Какие свойства меди и алюминия используют в электротехнике

Проводниковые материалы должны обладать:

• возможно высокой электропроводностью;

• достаточно высокими механическими свойствами;

• сопротивляемостью против атмосферной коррозии;

• способностью поддаваться обработке давлением (прокатке и протяжке) в горячем и холодном состоянии.

Если просмотреть с точки зрения электрической проводимости все технические металлы, то после серебра, которое недоступно для применения в качестве проводов вследствие высокой стоимости, наибольшей проводимостью обладают медь, а затем алюминий.

Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% от проводимости стандартной меди (по объему), но благодаря малому удельному весу алюминий имеет на единицу веса проводимость вдвое большую, чем медь.

Это соотношение дает представление об экономической выгодности применения алюминия в качестве материала для проводников. При одинаковой проводимости (на равной длине) алюминиевый проводник имеет площадь поперечного сечения на 60% большую, чем медный, а вес его составляет только 48% от веса меди.

Исходя из этого, на протяжении почти ста лет в электропроводке и в электрических сетях использовалсь почти исключительно алюминиевые провода и кабели. В настоящее время, в электропроводке используется преимущественно медь, а алюминий применяется для проводов и силовых кабелей в электрических сетях и для шин на трансформаторных подстанциях.

Содержание статьи

• Проводниковый алюминий

• Ползучесть алюминия

• Сталеалюминиевые провода воздушных линий электропередач

• Коррозия алюминиевых проводов

• Испытания на экспериментальной линии из алюминиевых проводов на острове Зюльт

• Проводниковая медь

• Коррозия медных проводов

Проводниковый алюминий

Удельная электропроводность алюминия при 20° равна 37,9 мкСм·м (удельное электросопротивление 2,700 · 10−8 (Ом·м)).

Недостаток алюминия — его сравнительно низкая механическая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь.

Алюминиевые провода применялись в отдельных случаях еще в конце XIX и начале XX века. Так, старейшей в мире считается линия, установленная в Англии вблизи Нортэллертона в 1899 г. Затем последовала установка линий в Канаде (1902 г.), во Франции (1906 г.), в Германии (1909 г.), но применение алюминия для проводов носило единичный характер.

Первоначально в качестве проводниковых материалов использовалась медь и сталь. Значительное распространение алюминиевые провода стали получать со времени Первой мировой войны в качестве заменителя дефицитной меди.

Значительным препятствием широкому применению алюминия в качестве проводникового материала было предубеждение о его нестойкости против атмосферной коррозии.

Однако опыт эксплуатации показал, что в нормальной атмосфере алюминий благодаря покрывающей его сплошной тонкой оксидной пленке хорошо сопротивляется коррозии, и в настоящее время в этом отношении применение алюминия в качестве проводов сомнений не вызывает.

Другим затруднением в применении алюминия была трудность получения хорошего электрического контакта при соединении алюминиевых проводников.

Оксидная пленка, защищая алюминий от коррозии, в то же время препятствует образованию контакта между проводниками, а также их пайке и сварке. Потребовалась разработка особых мер для удаления оксидной пленки при соединении алюминиевых проводов.

В 40-х-50-х годах XX века трудности, связанные с получением хорошего электрического контакта, были устранены, так как были разработаны и использовались на практике эффективные способы соединения алюминиевых проводов и алюминий с успехом и в широких размерах применялся в электропроводке промышленных, административных и бытовых помещений, уличном освещении, оборудовании линий электропередачи и распределительных устройств (Смотрите – Как учили соединять токопроводящие жилы проводов и кабелей в старых советских учебниках).

Ползучесть алюминия

Опытами установлено, что алюминий длительно нагруженный при обычной температуре даже ниже предела текучести, устанавливаемого при обычном испытании на разрыв как напряжение, дающее остаточную деформацию в 0,2%, продолжает с течением времени увеличивать свою деформацию. Это явление носит название ползучести (текучести), в результате которого по истечении более или менее длительного промежутка времени следует излом образцов.

С повышением температуры ползучесть алюминия и других металлов увеличивается, что сюит в связи с понижением упругих свойств металлов при нагреве. Только явлением ползучести могут быть объяснены иногда неожиданные, без видимых причин, обрывы проводов на линиях.

Способность алюминия деформироваться при длительных нагрузках приводит иногда к ослаблению контакта между проводом и клеммой.

