1. Introdução:
O uso humano do cobre remonta a 10.000 anos atrás. Um artefato de 8.700 anos, um protetor auricular de cobre, foi descoberto no norte do Iraque. A China tinha peças de bronze há mais de 4.000 anos, durante a era Xia Yu.
A aplicação do cobre como condutor tem uma história de mais de 200 anos, desde a sua descoberta e aplicação no final do século XVIII com eletricidade.
O alumínio, por ser um metal jovem, era chamado de “ouro prateado” em meados do século XIX, ainda mais precioso que o ouro.
Somente em 1886 o cientista americano Hall pesquisou e desenvolveu de forma independente o método eletrolítico para a produção de alumínio, o que tornou possível a industrialização.
O alumínio começou a ser usado como condutor em 1896, quando o cientista britânico Colly ergueu o primeiro fio trançado de alumínio suspenso em Bolton.
Em 1910, a American Aluminium Association inventou um fio trançado de alumínio com núcleo de aço e o ergueu acima das Cataratas do Niágara.
Desde então, as linhas aéreas de transmissão de alta tensão foram gradualmente substituídas por fios trançados de alumínio com núcleo de aço. Além disso, os países industriais desenvolvidos da Europa e da América começaram a utilizar condutores de alumínio para substituir condutores de cobre como linhas de distribuição em 1910.
Hoje em dia, cerca de 14% do alumínio produzido no mundo é utilizado como material elétrico. Os Estados Unidos possuem o maior percentual de alumínio utilizado em fios, chegando a cerca de 35%.
Na China, a quantidade de alumínio utilizada pela indústria elétrica representa cerca de um terço do consumo total de alumínio no país, principalmente para transmissão de alta tensão.
No entanto, a proporção de condutores de alumínio utilizados na distribuição de energia é inferior a 5%. A escolha entre condutores de cobre e alumínio é influenciada por fatores históricos, condições nacionais, situações de recursos e outros fatores.
Na década de 1950, o preço do cobre subiu rapidamente e a indústria mundial de fios e cabos propôs substituir o cobre pelo alumínio.
Para atingir o mesmo desempenho elétrico, a área da seção transversal dos condutores de alumínio precisava ser dois níveis maior que a dos condutores de cobre ou aumentada em 50%.
A mesma proposta foi feita nas décadas de 1960 e 1970 pelas mesmas razões. Desde 2005, a proposta de substituição do cobre pelo alumínio voltou a ser levantada.
Com o avanço da tecnologia, desta vez a substituição do cobre pelo alumínio é feita principalmente por liga de alumínio em vez de alumínio puro.
Qual a perspectiva de substituir o cobre pelo alumínio? Precisamos ter uma melhor compreensão das propriedades das ligas de alumínio, cobre e alumínio.
2. Comparação de cobre e alumínio
2.1 Comparação de desempenho entre alumínio e cobre (20℃)
| alumínio | Alumínio | Cobre | |||||
| Recozido | Difícil (H8) | Recozido | Duro | ||||
| Densidade de peso atômico/kgm-3resistividade/n Ω · mcondutividade/% IACS | 26,98 2700 |
63,54 8890 |
|||||
| 27,8 62 |
28,3 61 |
17.24 100 |
17,77 97 |
||||
| Coeficiente de resistência de temperatura/(n Ω · m) · K-1 | 0,1 | 0,1 | 0,09825 | 0,09525 | |||
| Resistência à tração/MPa | 80-110 | 150-200 | 200~270 | 350470 | |||
| Módulo de elasticidade positivo/MPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |||
| Coeficiente de expansão linear/ × 10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |||
| Capacidade térmica específica | /J（kgK）-1/J（℃.cm3）-1 | 900 2,38 |
392 3,42 |
||||
| Condutividade térmica/W · (m · K) –1 | 231 | 436 | |||||
| Resistência térmica/K · W-1 | 0,491 | 0,259 | |||||
| Potencial do eletrodo calomelano/V | -0,75 | -0,22 | |||||
| Dureza Brinell | cerca de 25 | cerca de 45 | cerca de 60 | cerca de 120 | |||
| Ponto de fusão /℃ | 600 | 1083 | |||||
| Calor de fusão/ × 105Jkg-1 | 3.906 | 2.142 | |||||
Nota: Os dados são do “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook” 2ª Edição.
