1. Introdução
O uso de cobre pelos humanos remonta a 10.000 anos atrás. Um artefato – um protetor auricular de cobre – datado de 8.700 anos atrás, foi descoberto no norte do Iraque, e peças de bronze existiam na China há mais de 4.000 anos, durante a era de Xia Yu.
A aplicação do cobre como condutor já dura mais de 200 anos, desde a descoberta e aplicação da eletricidade no final do século XVIII.
O alumínio, um metal relativamente jovem, era conhecido como “ouro prateado” em meados do século XIX, mais precioso que o ouro, até 1886, quando o cientista americano Hall desenvolveu de forma independente o método eletrolítico do alumínio, abrindo caminho para a produção industrial.
O uso do alumínio como condutor começou em 1896, quando o britânico Sir William Crookes ergueu o primeiro fio trançado de alumínio aéreo do mundo em Bolton.
Em 1910, o Hupp da Associação de Alumínio da América inventou o fio trançado de alumínio com núcleo de aço, erguido sobre as 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 ocidentais industrializados começaram a usar condutores de alumínio para substituir condutores de cobre como fios de distribuição em 1910.
Atualmente, cerca de 14% do alumínio produzido mundialmente é utilizado como material elétrico, sendo os Estados Unidos líderes na utilização de alumínio em fios elétricos, atingindo cerca de 35%.
A quantidade de alumínio utilizada pelos departamentos eléctricos da China representa cerca de um terço do consumo total de alumínio, utilizado principalmente para transmissão de alta tensão, enquanto a proporção de condutores de alumínio utilizados na distribuição é inferior a 5%. O uso de cobre ou alumínio como condutores é influenciado pelas condições históricas, nacionais e de recursos.
Na década de 1950, com o rápido aumento do preço do cobre, a indústria global de fios e cabos propôs substituir o cobre pelo alumínio. Para atingir o mesmo desempenho elétrico, a área da seção transversal do condutor de alumínio precisa ser dois níveis maior ou aumentar em 50% em comparação com o condutor de cobre.
Nas décadas de 1960 e 1970, pelos mesmos motivos, foi feita a proposta de substituição do cobre pelo alumínio. De 2005 até hoje, a proposta de substituição do cobre pelo alumínio foi novamente apresentada.
Com o progresso da tecnologia, desta vez a substituição do cobre pelo alumínio refere-se principalmente à substituição do cobre pela liga de alumínio. Qual a perspectiva de substituir o cobre pelo alumínio? Precisamos entender mais sobre as propriedades das ligas de alumínio, cobre e alumínio.
2. Comparação de Cobre e Alumínio
2.1 Comparação de desempenho de alumínio e cobre (20°C)
| Desempenho | Alumínio | Alumínio | Cobre | Cobre | |
| Recozido (0) | Difícil (H8) | Recozido | Duro | ||
| Peso atômico | 26,98 | 63,54 | |||
| Densidade/kgm-3 | 2700 | 8890 | |||
| Resistividade/nΩ·m | 27,8 | 28,3 | 17.24 | 17,77 | |
| Condutividade/%IACS | 62 | 61 | 100 | 97 | |
| Coeficiente de resistência de temperatura/(nΩ·m)·K-1 | 0,1 | 0,1 | 0,09825 | 0,09525 | |
| Resistência à tração/MPa | 80-110 | 150-200 | 200-270 | 350470 | |
| Módulo de Young/GPa | 63 | 63 | 120 | 120 | |
| Coeficiente de Expansão Linear/×10-6K-1 | 23 | 23 | 17 | 17 | |
| Capacidade Específica de Calor | /J（kg·K）-1 | 900 | 392 | ||
| /J（℃·cm3）-1 | 2,38 | 3,42 | |||
| Condutividade Térmica/W·(m·K) | 231 | 436 | |||
| Resistência Térmica/K·W-1 | 0,491 | 0,259 | |||
| Potencial do eletrodo de mercúrio/V | -0,75 | -0,22 | |||
| Dureza Brinell | 25 | 45 | 60 | 120 | |
| Ponto de fusão/℃ | 600 | 1083 | |||
| Calor de fusão/ × 105J·kg-1 | 3.906 | 2.142 | |||
Nota: Os dados são provenientes da segunda edição do “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
2.2 Aplicação de Condutores Cobre-Alumínio em Cabos de Potência
Do ponto de vista dos padrões de produção de cabos, toda a fabricação de cabos de alimentação segue GB12706.1-2008 “Cabos de alimentação isolados extrudados e acessórios com tensões nominais de 1kV (Um=1,2kV) a 35kV (Um=40,5kV): Parte 1: Cabos com Tensões Nominais de 1kV (Um=1,2kV) e 3kV (Um=3,6kV)”, onde os condutores dos cabos são produzidos de acordo com GB/T3956-2008.