Интересный пример испытания деформация алюминиевого провода в зажиме при постоянном давлении в зависимости от времени приведен в книге А. С. Займовского “Металлы и сплавы в электротехнике”.

Испытания велись при комнатной температуре в течение 50 дней и затем при периодических нагревах и охлаждениях от 20 — 100°. Оказалось, что в течение первых 5 дней при комнатной температуре провод значительно осел, затем осадка его практически прекратилась. Однако нагрев до 100° вызвал новую сильную деформацию провода. Последующие нагревы до 100° и охлаждения провода деформации не увеличили. Надо ожидать, что новые более высокие нагревы вызовут еще большую деформацию провода.

Из всего этого следует, что зажимные клеммы при алюминиевых проводах должны периодически проверяться на затяжку, особенно после внезапных нагревов до высоких температур при коротких замыканиях.

Сталеалюминиевые провода воздушных линий электропередач

Прочность алюминиевых проводов, достаточная для выдерживания собственного веса, может оказаться недостаточной в случае перегрузки снегом, льдом или ветром. Поэтому для воздушных линий чисто алюминиевые провода не применяются и заменяются сталеалюминиевыми, состоящими из токоведущей внешней алюминиевой оболочки и внутренней сердцевины, состоящей из оцинкованных стальных проволок, которые и несут значительную часть механических напряжений.

Главными недостатками сталеалюминиевых проводов являются:

• большой вес, который при равной проводимости в 1,35 — 1,8 раза больше веса алюминиевых проводов;

• жесткость провода и сложность устройств соединительных муфт, в которых стальная и алюминиевая части провода должны закрепляться отдельно;

• разные коэффициенты термического расширения алюминия и стали.

Другим путем увеличения прочности алюминиевых проводов является применение алюминиевых сплавов, имеющих повышенную прочность при достаточно высокой электропроводности.

Удачное сочетание высокой механической прочности и высокой электропроводности получают, применяя тройные алюминиевые сплавы, одновременно содержащие кремний и магний, и подвергая их специальной термической обработке.

Такие сплавы, уже оправдавшие себя на практике, носят название альдрея (в Германии), альмелека (во Франции), сильмалека (в Англии), 51 S (в США) и по существу представляют собой одно и то же. В СССР эти сплавы были больше известны под названием альдрея. Обязательными примесями, обусловливающими свойства альдрея, являются магний и кремний.

Коррозия алюминиевых проводов

По своим химическим и электрохимическим свойствам алюминий относится к наиболее “неблагородным” металлам, т. е. к металлам, наиболее подверженным химическим и электрохимическим взаимодействиям с окружающей средой, влекущим к его разрушению, т. е. коррозии.

Практическое значение имеет стойкость голых электрических проводов против атмосферной коррозии. В чистом сухом воздухе возможна чисто химическая коррозия металлов, которая при нормальной температуре обычно ограничивается образованием на металле тончайшей окисной пленки, которая и препятствует дальнейшему окислению металла. Однако благодаря постоянному присутствию в атмосфере влаги и газов атмосферная коррозия металлов носит преимущественно электрохимический характер.

Атмосферная влага при известных условиях (100% влажности воздуха) может конденсироваться на металле и вместе с абсорбированными в ней газами образовывать необходимый для протекания электрохимической коррозии электролит. Продукты коррозии, грязь и тому подобные вещества, способные абсорбировать влагу, могут создать условия для электрохимической коррозии металла и при влажности воздуха, меньшей 100%.

Для возникновения процесса электрохимической коррозии кроме электролита необходимо наличие на корродирующем участке металла разности потенциалов. Чаще всего эта разность потенциалов возникает вследствие контакта двух разных металлов. Контакт между металлами, вызывающий коррозию, может быть “микроскопическим”, в виде соприкасающихся деталей из разных металлов или сплавов (например, провод и клемма). Коррозию подобного рода контактов мы будем рассматривать в главе о неподвижных контактах.

При коррозии металлов, не образующих явного контакта с другими металлами (автокоррозия), играют роль микроскопические контакты, образованные между основным металлом и микроскопическими включениями в нем в виде структурных элементов или случайно попавших в процессе производства частиц. В этом случае образуется так называемый микроэлемент, работающий подобно гальваническому элементу.