2.2 Aplicação de Condutores de Cobre e Alumínio em Cabos de Energia
Em termos de padrões de produção de cabos, toda a fabricação de cabos de alimentação segue GB12706.1-2008 “Cabos de alimentação isolados extrudados e acessórios com tensão nominal de 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cabos com classificação Tensão de 1kV (Um=1,2kV) e 3kV (Um=3,6kV)”, onde os condutores do cabo são produzidos de acordo com GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 “Condutores para Cabos” tem disposições claras que podem usar o primeiro ou segundo tipo de condutor de cobre recozido com ou sem uma camada de metal banhado a ouro, ou condutor de alumínio ou liga de alumínio.
Resistência à tração e condutividade do alumínio elétrico
| Estado | σb/MPa | Resistividade (máx.) /(Ωmm2)m-1 |
Condutividade (min) /% IACS |
| 1350-O | 58,3~98 | 0,027899 | 61,8 |
| 1350-H12 ou H22 | 82,3~117,6 | 0,028035 | 61,5 |
| 1350-H14 ou 24 | 102,9~137,2 | 0,028080 | 61,4 |
| 1350-H16 ou 26 | 117,6~150,9 | 0,028126 | 61,3 |
| 1350-H19 | 161,7~198,9 | 0,028172 | 61,2 |
Nota: Os dados são do “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook” 2ª Edição.
2.3 Problemas com Condutores de Alumínio em Aplicações de Cabos de Energia
Nas décadas de 1960 e 1970, os preços do cobre dispararam globalmente. Por fatores políticos, o cobre era considerado um material estratégico e sujeito a controle comercial.
Como resultado, o alumínio foi amplamente utilizado como principal material condutor para cabos de transmissão, e “substituir o cobre pelo alumínio” tornou-se uma política técnica comum na indústria elétrica.
Foi necessária aprovação para escolher cabos condutores de cobre.
Portanto, cabos de alumínio puro foram utilizados para as linhas principais e ramais de edifícios civis.
As desvantagens dos condutores de alumínio puro (AA1350) refletem-se principalmente nos seguintes aspectos:
(1) Fraca resistência mecânica, fácil de quebrar.
(2) Suscetíveis a deformação, os parafusos precisam ser apertados regularmente.
(3) Fácil de sobrecarregar e gerar calor, causando riscos à segurança.
(4) Não existe uma boa solução para o problema da conexão de transição cobre-alumínio.
Estes problemas não são enfrentados apenas pela China, mas também pela indústria mundial de cabos. Com a melhoria da situação internacional e a implementação das políticas de reforma e abertura da China, podemos facilmente importar uma grande quantidade de recursos de cobre do estrangeiro, e a diferença de preço entre o cobre e o alumínio não é significativa.
Assim, a substituição do cobre pelo alumínio tornou-se gradualmente menos popular na China. Ao mesmo tempo, países estrangeiros desenvolveram ativamente novos condutores de liga de alumínio e resolveram os problemas de conexão entre condutores e terminais de liga.
Eventualmente, os Estados Unidos e a Europa aplicaram extensivamente condutores de liga de alumínio em linhas de distribuição. No Código Elétrico Nacional dos Estados Unidos (5) NEC330.14, está estipulado que: “Condutores sólidos com áreas de seção transversal de 8, 10, 12AWG (equivalente a 8,37 mm2, 5,26 mm2, 3,332 mm2 na China) devem ser fabricados de materiais de liga de alumínio de grau elétrico da série AA8000.
