Когда вы смотрите на линию электропередачи, скорее всего, она сделана из алюминия, хотя в лабораторных условиях медь является лучшим проводником. Определяющим фактором для использования алюминия является не электричество, а вес, протяжённость пролётов и цена. В этой статье описываются применения каждого материала, объясняется, почему алюминий уже превзошёл медь в случае воздушных линий передачи, но всё ещё конкурирует с ней в подземных линиях передачи и распределительных устройствах, а также описывается, к чему это приводит в точках окончания линии.
Краткий ответ: Большая часть воздушной передачи электроэнергии осуществляется через алюминиевые провода, так как они составляют более 90% импортируемых проводов для передачи электроэнергии. Алюминиевые провода, используемые для передачи электроэнергии, обычно известны как ACSR, что означает алюминиевый провод с сердечником из стали. Медные провода используются в случаях, когда необходимо предпочесть пространство и надёжность соединений весу провода, например, при прокладке кабелей, шинах, двигателях и трансформаторах. Алюминий передаёт только 61% электроэнергии по сравнению с медью, а его стоимость составляет около 25-30% стоимости меди, при этом он весит на 70% меньше меди, что означает, что алюминиевый провод с таким же сопротивлением, как у медного, весит примерно вдвое меньше, поскольку имеет такое же электрическое сопротивление, как медный провод, и немного больший диаметр.
Цифры, которые решают спор
Оба металла превосходны в проводимости электричества, но разница гораздо меньше, чем думает большинство, когда мы сравниваем не провода одинакового размера, а провода одинаковой пропускной способности. Медь выигрывает благодаря большей объёмной плотности; медь может проводить больше электричества для провода с той же площадью сечения. Алюминий выигрывает благодаря своей удельной массе; он значительно легче и гораздо дешевле при той же проводимости.
| Свойство при 20 °C | Твёрдоотожжённая медь | Твёрдоотожжённый алюминий | Оцинкованная сталь |
|---|---|---|---|
| Удельное сопротивление (×10-8 Ω·м) | 1.72 | 2.83 | примерно 14 |
| Проводимость (1% IACS) | 97 (отожжённая медь 100) | 61 | примерно 12 |
| Плотность (кг/м³) | 8,890 | 2,703 | 7,800 |
| Предельная прочность на разрыв (МПа) | 380-420 | 160-200 | 1,300-1,500 |
| Температурный коэффициент (×10-3/°C) | 3.93 | 4.03 | 4.5 |
| Относительная стоимость материала (ориентировочно на 2026 год) | 8 800-11 000 USD за тонну | 2 400-3 200 USD за тонну | Зависит от применения |
С инженерной точки зрения последствия становятся очевидными. Что касается электрического сопротивления, алюминий имеет примерно в 1,6 раза большую площадь поверхности, чем медь, которая примерно в 1,28 раза шире меди. Однако, несмотря на размер этого проводника, он весит всего около половины. Кроме того, поскольку цены на сырьё для производства алюминия значительно ниже, чем на медь, алюминиевый проводник того же размера стоит примерно 35-50% от стоимости медного аналога и при этом на 52% легче.
В то время как у алюминия есть серьёзный недостаток с механической точки зрения. Его прочность на разрыв почти вдвое ниже, чем у меди. Кроме того, он имеет недостатки при длительной нагрузке, так как подвержен удлинению.
Почему алюминий выиграл в воздушных линиях
Разделив две функции, проблема полностью исчезает. ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) состоит из алюминиевых проводов снаружи и стального, оцинкованного стального сердечника внутри. Стальной сердечник поддерживает натяжение, в то время как алюминий отвечает за передачу тока. Сталь практически не играет роли с электрической точки зрения, поскольку находится в сердечнике проводника, где плотность тока самая низкая для этого типа проводника. Проводник обозначается как 54/7, что означает, что вокруг 7 прядей стального сердечника расположено 54 алюминиевых провода.
При облегчении проводника конструкция всей системы передачи становится дешевле. Более легкие провода позволяют увеличивать пролеты между опорами, что означает меньшее количество опор, меньшие фундаменты и меньше расчистки земли. По различным отраслевым оценкам, экономия на инфраструктуре при использовании полностью медных систем может достигать 20-40%. На более длинных линиях это преимущество превосходит все расчеты эффективности проводимости.
