1 . Introducción
El uso del cobre por parte del hombre se remonta a hace 10.000 años. En el norte de Irak se descubrió un artefacto, un tapón de cobre para los oídos, que data de hace 8.700 años, y en China existían piezas de bronce hace más de 4.000 años, durante la era Xia Yu.
La aplicación del cobre como conductor ha durado más de 200 años, desde el descubrimiento y aplicación de la electricidad a finales del siglo XVIII.
El aluminio, un metal relativamente joven, era conocido a mediados del siglo XIX como “oro plateado”, más precioso que el oro, hasta 1886, cuando el científico estadounidense Hall desarrolló de forma independiente el método electrolítico del aluminio, allanando el camino para la producción industrial.
El uso del aluminio como conductor comenzó en 1896, cuando el británico Sir William Crookes erigió el primer cable trenzado de aluminio aéreo del mundo en Bolton.
En 1910, Hupp de la Asociación del Aluminio de Estados Unidos inventó el alambre trenzado de aluminio con núcleo de acero, erigido sobre las Cataratas del Niágara. Desde entonces, las líneas aéreas de transmisión de alto voltaje han sido reemplazadas gradualmente por cables trenzados de aluminio con núcleo de acero.
Además, los países industrializados occidentales comenzaron a utilizar conductores de aluminio para reemplazar a los conductores de cobre como cables de distribución en 1910.
Actualmente, alrededor del 14% del aluminio producido a nivel mundial se utiliza como material eléctrico, siendo Estados Unidos el líder en el uso de aluminio en cables eléctricos, alcanzando alrededor del 35%.
La cantidad de aluminio utilizada por los departamentos eléctricos de China representa aproximadamente un tercio del consumo total de aluminio, utilizado principalmente para la transmisión de alto voltaje, mientras que la proporción de conductores de aluminio utilizados en la distribución es inferior al 5%. El uso de cobre o aluminio como conductores está influenciado por las condiciones históricas, nacionales y de recursos.
En la década de 1950, cuando el precio del cobre aumentaba rápidamente, la industria mundial de alambres y cables propuso reemplazar el cobre por aluminio. Para lograr el mismo rendimiento eléctrico, el área de la sección transversal del conductor de aluminio debe ser dos niveles mayor o aumentar en un 50% en comparación con el conductor de cobre.
En las décadas de 1960 y 1970, por las mismas razones, se propuso sustituir el cobre por aluminio. Desde 2005 hasta la actualidad se ha vuelto a presentar la propuesta de sustituir el cobre por aluminio.
Con el avance de la tecnología, esta vez la sustitución del cobre por aluminio se refiere principalmente a la sustitución del cobre por una aleación de aluminio. ¿Cuál es la perspectiva de sustituir el cobre por aluminio? Necesitamos comprender más sobre las propiedades del aluminio, el cobre y las aleaciones de aluminio.
2. Comparación de cobre y aluminio
2.1 Comparación de rendimiento del aluminio y el cobre (20°C)
| Actuación | Aluminio | Aluminio | Cobre | Cobre | |
| Recocido (0) | Difícil (H8) | recocido | Duro | ||
| Peso atomico | 26,98 | 63,54 | |||
| Densidad/kgm -3 | 2700 | 8890 | |||
| Resistividad/nΩ·m | 27,8 | 28.3 | 17.24 | 17,77 | |
| Conductividad/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Coeficiente de temperatura de resistencia/(nΩ·m)·K -1 | 0.1 | 0.1 | 0.09825 | 0.09525 | |
| Resistencia a la tracción/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Módulo de Young/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Coeficiente de expansión lineal/×10-6K -1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Capacidad calorífica específica | /J（kg·K） -1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃·cm3） -1 | 2.38 | 3.42 | |||
| Conductividad Térmica/W·(m·K) | 231 | 436 | |||
| Resistencia Térmica/K·W -1 | 0,491 | 0,259 | |||
| Potencial del electrodo de mercurio/V | -0,75 | -0,22 | |||
| Dureza Brinell | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Punto de fusión/℃ | 600 | 1083 | |||
| Calor de fusión/ × 10 5 J·kg -1 | 3,906 | 2,142 | |||
Nota: Los datos provienen de la segunda edición del “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
2.2 Aplicación de conductores de cobre y aluminio en cables de alimentación
Desde el punto de vista de los estándares de producción de cables, toda la fabricación de cables de alimentación sigue GB12706.1-2008 “Cables de alimentación y accesorios aislados extruidos con tensiones nominales de 1 kV (Um=1,2 kV) a 35 kV (Um=40,5 kV): Parte 1 : Cables con tensiones nominales de 1kV (Um=1,2kV) y 3kV (Um=3,6kV)”, donde los conductores de cable se producen de acuerdo con GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 “Conductores de cable” tiene regulaciones explícitas que permiten el uso del primer o segundo tipo de conductores de cobre recocido con o sin revestimiento metálico, conductores de aluminio o aleación de aluminio.