Condutores trançados de 8AWG (equivalente a 8,37 mm2 na China) a 1000kcmil (equivalente a 506,7 mm2 na China) são marcados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, tipo de entrada de serviço SE Estilo U e SE Estilo R deve ser feito de materiais condutores de liga de alumínio de grau elétrico da série AA-8000.”
3. Condutores de liga de alumínio
3.1 Desenvolvimento de Condutores de Liga de Alumínio
As ligas de alumínio usadas como condutores experimentaram um rápido desenvolvimento nas décadas de 1960 e 1970 devido ao aumento dos preços do cobre.
Na lista de ligas de alumínio da Associação Internacional da Indústria de Alumínio, as principais ligas de alumínio usadas como condutores são os condutores da série AA1000 (alumínio puro), da série AA6000 (liga Al-Mg-Si) e da série AA8000 (Al-Mg-Cu- Liga de Fe) condutores. Os condutores da série AA1000 são usados principalmente em linhas aéreas de alta tensão; Os condutores da série AA6000 Al-Mg-Si são usados principalmente em linhas aéreas de alta tensão e barramentos de alumínio.
Ambos os tipos de condutores existem em estado duro e a soldagem é o principal método para conexões de juntas. A série AA8000 Al-Mg-Cu-Fe é uma liga de alumínio macio que é realmente usada na linha de distribuição.
A liga de alumínio da série AA8000 obteve uma série de patentes nas décadas de 1960 e 1970.
Liga de alumínio
| Nome da liga | Número de patente dos EUA | |
| ANSI-H35.1 | ONU | |
| 8017 | A98017 | |
| 8030 | A98030 | 3711339 |
| 8076 | A98076 | 3697260 |
| 8130 | A98130 | |
| 8176 | A98176 | RE28419 |
| 8176 | A98176 | RE30465 |
| 8177 | A98177 | |
3.2 A principal composição química dos condutores da série AA8000 é a seguinte:
| Liga de alumínio | Porcentagem de composição química com base na qualidade | |||||||||
| ANSI | ONU | Alumínio | Silício | Ferro | Cobre | Magnésio | Zinco | Boro | Outros (total) | Outros (total) |
| 8017 8030 8076 8130 8176 8177 |
A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177 |
Residual Residual Residual Residual Residual Residual | 0,10 0,10 0,10 0,15B 0,03-0,15 0,10 |
0,55-0,8 0,30-0,8 0,6-0,9 0,40-1,0B 0,40-1,0 0,25-0,45 |
0,10-0,20 0,15-0,30 0,04 0,05-0,15 …… 0,04 |
0,01-0,05 0,05 0,08-0,22 … … 0,04-0,12 |
0,05 0,05 0,05 0,10 0,10 0,05 |
0,04 0,001-0,04 0,04 … …0,04 |
0,03A 0,03 0,03 0,03 0,05C 0,03 |
0,10 0,10 0,10 0,10 0,15 0,10 |
- R: O teor máximo de lítio é 0,03.
- B: O teor máximo de silício e ferro é 1,0.
- C: O teor máximo de gálio é 0,03.
Nota: Dados provenientes do Manual do Condutor Elétrico de Alumínio, Terceira Edição.
3.3 Comparação entre condutores da série AA8000 e condutores de alumínio puro (AA1350).
Devido à adição de elementos de cobre/ferro/magnésio, estes elementos desempenham um papel muito crítico na liga:
Cobre: Aumenta a estabilidade da resistência elétrica da liga em altas temperaturas.
Ferro: A resistência anti-fluência e à compressão são aumentadas em 280%, evitando problemas de relaxamento causados pela fluência.
Magnésio: Pode aumentar os pontos de contato e possui maior resistência à tração sob a mesma pressão de interface.
Desempenho da liga de alumínio para fio macio
| Item | σb/MPa | σ0,2/MPa | σ/% | Condutividade /% IACS |
| 1350 | 74,5 | 27,5 | 32 | 63,5 |
| Triplo E | 95 | 67,7 | 33 | 62,5 |
| Super-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: Dados provenientes de Ligas de Alumínio e seu Manual de Processamento, Segunda Edição.