Схемы работы микроэлемента:

Металл анода замещает водород в растворе и переходит в раствор в виде иона. Водород (в атомном состоянии) выделяется на более благородном электроде катода, причем катод не разрушается. Очевидно, что автокоррозия металла будет тем меньше, чем меньше металл содержит посторонних включений. Если содержащиеся в металле примеси находятся в твердом растворе, то они менее вредны, чем примеси, присутствующие в виде отдельных включений.

Алюминий, несмотря на свою высокую химическую активность, в чистом воздухе очень стоек, так как быстро покрывается тонкой окисной пленкой (толщина 2 • 10-6 мм), которая препятствует его дальнейшему окислению. Очень чистый алюминий также стоек против действия электролитов, но присутствующие в техническом алюминии примеси понижают его стойкость против коррозии.

Постоянными примесями в алюминии, ведущими свое начало от сырья и материалов, служащих для производства алюминия, являются кремний, железо, кислород и углерод. Прочие примеси в алюминии, в том числе медь и цинк, имеют, главным образом, случайный характер и попадают во время переплавки металла. Присутствие в алюминии меди или цинка является признаком переплавки его из отходов или из старого материала. Из примесей, содержащихся в алюминии, обычно нормируются кремний, железо, медь и цинк.

Частой причиной коррозии составляют дефекты монтажа. Сюда относятся порча поверхности проводов вследствие протаскивания по твердому грунту, а также загрязнение поверхности проводов известью при протаскивании по известковой почве.

Встречаются случаи скручивания алюминиевого провода медной проволокой или применение для соединения проводов клемм из неподходящего материала. Допускаются такие грубейшие ошибки монтажа, как прямое применение меди и алюминия при монтаже электропроводки (Смотрите – Почему нельзя соединять медь и алюминий в электропроводке).

Испытания на экспериментальной линии из алюминиевых проводов на острове Зюльт

В 1926 г. на острове Зюльт была установлена экспериментальная линия из алюминиевых проводов, имевшая целью доказать возможность применения алюминия для электропроводов в тяжелых атмосферных условиях при надлежащих обработке и монтаже, а также испытать некоторые проводниковые алюминиевые сплавы и специальную арматуру для алюминиевых проводов.

Местом испытания был избран западный берег острова Зюльт в Северном море, отличающийся суровыми условиями для службы проводов: сильные ветры, тучи песка, воздух, насыщенный морской влагой, содержащей соли.

Материал для проводов, выдержавший подобные условия, может считаться вполне пригодным для службы в нормальных условиях. Провода были укреплены на деревянных мачтах при расстояниях между ними в 35 — 50 м. Общая длина линии 1 км. По проводам передавалась энергия от генератора мощностью 4,5 кВА, при 50 Гц и 115 В. Ток, протекавший по проводам, равнялся 39,2 А.

Линия состояла из трех участков. Первый участок был расположен по дюнам и подвергался особенно сильному действию ветра и бурь. Этот участок был предназначен для испытания арматуры и соединительных клемм против действия вибраций и раскачиваний ветром.

Второй участок был оборудован проводами, изготовленными из разных материалов. Расположен он был в 300 м от берега моря.

Третий участок отстоял от берега моря всего на 200 м и предназначался для испытания на коррозию новых алюминиевых сплавов.

В первом участке был натянут провод из алюминия, недостаточно чистого (99,2%) и отожженного при 350° с целью установить влияние такой обработки на сопротивление провода коррозии.

Во втором участке был провод из алюминия нормальной чистоты (99,6%) и для сравнения с ним — медный провод. Для того чтобы влияние коррозии быстрее сказалось, провода были взяты небольшого сечения (35 мм2), состоявшие из тонких проволок.

В последнем (третьем) участке были натянуты провода из альдрея, специального сплава N° 2 и алюминия (99,2%). С целью повышения коррозионной стойкости алюминиевый провод был закален при 500°.

Сплав №2 отличался тем, что заключавшиеся в нем специальные примеси находились в твердом растворе частично, а не полностью, как у альдрея. Теоретически надо было ожидать понижения устойчивости против коррозии проводов в следующем порядке: алюминиевый провод 99,6, алюминиевый провод 99,2/500, затем 99,2/350 и, наконец, сплав № 2.

В 1927 г. была установлена параллельная проводка, от которой периодически брались концы проводов и испытывались механически, а также проверялось их электрическое сопротивление.