Есть еще один бонус, который следует учитывать. Поскольку конструкция проводников с одинаковым сопротивлением примерно на 28% шире по диаметру, электрический заряд распределяется по поверхности более равномерно, и эффект коронного разряда уменьшается. То, что кажется избыточным размером на строительной площадке, становится хорошим бонусом при напряжении 400 кВ.
| Проводник | Конструкция | Источник прочности | Где используется |
|---|---|---|---|
| AAC | Все алюминиевые пряди | Только алюминий | Короткие пролеты, шина подстанции, городское распределение |
| AAC | Пряди из алюминиево-магниево-кремниевого сплава | Сплав | Прибрежные и промышленные атмосферы; отсутствие биметаллической коррозии |
| AAAC | Алюминий поверх оцинкованного стального сердечника | Стальной сердечник | Стандарт для воздушных линий передачи во всем мире |
| AAAC | Алюминий поверх прядей из алюминиевого сплава | Сплавной сердечник | Маршруты, чувствительные к коррозии, требующие большей прочности, чем AAC |
| ACSR | Отожженный алюминий поверх высокопрочного сердечника | Сердечник, практически весь | Повышение пропускной способности существующего коридора; высокая рабочая температура |
Где медь все еще выигрывает и почему
Подземный кабель — последний оплот меди в кабельной промышленности, и причина этого — проблема пространства. Траншея, канал или кабельный лоток имеют ограниченное пространство, и каждый дополнительный квадратный миллиметр проводника должен быть оправдан усилиями по копке, прокладке и протяжке. Там, где требуется большой сечение, проводимость меди выигрывает конкуренцию. Подводное использование создает еще один аргумент в пользу меди: прочная конструкция для длинных пролётов без опор и в точках входа, где кабель протягивается.
В электрических устройствах картина становится ещё яснее. Шины, обмотки двигателей и трансформаторов, катушки контакторов, управляющие провода все изготовлены из меди, поскольку корпус имеет фиксированный размер, и качество соединения проявляется больше, чем цена металла. Электрическая шина на 3 200 А из меди должна иметь примерно в 1,6 раза меньший сечение, чем из алюминия, что обычно не подходит. Постоянный ток тяги (метро с третьим рельсом и контактной сетью, дуговые печи, электролизные установки) остаётся на меди для той же цели.
Затем существует аргумент о переходе: любую текущую систему, построенную из меди, нельзя перевести на алюминий без одновременного изменения всех предположений относительно пропускной способности, номиналов короткого замыкания и настроек защиты.
Режимы отказов, которые дали алюминию плохую репутацию
Алюминий приобрёл плохую репутацию, которую он во многом заслужил — но это не вина материала. В период беспрецедентных цен на медь предполагалось, что те же технологии, устройства и значения крутящего момента, используемые для меди, будут работать и при использовании алюминия в домах Северной Америки. В ситуацию сыграли три свойства.
Во-первых, алюминий реагирует с кислородом и образует оксидное покрытие, которое является изоляционным материалом с температурой плавления около 2072 °C; таким образом, оно хорошо защищает от коррозии, но плохо подходит для винтовых клемм. Во-вторых, алюминий значительно сильнее расширяется, чем медь, при тепловых циклах; поэтому соединение становится ослабленным после большого количества тепловых циклов. В-третьих, поскольку алюминий является анодным по отношению к меди, присутствие влаги вызывает гальваническую коррозию контакта при прямом контакте двух металлов.
Все эти проблемы приводят к одной классической неисправности: розетка нагревается до такой степени, что возникают дуги. Решения для обеспечения безопасности современной алюминиевой проводки включают нанесение ингибирующего оксидного состава непосредственно на соединения, использование устройств с рейтингом CO/ALR, специально предназначенных для алюминиевых проводников, биметаллические переходные соединения между медью и алюминием, а также расчёт и учёт значений крутящего момента с учётом расширяющихся свойств алюминия.
Для тех, кто работает с существующими алюминиевыми ответвлениями, диагностикой является тепло, а не внешний вид. Терминал, начинающий выходить из строя, обычно показывает обесцвеченную изоляцию, обожжённое устройство или ложные срабатывания задолго до полного отказа, и тот же признак — тепло при небольшой нагрузке, затем необъяснимые срабатывания — позволяет обнаружить автоматический выключатель, который вышел из строя на другом конце цепи.
Подбор проводника к классу напряжения
Способ передачи энергии меняется с изменением напряжения передачи, и изменение вызвано геометрией, а не экономикой. Выше примерно 220 кВ линии несут более одного проводника на фазу, и та же логика, которая управляет разницей между высоким и низким напряжением проектированием, определяет их количество. Линия 400 кВ обычно имеет два или четыре под-проводника на фазу в пучке, а не один очень большой проводник.