(1) Resistência mecânica: Na tabela, pode-se ver que, em comparação com os condutores de alumínio puro AA1350, a resistência à tração dos condutores da série AA8000 é de cerca de 150% do alumínio puro e a resistência ao escoamento é de cerca de 200% do alumínio puro.
(2) Desempenho anti-fluência: No teste de fluência de 500 horas, pode-se observar que, em comparação com os condutores de alumínio puro AA1350, o desempenho anti-fluência das ligas da série AA8000 é de cerca de 280% do alumínio puro, atingindo basicamente o mesmo nível dos condutores de cobre.
3.4 Comparação entre liga de alumínio e condutores de cobre.
| Características do condutor | Densidade (g/m3) |
Ponto de fusão (℃) |
Coeficiente de expansão linear | Resistividade (Ω*mm2/m) |
Condutividade %IACS |
Resistência à tracção (MPa) |
Força de rendimento (MPa) |
Taxa de alongamento (%) |
| Cobre elétrico (Cu) | 8,89 | 1083 | 17*10-6 | 0,017241 | 100 | 220-270 | 60-80 | 30-45 |
| Liga de alumínio AA8000 | 2.7 | 660 | 23*10-6 | 0,0279 | 61,8 | 113,8 | 53,9 | 30 |
Em comparação com os condutores de cobre, verifica-se que, devido às diferentes resistividades, o IACS dos condutores de liga de alumínio AA8000 é 61,8% de cobre.
Quando aumentamos a área da seção transversal dos condutores de liga de alumínio em dois níveis ou a aumentamos para 150% da área da seção transversal dos condutores de cobre, seu desempenho elétrico é consistente.
A resistência à tração dos condutores de liga de alumínio é apenas metade da dos condutores de cobre (113,8:220MPa).
Devido à densidade da liga de alumínio AA8000 ser de apenas 30,4% dos condutores de cobre, mesmo que a área da seção transversal dos condutores de liga de alumínio seja aumentada para 150% da área da seção transversal dos condutores de cobre, o peso dos condutores de liga de alumínio é apenas 45% de condutores de cobre.
Isto torna a resistência à tração dos condutores de liga de alumínio relativamente vantajosa em comparação com os condutores de cobre.
O limite de escoamento dos condutores de liga de alumínio AA8000 é próximo ao dos condutores de cobre, tornando o desempenho de fluência dos condutores de liga de alumínio próximo ao dos condutores de cobre.
Em termos de alongamento na ruptura, o condutor de liga de alumínio é basicamente igual ao condutor de cobre.
Devido aos diferentes coeficientes de expansão da liga de alumínio e dos condutores de cobre, não é adequado conectar diretamente os condutores de cobre e liga de alumínio. Garantimos a confiabilidade da conexão através do método a seguir.
3.5 Confiabilidade da conexão
O padrão GB14315-2008 para terminais e conectores de cobre e alumínio do tipo crimpagem para condutores de cabos de alimentação foi oficialmente implementado.
Nesta norma, o terminal de transição cobre-alumínio também foi oficialmente incluído na norma, fornecendo uma base teórica para a conexão de cabos de liga e barras de cobre ou equipamentos elétricos feitos de cobre.
Atualmente, existem basicamente três maneiras de usar transições cobre-alumínio:
(1) Cabo de liga + terminal de transição cobre-alumínio (o terminal é conectado diretamente à barra de cobre).
(2) Cabo de liga + terminal de alumínio (quando o terminal de alumínio é conectado ao barramento de cobre estanhado, o parafuso é apertado de acordo com o valor de torque fornecido pela norma nacional e uma arruela em forma de disco é adicionada para garantir uma conexão eficaz entre metais de cobre e alumínio durante a expansão e contração térmica).
(3) Cabo de liga + terminal de alumínio + arruela bimetálica (a parte de alumínio da arruela é conectada ao terminal de alumínio e a parte de cobre é conectada ao barramento de cobre).