GB/T3956-2008 “Condutores de Cabos” possui regulamentações explícitas, permitindo o uso do primeiro ou segundo tipo de condutores de cobre recozidos com revestimento metálico ou não revestido de metal, condutores de alumínio ou liga de alumínio.
Resistência à tração e condutividade elétrica do alumínio elétrico
| Status | σb/MPa | Resistividade Máxima (Ω·mm2/m) | Condutividade (mínima) / %IACS |
| 1350-0 | 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 vêm da segunda edição do “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
2.3 Problemas com condutores de alumínio em aplicações de cabos de alimentação
Nas décadas de sessenta e setenta, o preço global do cobre disparou. Por fatores políticos, o cobre foi regulamentado como material estratégico e, no mercado interno, o alumínio foi amplamente utilizado como principal material condutor para cabos de transmissão.
A política de “substituir o cobre pelo alumínio” tornou-se uma política técnica comum na indústria elétrica, com o uso de cabos condutores de cobre exigindo aplicações de relatórios.
Conseqüentemente, todas as linhas principais e ramais de edifícios civis usavam cabos de alumínio puro. As desvantagens dos condutores de alumínio puro (AA1350) refletem-se principalmente nos seguintes aspectos:
(1) Fraca resistência mecânica, facilmente quebrada,
(2) Propenso a deformação, exigindo aperto frequente de parafusos,
(3) Superaquece facilmente sob sobrecargas, representando um risco à segurança,
(4) O problema da ligação de transição entre o cobre e o alumínio não é bem abordado.
Estas questões não são enfrentadas apenas internamente, mas também prevalecem na indústria global de cabos. No entanto, com a melhoria das relações internacionais e a implementação da reforma e abertura da China, conseguimos importar uma grande quantidade de recursos de cobre do estrangeiro, e a diferença de preço entre o cobre e o alumínio tornou-se insignificante, levando a uma eliminação gradual da a tendência de “alumínio substituindo cobre” no mercado interno.
Simultaneamente, países estrangeiros desenvolveram ativamente novos condutores de liga de alumínio para resolver os problemas de conexão entre condutores e terminais de liga.
Eventualmente, os Estados Unidos e a Europa utilizaram extensivamente condutores de liga de alumínio em linhas de distribuição.
De acordo com o Código Elétrico Nacional Americano (5) NEC330.14: “Condutores sólidos com seção transversal de 8, 10, 12AWG (equivalente a tamanhos domésticos de 8,37 mm2, 5,26 mm2, 3,332 mm2) devem ser feitos de materiais elétricos da série AA8000 materiais de liga de alumínio de qualidade.
Condutores trançados de 8AWG (equivalente ao tamanho doméstico de 8,37mm2) a 1000kcmil (equivalente ao tamanho doméstico de 506,7mm2), rotulados como Tipo RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, entrada de serviço Tipo SE Estilo U e SE Style 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 O Desenvolvimento de Condutores de Liga de Alumínio
O rápido desenvolvimento das ligas de alumínio utilizadas como condutores foi desencadeado pelo aumento significativo dos preços do cobre durante as décadas de 1960 e 1970. Dentro das designações de ligas da Associação de Alumínio, os principais tipos de ligas de alumínio usadas como condutores incluem a série AA1000 (alumínio puro), a série AA6000 e a série AA8000.
A série AA1000 é usada principalmente para linhas aéreas de alta tensão. A série AA6000 Al-Mg-Si (liga de alumínio-magnésio-silício) é empregada principalmente para linhas aéreas de alta tensão e barramentos de alumínio; ambos os tipos de condutores existem em estado duro, com conexões obtidas principalmente por meio de soldagem.