Изменение в передаче электроэнергии связано с индуктивностью и эффектами короны. Индуктивность линии электропередачи определяется только физическим радиусом провода, и увеличение радиуса одного провода не оказывает значительного влияния на индуктивность. Чтобы сделать это эффективным, провода объединяются в несколько меньших проводов, таким образом, эффективный радиус увеличивается с количеством проводов, при этом электрическое поле на поверхности остается достаточно низким, чтобы избежать короны. Следовательно, содержание алюминия в проводах растет с напряжением, а конструкция проводов разрабатывается заранее, поэтому она не зависит от производителя.
| Кодовое название ACSR | Скрутка Al / сталь | Общий диаметр | Постоянное сопротивление при 20 °C | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| Собака | 6/4.72 + 7/1.57 | 14,15 мм | 0,2745 Ом/км | Линии 33-66 кВ |
| Пантера | 30/3.00 + 7/3.00 | 21,00 мм | 0,1390 Ом/км | Линии 132 кВ |
| Зебра | 54/3.18 + 7/3.18 | 28,62 мм | 0,0688 Ом/км | 220 кВ и 400 кВ, пучок |
| Лось | 54/3.53 + 7/3.53 | 31,77 мм | 0,0561 Ом/км | 400 кВ, двойной или четверной пучок |
Эти названия взяты из национальных каталогов проводников, в то время как следующие цифры — включая диаметр, скрутку, сопротивление и геометрический средний радиус — являются ключевыми параметрами при проектировании линии. Первый аспект, касающийся состава проводника, решается задолго до рассмотрения таблицы проводников.
Токовая нагрузка, температура и номиналы клемм
Более низкая проводимость алюминия отражается и в таблицах токовой нагрузки. При одинаковом размере проводника алюминий способен проводить около 78-80% токовой нагрузки меди при той же температурной оценке изоляции. Например, проводник 1/0 с номиналом 75 °C имеет токовую нагрузку 150 А для меди и 120 А для алюминия. Чтобы достичь того же уровня токовой нагрузки, необходимо использовать проводник большего размера — общее правило заключается в использовании проводника на два размера AWG больше, чем для меди. В конечном итоге это приводит к вопросу пространства — алюминиевый проводник, проводящий требуемый ток, требует разных размеров кабельных каналов, других наконечников и больше места в панели.
Два пункта в коде создают большинство ошибок на объекте. Первый — это факт, что токовая нагрузка зависит от температурных номиналов проводки и клемм. Проводник с изоляцией на 90 °C, подключенный к клемме с номиналом 75 °C, может использоваться только при меньшем значении, если сборка не указана иначе, и именно это UL 489 формованный автоматический выключатель указывает в своем температурном номинале клемм, а не в маркетинговой литературе. Второй пункт — что алюминиевые соединения должны выполняться с использованием соединителей, указанных как подходящие для алюминиевой проводки, с применением указанного крутящего момента и ингибитора окисления согласно спецификациям производителя соединителя.
Что это означает для коммутационного оборудования и клеммных соединений
На этом этапе решение, принимаемое проводником, уже не касается провода, а касается коммутационного оборудования. Использование алюминиевых питающих линий требует, чтобы каждое оборудование, подключенное к проводам, было рассчитано как на алюминий, так и на медь; оборудование для оконечивания должно быть биметаллическим, обеспечивая соединение алюминия и меди везде, где алюминий используется вместе с медью.
Производственная линия HUYU изготавливает компоненты, такие как MCB, MCCB, воздушные автоматические выключатели, контакторы, реле, трансформаторы тока, устройства защиты от перенапряжений, автоматические переключатели и комбинирующие коробки для солнечных панелей. Мы не производим провода, поэтому не считаем своим обязательством выбирать между алюминием и медью. Мы поставляем оборудование, клеммы которого рассчитаны на оба материала, с опубликованными данными по моменту затяжки и диапазону проводников — DIN-рейка миниатюрный автомат является устройством на 63 А только в той мере, в какой его клеммы принимают проводник, который вы к нему подключаете.
Как мы узнали из нашего опыта с отказами в полевых условиях, важно помнить, что всякий раз, когда питающая линия меняет материал в ходе трассы, соединение этого перехода должно быть на предназначенной клемме или на биметаллическом соединителе — никогда не посередине трассы с использованием разделённого болта и куска изоленты.