Todos esses métodos de conexão exigem 1.000 ciclos de teste de ciclo térmico de acordo com IEC61238-2008 ou GB9327-2008, simulando 30 anos de uso para garantir a confiabilidade das conexões de cabos.
Os testes de ciclo térmico conduzidos pela Georgia Power Company e pelo Shanghai Cable Research Institute mostraram que a conexão de cabos de liga é segura e confiável, e os dados experimentais mostram que a confiabilidade de sua conexão é ainda mais estável do que a dos condutores de cobre.
4. Status dos recursos de cobre e alumínio
4.1 Numa perspectiva global sobre os recursos de cobre e alumínio
Segundo dados do US Geological Survey (USGS), o elemento cobre representa menos de 0,01% do conteúdo dos elementos da crosta, enquanto o elemento alumínio representa 7,73% do conteúdo dos elementos da crosta.
O conteúdo do elemento alumínio é mais de 1000 vezes maior que o do elemento cobre na crosta. Com base na taxa de consumo atual, os recursos globais de cobre podem suportar mais 32 anos de utilização a uma taxa de crescimento de 3% ao ano.
Quanto aos recursos de alumínio, com base na escala atual de mineração (cerca de 140 milhões de toneladas por ano), as reservas de bauxita existentes são suficientes para atender às necessidades da indústria mundial de alumínio há quase 180 anos.
4.2 Situação dos recursos nacionais de cobre e alumínio
Desde 2004, a China exportou cerca de 10% da sua procura anual de alumínio, resultando num grave excesso de capacidade.
Ao mesmo tempo, de acordo com estatísticas da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, de 2004 a 2006, a lacuna anual de cobre na China ultrapassou 1,3 milhão de toneladas.
De acordo com dados do Anuário Estatístico da China de 2008, em 2007, a China importou 4,52 milhões de toneladas de minério de cobre e cobre refinado, e o valor das importações de cobre e seus produtos foi de 27,1 mil milhões de dólares.
O mercado de cobre metálico da China depende fortemente das importações e a procura insaciável da China por materiais de cobre levou a um aumento contínuo dos preços internacionais do cobre.
As empresas chinesas também partiram para o estrangeiro com um entusiasmo sem precedentes, adquirindo empresas mineiras estrangeiras e explorando minas não chinesas, pagando um preço que ainda é lembrado pelo povo chinês.
Desde o início de 2004, os preços do cobre aumentaram mais de 200%, enquanto os preços do alumínio não flutuaram tão dramaticamente como os preços do cobre.
Alterar a grave dependência dos materiais de cobre é fundamental para mudar a relação internacional de oferta e procura, poupar divisas, fazer pleno uso dos recursos internos e garantir o desenvolvimento sustentável da indústria energética.
5. Conclusão
Devido à excelente condutividade elétrica e propriedades mecânicas dos condutores de liga de alumínio, as desvantagens de conexão não confiável, baixa resistência mecânica e fácil fluência dos condutores de alumínio foram melhoradas.
Seu desempenho mecânico é comparável ao dos condutores de cobre. O desempenho elétrico pode ser alcançado aumentando a área da seção transversal, que possui a mesma condutividade dos condutores de cobre.
Portanto, condutores de liga de alumínio são amplamente utilizados em sistemas de distribuição de baixa tensão.
A promoção e aplicação de condutores de liga de alumínio no mercado interno economizarão uma grande quantidade de recursos de cobre, reduzirão a dependência do país de recursos estrangeiros de cobre, economizarão muitas divisas e permitirão que os usuários economizem dinheiro.
Também torna mais fácil para os instaladores instalá-los. Com muitas vantagens, temos motivos para acreditar que a aplicação de condutores de liga de alumínio em cabos de energia de baixa tensão se tornará mais popular e que a tendência de substituição do cobre pelo alumínio causará uma revolução na indústria de cabos.