A série AA8000 Al-Mg-Cu-Fe (liga de alumínio-magnésio-cobre-ferro) representa a verdadeira liga de alumínio macio usada em linhas de distribuição. A série AA8000 de ligas de alumínio obteve inúmeras patentes durante as décadas de 1960 e 1970.
| 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 |
| RE30465 | ||
| 8177 | A98177 | …… |
3.2 Os principais componentes químicos dos condutores da série AA8000 são os seguintes:
| Liga de alumínio | Porcentagem da composição química com base na qualidade | |||||||||
| ANSI | ONU | Alumínio | Silício | Ferro | Cobre | Magnésio | Zinco | Boro | Outros (Total) |
Outros (Total) |
| 8017 | A98017 | Resíduo | 0,10 | 0,55-0,8 | 0,10-0,20 | 0,01-0,05 | 0,05 | 0,04 | 0,03A | 0,10 |
| 8030 | A98030 | Resíduo | 0,10 | 0,30-0,8 | 0,15-0,30 | 0,05 | 0,05 | 0,001-0,04 | 0,03 | 0,10 |
| 8076 | A98076 | Resíduo | 0,10 | 0,6-0,9 | 0,04 | 0,08-0,22 | 0,05 | 0,04 | 0,03 | 0,10 |
| 8130 | A98130 | Resíduo | 0,15B | 0,40-1,0B | 0,05-0,15 | … | 0,10 | … | 0,03 | 0,10 |
| 8176 | A98176 | Resíduo | 0,03-0,15 | 0,40-1,0 | …… | … | 0,10 | … | 0,05°C | 0,15 |
| 8177 | A98177 | Resíduo | 0,10 | 0,25-0,45 | 0,04 | 0,04-0,12 | 0,05 | 0,04 | 0,03 | 0,10 |
R: O conteúdo máximo de lítio é 0,03.
B: O teor máximo de silício e ferro é 1,0.
C: O conteúdo 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).
A adição de elementos de cobre, ferro e magnésio desempenha um papel crucial na liga:
Cobre: Melhora a estabilidade da resistência elétrica da liga em altas temperaturas.
Ferro: Aumenta a resistência à fluência e a resistência à compressão em 280%, evitando problemas causados pelo afrouxamento induzido pela fluência.
Magnésio: Sob a mesma pressão de interface, pode aumentar os pontos de contato e proporcionar maior resistência à tração.
Desempenho da liga de alumínio para fios elétricos macios
| Marca ou nome do produto | σb/MPa | σ0,2/MPa | δ/% | Marca ou nome do produto/%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: Os dados vêm da segunda edição do “Aluminum Alloy and Its Processing Handbook”.
(1) Resistência mecânica: Como pode ser visto na tabela, em comparação com o condutor de alumínio puro AA1350, a resistência à tração do condutor da série AA8000 é de cerca de 150% de alumínio puro e sua resistência ao escoamento é de aproximadamente 200% de alumínio puro.
(2) Resistência à fluência: A partir do teste de fluência de 500 horas, é evidente que a resistência à fluência da liga da série AA8000 é aproximadamente 280% daquela do condutor de alumínio puro AA1350, atingindo essencialmente o mesmo nível que o condutor de cobre.
3.4 Comparação de Liga de Alumínio e Condutores de Cobre
| Características do condutor | Cobre Elétrico (Cu) | Liga de alumínio AA8000 |
| Densidade (g/mm³) | 8,89 | 2.7 |
| Ponto de fusão (℃) | 1083 | 660 |
| Coeficiente de Expansão Linear | 17*10-6 | 23*10-6 |
| Resistividade Elétrica (Ω*mm²/m) | 0,017241 | 0,0279 |
| Condutividade Elétrica IACS% | 100 | 61,8 |
| Resistência à tração (MPa) | 220-270 | 113,8 |
| Força de rendimento (MPa) | 60-80 | 53,9 |
| Taxa de alongamento (%) | 30-45 | 30 |
Comparando os condutores de liga de alumínio AA8000 e os condutores de cobre, descobrimos que, devido às diferenças na resistividade, os valores do Padrão Internacional de Cobre Recozido (IACS) variam.
A liga de alumínio AA8000 representa 61,8% do valor do cobre. Quando aumentamos a área da seção transversal do condutor de liga de alumínio em dois graus ou a elevamos para 150% da área da seção transversal do condutor de cobre, seu desempenho elétrico se alinha.