Ко времени окончания испытания (1932 г.) провода в общем сохранились хорошо. На всех алюминиевых проводах через несколько месяцев от начала испытаний образовалась серая плотная и равномерная пленка, которая в дальнейшем почти не изменялась. Провод из альдрея имел почти такой же вид, тогда как провод из сплава № 2 проявил слабые следы коррозии. На поверхности медного провода вначале образовалась лишь тонкая патина, но к концу испытания появились мелкие язвинки и провод выглядел хуже, чем алюминиевые. 

Уменьшение сопротивления разрыву у всех проводов должно быть отнесено за счет уменьшения прочности самого материала вследствие внутренних структурных изменений под атмосферными воздействиями, а не за счет коррозии, которая, как указано выше, почти не была заметна. Это подтверждается тем, что кривые сопротивления разрыву шли параллельно, т. е. сечение проводов не изменяется, в то время как электрическое сопротивление, например, у провода N° 2 заметно возросло.

Из результатов испытания был сделан вывод вывод, что при надлежащем монтаже все провода из алюминия в отношении устойчивости против коррозии не хуже медных, а провод из высоко чистого алюминия при правильной обработке даже несколько лучше медного.

Проводниковая медь

По электрической проводимости медь занимает второе после серебра место среди всех металлов. Удельная электропроводность наиболее чистой электролитической меди при 20° равна 59,1 МСм/м. Так называемая стандартная медь, по отношению к которой часто выражают в процентах проводимость других проводниковых металлов и сплавов, имеет при 20° в отожженном состоянии проводимость 58 МСм/м (удельное электросопротивление 1,720 · 10−8 (Ом · м)).

Примеси, как правило, понижают проводимость меди. Значительно также влияние кислорода: при малых количествах кислорода проводимость меди несколько улучшается.

Это объясняется тем, что кислород окисляет незначительные примеси других элементов, присутствующих в самых чистых сортах проводниковой меди, и выводит их из твердого раствора, вследствие чего электропроводность меди повышается. Дальнейшее увеличение содержания кислорода влияет так же, как и других примесей, т. е. увеличивает удельное сопротивление меди.

Для проводов применяется электролитическая (катодная) медь, содержащая согласно нормам не более 0,05% примесей.

Используется также бескислородная медь высокой проводимости, получаемая путем переплавки в восстановительной атмосфере (27 — 28% СО, 0,5% С02, остальное азот).

Металлографически такая медь совершенно свободна от закиси меди. Основным преимуществом бескислородной меди является ее высокая пластичность, особенно после отжига в восстановительной атмосфере, благодаря невосприимчивости ее к так называемой водородной болезни.

Электропроводность, а также механическая прочность бескислородной меди как в наклепанном, так и в отожженном виде практически не отличаются от тех же свойств меди, переплавленной обычным способом.

Медная проводниковая проволока применяется как в отожженном после протяжки виде (мягкая проволока), так и в неотожженном (твердая проволока). Холодная протяжка, применяемая для увеличения механической прочности медной проволоки, несколько понижает ее проводимость.

Медь в отожженном состоянии имеет сопротивление разрыву около 22 кг/мм2. Для повышения прочности медную проволоку подвергают протяжке в холодном состоянии, вследствие чего сопротивление разрыву может быть увеличено до 40 — 45 кг/мм2. Удлинение при этом сильно падает, а предел текучести приближается к сопротивлению разрыву. Температура рекристаллизации меди лежит около 200°. После нагрева выше 200° происходит резкое падение сопротивления разрыву наклепанной медной проволоки.

Коррозия медных проводов

В нормальной атмосфере медь довольно устойчива против коррозии. Благодаря высокому электрохимическому потенциалу для меди не опасен контакт со многими другими металлами, как, например, с железом, цинком, алюминием и др. Однако примеси в атмосфере некоторых веществ вызывают значительную коррозию меди. Коррозию меди усиливают сернистый газ, окислы азота и пары азотной кислоты, аммиак, сероводород, хлор и хлористые соли.

Медный провод, который испытывался в естественных условиях на берегу моря вместе с алюминиевыми, как уже было сказано выше, к концу пятилетнего испытания внешне выглядел хуже алюминиевого и был покрыт мелкими изъязвлениями. Прочность его также несколько упала, и авторы исследования пришли к выводу, что высоко чистый алюминий сопротивляется атмосферной коррозии даже несколько лучше, чем медь.