Resistencia a la tracción y conductividad eléctrica del aluminio eléctrico.
| Estado | σb/MPa | Resistividad Máxima (Ω·mm 2 /m) | Conductividad (mínima) / %IACS |
| 1350-0 | 58,3~98 | 0.027899 | 61,8 |
| 1350-H12 o H22 | 82,3~117,6 | 0.028035 | 61,5 |
| 1350-H14 o 24 | 102,9~137,2 | 0.028080 | 61,4 |
| 1350-H16 o 26 | 117,6~150,9 | 0.028126 | 61.3 |
| 1350-H19 | 161,7~198,9 | 0.028172 | 61.2 |
Nota: Los datos provienen de la segunda edición del “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
2.3 Problemas con conductores de aluminio en aplicaciones de cables de alimentación
En los años sesenta y setenta, el precio mundial del cobre se disparó. Por factores políticos, el cobre fue regulado como material estratégico y, en el mercado interno, el aluminio fue ampliamente utilizado como principal material conductor de cables de transmisión.
La política de “reemplazar el cobre por aluminio” se ha convertido en una política técnica común en la industria eléctrica, y el uso de cables conductores de cobre requiere aplicaciones de informes.
En consecuencia, todas las líneas principales y ramales de edificios civiles utilizaron cables de aluminio puro. Las desventajas de los conductores de aluminio puro (AA1350) se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Mala resistencia mecánica, se rompe fácilmente,
(2) Propenso a la deformación, que requiere apretar frecuentemente los tornillos,
(3) Se sobrecalienta fácilmente bajo sobrecargas, lo que representa un peligro para la seguridad.
(4) El problema de la unión de transición entre el cobre y el aluminio no está bien abordado.
Estos problemas no sólo se enfrentan a nivel nacional, sino que también prevalecen en la industria mundial del cable. Sin embargo, con la mejora de las relaciones internacionales y la implementación de la reforma y apertura de China, hemos logrado importar una gran cantidad de recursos de cobre del exterior, y la diferencia de precio entre el cobre y el aluminio se ha vuelto insignificante, lo que lleva a una eliminación gradual. de la tendencia de “el aluminio reemplazando al cobre” en el mercado interno.
Al mismo tiempo, los países extranjeros han desarrollado activamente nuevos conductores de aleación de aluminio para resolver los problemas de conexión entre conductores y terminales de aleación.
Con el tiempo, Estados Unidos y Europa utilizaron ampliamente conductores de aleación de aluminio en las líneas de distribución.
Según el Código Eléctrico Nacional Estadounidense (5) NEC330.14: “Los conductores sólidos con una sección transversal de 8, 10, 12 AWG (equivalente a tamaños domésticos de 8,37 mm2, 5,26 mm2, 3,332 mm2) deben estar fabricados con materiales eléctricos de la serie AA8000. Materiales de aleación de aluminio de calidad.
Los conductores trenzados desde 8AWG (equivalente a un tamaño doméstico de 8,37 mm2) hasta 1000 kcmil (equivalente a un tamaño doméstico de 506,7 mm2), etiquetados como tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de servicio tipo SE estilo U y SE estilo R, deberán ser hecho de materiales conductores de aleación de aluminio de grado eléctrico de la serie AA-8000”.
3. Conductores de aleación de aluminio.
3.1 El desarrollo de conductores de aleación de aluminio
El rápido desarrollo de las aleaciones de aluminio utilizadas como conductores fue provocado por el aumento significativo de los precios del cobre durante las décadas de 1960 y 1970. Dentro de las designaciones de aleaciones de la Asociación del Aluminio, los principales tipos de aleaciones de aluminio utilizadas como conductores incluyen la serie AA1000 (aluminio puro), el Serie AA6000 y serie AA8000.
La serie AA1000 se utiliza principalmente para líneas aéreas de alta tensión. La serie AA6000 Al-Mg-Si (aleación de aluminio-magnesio-silicio) se emplea principalmente para líneas aéreas de alta tensión y barras colectoras de aluminio; Ambos tipos de conductores existen en estado duro, y las conexiones se logran principalmente mediante soldadura.