Как принять решение в реальном проекте
| Применение | Материал | Причина |
|---|---|---|
| Воздушные линии передачи и распределения | Алюминий (ACSR / AAAC) | Вес, длина пролёта, стоимость опоры, диаметр и корона |
| Подземный и подводный кабель | Медь, иногда алюминий для крупных низковольтных линий | Сечение дорогое; надежность в точках подключения |
| Шины распределительного устройства и контрольная проводка | Медь | Фиксированный объем корпуса; надежность соединения |
| Обмотки двигателя и трансформатора | Медь; алюминий в распределительных устройствах с ограничением по стоимости | Пространство для обмоток, потери, рассеивание тепла |
| Магистральные линии здания, крупные цепи | Алюминий для размера и стоимости; медь для узких трасс | Компромисс между стоимостью металла и пространством для прокладки |
| Существующие установки | Соответствие уже установленному | Избегать исследований по перерасчету и смешанных металлических соединений |
Системные решения часто продвигают ответ на шаг дальше. На крупном промышленном объекте материал проводника взаимодействует с архитектурой распределения — сколько трансформаторов, какова длина ВН линий, сколько ВН распределительного оборудования — поэтому распределительные системы масштаба предприятия проектируются как единое целое, а не проводник за проводником, и почему оптимизация архитектуры обычно экономит больше, чем замена металла.
Часто задаваемые вопросы
Что лучше для передачи электроэнергии — алюминий или медь?
Алюминий предпочтителен для воздушных линий с огромным отрывом, более 90% мировой сети использует его. Медь лучше подходит для подземных линий, оборудования или ситуаций с заранее определенным сечением. У каждого из них есть свои преимущества; вопрос в том, какое ограничение применимо к конкретной ситуации.
Почему в воздушных линиях используется алюминий вместо меди?
Потому что алюминиевый проводник с таким же сопротивлением весит примерно вдвое меньше и стоит около 35-50% от стоимости медного аналога. Меньший вес позволяет делать пролеты длиннее, требуется меньше опор и фундаменты могут быть меньше для надежной поддержки конструкции.
Можно ли напрямую соединять медные и алюминиевые провода?
Избегайте использования в сырых или наружных зонах. Алюминий электро-положителен по отношению к меди, что может вызвать гальваническую коррозию при наличии влаги в соединении. Поэтому используйте специальные биметаллические соединители, разработанные специально для этих двух металлов.
Несет ли алюминиевый провод меньший ток, чем медный того же сечения?
Да, обычно номинал меди составляет около 78-80% при той же температуре изоляции. Чтобы получить тот же ток и напряжение, потребуется примерно на два размера AWG больше, что требует более крупных проводников и, следовательно, больших размеров трасс и клемм.
Что такое ACSR и зачем нужен стальной сердечник?
Алюминиевый проводник с стальным усилением (ACSR) состоит из стального сердечника в центре нескольких слоев алюминиевых проводов. Роль стали — воспринимать растягивающие нагрузки, которые твердооттянутый алюминий не выдерживает на длинных пролетах, а алюминий отвечает за передачу электрического тока. Поскольку сталь расположена в центральной части проводника, где минимально место для тока, электрические потери практически отсутствуют.
Опасна ли алюминиевая проводка в доме?
Не по своей сути, но требует правильной установки устройства. Ошибки, произошедшие в 1960-х и 1970-х годах, можно объяснить использованием алюминиевых соединителей проводов с устройствами, не рассчитанными на такие проводники, но применявшимися без соответствующей установки или правильного момента затяжки. В настоящее время, с использованием ингибирующего оксидного состава, устройств с рейтингом CO/ALR, а также биметаллических устройств, процесс работает корректно и эффективно при условии соблюдения этих требований.
Ссылки
- NFPA — NFPA 70 Национальный электрический кодекс, статья 310 и таблица 310.16
- ASTM — B230/B230M Стандартная спецификация для алюминиевого провода 1350 для электрических целей
- ASTM — B232/B232M Концентрически скрученные алюминиевые проводники с покрытием из стали с усилением (ACSR)
- IEC — IEC 61089 Круглый провод концентрически скрученных воздушных электрических проводников
- IEEE — IEEE 738 Стандарт для расчёта зависимости ток-температура оголённых воздушных проводников
- UL Solutions — UL 486A-486B Соединители проводов и автоматические выключатели UL 489 с литым корпусом
- Copper Development Association — Сравнительные данные по медным и алюминиевым проводникам
Заключение
Когда речь идёт о передаче электроэнергии, алюминий является основным материалом, используемым в этой области на протяжении многих десятилетий. Причина такого выбора заключается в преимуществах алюминия, который не обладает лучшими проводящими свойствами, но имеет вдвое меньший вес и более низкую стоимость, что позволяет увеличивать длину пролётов и уменьшать количество опор. Стальной сердечник, используемый в ACSR, отвечает за устранение единственного серьёзного недостатка алюминия. Медь по-прежнему используется там, где вес является преимуществом, а именно в подземной и подводной проводке, а также в обмотках и цепях управления. Какой бы металл ни использовался, в конечном итоге соединитель должен быть правильного типа, а также ингибитор и уровень момента затяжки должны соответствовать требованиям. Большинство отказов происходит не во время эксплуатации самого провода, а в местах его пересечения с металлом.