Em termos de resistência à tração, o condutor de liga de alumínio é apenas metade do condutor de cobre (113,8 vs. 220 MPa).
No entanto, como a densidade da liga de alumínio AA8000 é de apenas 30,4% do condutor de cobre, mesmo quando a área da seção transversal do condutor de liga de alumínio é aumentada para 150% do condutor de cobre, o peso do condutor de liga de alumínio é apenas 45% do condutor de cobre.
Esta situação proporciona ao condutor de liga de alumínio certas vantagens em termos de resistência à tração em relação ao condutor de cobre.
O limite de escoamento do condutor de liga de alumínio AA8000 é próximo ao do condutor de cobre, permitindo que as propriedades de fluência do condutor de liga de alumínio se aproximem daquelas do condutor de cobre.
Em termos de alongamento na ruptura, o condutor de liga de alumínio e o condutor de cobre são essencialmente iguais.
Devido aos diferentes coeficientes de expansão do condutor de liga de alumínio e do condutor de cobre, eles não são adequados para conexão direta. Garantimos a confiabilidade de sua conexão através dos seguintes métodos.
3.5 Confiabilidade da Conexão
O terminal de cobre e alumínio tipo crimpagem e o padrão de tubo de conexão GB14315-2008 para condutores de cabos de alimentação foram formalmente implementados.
Nesta norma, o terminal de transição cobre-alumínio também foi oficialmente incorporado, fornecendo uma base teórica para conectar cabos de liga a barramentos de cobre e equipamentos elétricos.
Os principais métodos atuais para transição cobre-alumínio são os seguintes:
1) Cabo de liga + terminal de transição cobre-alumínio (o terminal se conecta diretamente ao barramento de cobre).
2) Cabo de liga + terminal de alumínio (quando o terminal de alumínio e o barramento de cobre estanhado estiverem conectados, aperte os parafusos de acordo com os valores de torque fornecidos pela norma nacional e adicione uma arruela de disco para manter a conexão eficaz 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 se conecta ao terminal de alumínio e a parte de cobre se conecta ao barramento de cobre).
Todos esses métodos de conexão exigem 1.000 testes 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 pelo Power Board of Georgia nos Estados Unidos e pelo Shanghai Cable Research Institute mostram que as conexões de cabos de liga são seguras e confiáveis. Dados de relatórios experimentais indicam que sua confiabilidade é ainda mais estável do que a dos condutores de cobre.
4. Recursos de cobre e alumínio
Visão Global dos Recursos de Cobre e Alumínio
De acordo com os dados do Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS), o teor de cobre na crosta terrestre é inferior a 0,01%, enquanto o alumínio constitui 7,73%.
Assim, o teor de alumínio é mais de 1000 vezes maior que o do cobre. Com base nas actuais taxas de consumo, com uma taxa média de crescimento anual de 3%, os recursos globais de cobre durarão mais 32 anos.
No entanto, considerando a atual escala de extração de alumínio (cerca de 140 milhões de toneladas/ano), as reservas existentes de bauxita podem satisfazer as necessidades da indústria global de alumínio durante quase 180 anos.
5. Conclusão
Dadas as excelentes propriedades elétricas e mecânicas dos condutores de liga de alumínio, eles melhoraram a falta de confiabilidade das conexões de alumínio, a resistência mecânica insuficiente e a propensão à fluência.
Esses condutores são semelhantes ao cobre no desempenho mecânico e, ao aumentar a área da seção transversal, podem atingir a mesma condutividade do cobre, tornando-os amplamente aplicáveis em sistemas de distribuição de baixa tensão.
A promoção de condutores de liga de alumínio no mercado interno pode ajudar o país a economizar uma quantidade significativa de recursos de cobre, reduzir a dependência de recursos estrangeiros de cobre, economizar uma quantidade substancial de divisas e também proporcionar certas economias econômicas para os usuários, facilitando a instalação para instaladores.
Com tantas vantagens, é razoável acreditar que a aplicação de condutores de liga de alumínio em cabos de energia de baixa tensão se tornará amplamente aceita. A tendência de substituição do alumínio pelo cobre poderá potencialmente desencadear uma transformação na indústria de cabos.