La serie AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (aleación de aluminio-magnesio-cobre-hierro) representa la verdadera aleación de aluminio blando utilizada en líneas de distribución. La serie AA8000 de aleaciones de aluminio obtuvo numerosas patentes durante las décadas de 1960 y 1970.
| nombre de la liga | número de patente estadounidense | |
| ANSI-H35.1 | Naciones Unidas | |
| 8017 | A98017 | …… |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | …… |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | …… |
3.2 Los principales componentes químicos de los conductores de la serie AA8000 son los siguientes:
| aleación de aluminio | Porcentaje de composición química en función de la calidad. | |||||||||
| ANSI | Naciones Unidas | Aluminio | Silicio | Hierro | Cobre | Magnesio | Zinc | Boro | Otros (Total) |
Otros (Total) |
| 8017 | A98017 | Residuo | 0,10 | 0,55-0,8 | 0,10-0,20 | 0,01-0,05 | 0,05 | 0,04 | 0.03A | 0,10 |
| 8030 | A98030 | Residuo | 0,10 | 0,30-0,8 | 0,15-0,30 | 0,05 | 0,05 | 0,001-0,04 | 0,03 | 0,10 |
| 8076 | A98076 | Residuo | 0,10 | 0,6-0,9 | 0,04 | 0,08-0,22 | 0,05 | 0,04 | 0,03 | 0,10 |
| 8130 | A98130 | Residuo | 0,15 mil millones | 0,40-1,0 mil millones | 0,05-0,15 | … | 0,10 | … | 0,03 | 0,10 |
| 8176 | A98176 | Residuo | 0,03-0,15 | 0,40-1,0 | …… | … | 0,10 | … | 0,05°C | 0,15 |
| 8177 | A98177 | Residuo | 0,10 | 0,25-0,45 | 0,04 | 0,04-0,12 | 0,05 | 0,04 | 0,03 | 0,10 |
R: El contenido máximo de litio es 0,03.
B: El contenido máximo de silicio y hierro es 1,0.
C: El contenido máximo de galio es 0,03.
Nota: Datos del Manual de conductores eléctricos de aluminio – Tercera edición.
3.3 Comparación entre conductores de la serie AA8000 y conductores de aluminio puro (AA1350).
La adición de elementos de cobre, hierro y magnesio juega un papel crucial en la aleación:
Cobre: Mejora la estabilidad de la resistencia eléctrica de la aleación a altas temperaturas.
Hierro: Aumenta la resistencia a la fluencia y la resistencia a la compresión en un 280%, previniendo problemas causados por el aflojamiento inducido por la fluencia.
Magnesio: Bajo la misma presión de la interfaz, puede aumentar los puntos de contacto y proporcionar una mayor resistencia a la tracción.
Rendimiento de la aleación de aluminio para cables eléctricos blandos
| Nombre de marca o producto | σb/MPa | σ0,2/MPa | δ/% | Marca o nombre del producto/%IACS |
| 1350 | 74,5 | 27,5 | 32 | 63,5 |
| Triple-E | 95 | 67,7 | 33 | 62,5 |
| Súper-T | 95 | 67,6 | 33 | 62,5 |
| X8076 | 108,8 | 60,8 | 22 | 61,5 |
| Estabiloy | 113,8 | 53,9 | 20 | 61,8 |
| Nico | 108,8 | 67,7 | 26 | 61.3 |
| X8130 | 102.0 | 60,8 | 21 | 62.1 |
Nota: Los datos provienen de la segunda edición del “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
(1) Resistencia mecánica: Como se puede ver en la tabla, en comparación con el conductor de aluminio puro AA1350, la resistencia a la tracción del conductor de la serie AA8000 es aproximadamente el 150 % del aluminio puro y su límite elástico es aproximadamente el 200 % del aluminio puro.
(2) Resistencia a la fluencia: A partir de la prueba de fluencia de 500 horas, es evidente que la resistencia a la fluencia de la aleación de la serie AA8000 es aproximadamente el 280% de la del conductor de aluminio puro AA1350, alcanzando esencialmente el mismo nivel que el cobre.
3.4 Comparación de conductores de cobre y aleación de aluminio
| Características del conductor | Cobre eléctrico (Cu) | Aleación de aluminio AA8000 |
| Densidad (g/mm³) | 8,89 | 2.7 |
| Punto de fusión (℃) | 1083 | 660 |
| Coeficiente de expansión lineal | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Resistividad eléctrica (Ω*mm²/m) | 0.017241 | 0.0279 |
| Conductividad eléctrica % IACS | 100 | 61,8 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 220-270 | 113,8 |
| Límite elástico (MPa) | 60-80 | 53,9 |
| Tasa de alargamiento (%) | 30-45 | 30 |
Al comparar los conductores de aleación de aluminio AA8000 y los conductores de cobre, encontramos que debido a las diferencias en resistividad, los valores del Estándar Internacional de Cobre Recocido (IACS) varían.
