taille ?
En effet, la capacité nominale du cuivre est généralement autour de 78 à 80 % pour la même température d’isolation. Pour obtenir le même courant et la même tension, il faudra utiliser environ deux calibres AWG supérieurs, ce qui nécessite des conducteurs plus gros et donc des tailles plus importantes pour les chemins de câbles et les cosses.
Qu’est-ce que l’ACSR et pourquoi y a-t-il un noyau en acier ?
Le conducteur en aluminium renforcé d’acier (ACSR) est formé en plaçant un noyau en fil d’acier au centre de plusieurs couches de fils d’aluminium. Le rôle de l’acier est de supporter la contrainte de traction que l’aluminium dur ne peut gérer sur de longues portées, tandis que l’aluminium est responsable du transport du courant électrique. Comme l’acier est situé dans la partie centrale du conducteur où l’espace pour le courant électrique est minimal, presque aucune perte électrique ne se produit.
Le câblage en aluminium dans une maison est-il dangereux ?
Pas en soi, mais il nécessite une installation correcte des dispositifs. Les erreurs survenues dans les années 1960 et 1970 peuvent être attribuées à l'utilisation de connecteurs de fils en aluminium avec des dispositifs non conçus pour de tels conducteurs, mais utilisés sans installation appropriée ni couple de serrage adéquat. Aujourd'hui, avec l'utilisation de composés inhibiteurs d'oxydation, des dispositifs certifiés CO/ALR, ainsi que des appareils bimétalliques, le processus fonctionne correctement et efficacement à condition que ces exigences soient respectées.
Références
- NFPA — NFPA 70 Code National de l'Électricité, Article 310 et Tableau 310.16
- ASTM — B230/B230M Spécification Normative pour Fil d'Aluminium 1350 à Usage Électrique
- ASTM — B232/B232M Conducteurs en Aluminium à Torons Concentriques, Renforcés par Acier Revêtu (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Conducteurs électriques aériens en fil rond à torons concentriques
- IEEE — IEEE 738 Norme pour le Calcul de la Relation Courant-Température des Conducteurs Aériens Nus
- UL Solutions — UL 486A-486B Connecteurs de fils et disjoncteurs moulés UL 489
- Copper Development Association — Données comparatives entre conducteurs en cuivre et en aluminium
Conclusion
En matière de transmission d'énergie électrique, l'aluminium est le matériau principal utilisé dans ce domaine depuis plusieurs décennies. La raison de ce choix réside dans les avantages de l'aluminium, qui ne possède pas des propriétés de conductivité supérieures mais seulement la moitié du poids et un coût inférieur, ce qui permet d'allonger la portée des travées et de réduire le nombre de pylônes nécessaires. Le noyau en acier utilisé dans l'ACSR a permis d'éliminer le seul inconvénient sérieux de l'aluminium. Le cuivre est encore utilisé lorsque le poids est un avantage, notamment dans les câblages souterrains et sous-marins ainsi que dans les enroulements et circuits de commande. Quel que soit le métal utilisé, le connecteur doit en fin de compte être du bon type, tout comme l'inhibiteur et le niveau de couple. La plupart des défaillances ne surviennent pas pendant l'exploitation du fil lui-même, mais aux points où il traverse du métal.