La aleación de aluminio AA8000 representa el 61,8% del valor del cobre. Cuando aumentamos el área de la sección transversal del conductor de aleación de aluminio en dos grados o la elevamos al 150% del área de la sección transversal del conductor de cobre, su rendimiento eléctrico se alinea.
En términos de resistencia a la tracción, el conductor de aleación de aluminio es sólo la mitad que el conductor de cobre (113,8 frente a 220 MPa).
Sin embargo, debido a que la densidad de la aleación de aluminio AA8000 es solo el 30,4% de la del conductor de cobre, incluso cuando el área de la sección transversal del conductor de aleación de aluminio aumenta al 150% de la del conductor de cobre, el peso del La aleación de aluminio del conductor es sólo el 45% del conductor de cobre.
Esta situación proporciona al conductor de aleación de aluminio ciertas ventajas en términos de resistencia a la tracción en comparación con el conductor de cobre.
El límite elástico del conductor de aleación de aluminio AA8000 es cercano al del conductor de cobre, lo que permite que las propiedades de fluencia del conductor de aleación de aluminio se acerquen a las del conductor de cobre.
En términos de alargamiento de rotura, el conductor de aleación de aluminio y el conductor de cobre son esencialmente iguales.
Debido a los diferentes coeficientes de expansión del conductor de aleación de aluminio y del conductor de cobre, no son adecuados para conexión directa. Garantizamos la confiabilidad de su conexión a través de los siguientes métodos.
3.5 Confiabilidad de la conexión
Se han implementado formalmente el terminal de cobre y aluminio tipo engarzado y el estándar de tubo conector GB14315-2008 para conductores de cables de alimentación.
En esta norma también se ha incorporado oficialmente el terminal de transición cobre-aluminio, proporcionando una base teórica para conectar cables de aleación a barras colectoras y equipos eléctricos de cobre.
Los principales métodos actuales para la transición cobre-aluminio son los siguientes:
1) Cable de aleación + terminal de transición cobre-aluminio (el terminal se conecta directamente al bus de cobre).
2) Cable de aleación + terminal de aluminio (cuando el terminal de aluminio y la barra colectora de cobre estañado estén conectados, apriete los tornillos de acuerdo con los valores de torque proporcionados por la norma nacional y agregue una arandela de disco para mantener la conexión efectiva de cobre y aluminio durante la operación térmica). expansión y contracción).
3) Cable de aleación + terminal de aluminio + arandela bimetálica (la parte de aluminio de la arandela se conecta al terminal de aluminio y la parte de cobre se conecta al bus de cobre).
Todos estos métodos de conexión requieren 1000 pruebas de ciclos térmicos de acuerdo con IEC61238-2008 o GB9327-2008, simulando 30 años de uso para garantizar la confiabilidad de las conexiones de los cables.
Las pruebas de ciclos térmicos realizadas por la Junta de Energía de Georgia en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Cables de Shanghai muestran que las conexiones de cables de aleación son seguras y confiables. Los datos de informes experimentales indican que su confiabilidad es incluso más estable que la de los conductores de cobre.
4. Recursos de cobre y aluminio.
Descripción general de los recursos de cobre y aluminio
Según datos del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), el contenido de cobre en la corteza terrestre es inferior al 0,01%, mientras que el aluminio constituye el 7,73%.
Así, el contenido de aluminio es más de 1000 veces mayor que el del cobre. Según las tasas de consumo actuales, con una tasa de crecimiento anual promedio del 3%, los recursos mundiales de cobre durarán otros 32 años.
Sin embargo, considerando la escala actual de extracción de aluminio (alrededor de 140 millones de toneladas/año), las reservas de bauxita existentes pueden satisfacer las necesidades de la industria mundial del aluminio durante casi 180 años.
5. Conclusión
Dadas las excelentes propiedades eléctricas y mecánicas de los conductores de aleación de aluminio, han mejorado la falta de fiabilidad de las conexiones de aluminio, la resistencia mecánica insuficiente y la propensión a la fluencia.
Estos conductores son similares al cobre en cuanto a rendimiento mecánico y, al aumentar el área de la sección transversal, pueden lograr la misma conductividad que el cobre, lo que los hace ampliamente aplicables en sistemas de distribución de bajo voltaje.
La promoción de conductores de aleación de aluminio en el mercado interno puede ayudar al país a ahorrar una cantidad significativa de recursos de cobre, reducir la dependencia de recursos de cobre extranjeros, ahorrar una cantidad sustancial de divisas y también proporcionar ciertos ahorros económicos a los usuarios, facilitando la instalación para instaladores.
Con tantas ventajas, es razonable creer que la aplicación de conductores de aleación de aluminio en cables eléctricos de baja tensión será ampliamente aceptada. La tendencia a sustituir el aluminio por cobre podría desencadenar una transformación en la industria del cable.
