Токопроводящие материалы

24.02.14 08:54

Медь vs алюминий

Традиционно в проводах воздушных линий (ВЛ) в качестве проводников в основном используются алюминий и электротехническая сталь. Что касается силовых кабелей, то здесь соперничают медь и алюминий, причем по мнению многих экспертов, безусловным лидером в этой паре остается медь. Объясняется это такими преимуществами данного металла, как высокая удельная электропроводность, прочность, легкость пайки и сварки. Не случайно среди кабельщиков продолжает бытовать мнение, что в качестве проводника лучше «старой доброй» меди ничего быть не может.

Но есть у меди и существенный недостаток — высокая и более быстро растущая по сравнению с алюминием стоимость, что и позволяет последнему постепенно укреплять свои позиции.

Евгений Уваров, заместитель генерального директора Международной Ассоциации «Электрокабель», отмечает, что в России и странах СНГ в последние шесть лет в кабельной промышленности рост объемов потребления алюминия опережает темпы роста объемов потребления меди (139% и 109,5% соответственно). В результате этого преимущество меди над алюминием в объемах потребления несколько сократилось. Одна из причин этого — опережающий темп роста выпуска проводов для воздушных линий. Однако, по данным эксперта, даже без учета алюминия на производство неизолированных проводов соотношение объемов потребления меди и алюминия уменьшилось с 2,63:1 в 2008 г. до 2,35:1 в 2011 г., и тенденция будет сохраняться.

 

Воздушные ЛЭП с применением композитного провода (фото «3М Россия»)

 

«Главная причина широкого распространения алюминия при производстве кабелей и проводов — дефицит медных проводов и более высокая стоимость меди, в 3–4 раза дороже алюминия, — говорит Михаил Кладов, начальник отдела инноваций и технического развития ООО «Камский Кабель». — По сравнению с медью проводимость алюминия ниже на 32%. Но, если учитывать проводимость на единицу массы, то она выше в два раза, чем у меди. Это обусловлено его малой плотностью.

Алюминий по сравнения с медью имеет несколько недостатков. Малая механическая прочность и более низкие контактные свойства. Большой минус алюминия — его быстрая окисляемость при контакте с воздухом. В результате этого процесса на поверхности образуется тугоплавкая пленка. Температура ее плавления составляет около 2000 °С. Пленка плохо проводит электрический ток, а это негативно сказывается на создании хорошего контакта. Компенсировать этот недостаток позволяет применение алюминиевых сплавов».

 

Дорогу сплавам

Алюминиевые сплавы достаточно широко применяют в кабельной промышленности благодаря их свойствам — малой плотности, сравнительно невысокой температуре плавления, высокой коррозионной стойкости и хорошим механическим свойствам.

Один из трендов — применение алюминиевого сплава на основе циркония. Основное достоинство такого сплава — способность выдерживать высокие температуры при эксплуатации и высокая проводимость.

«Сплав алюминий-цирконий (Al-Zr) имеет прочность, аналогичную стандартному алюминию 1350-H19, но его микроструктура сформулирована так, чтобы он сохранял эту прочность при высоких температурах, — поясняет Константин Белоусов, руководитель отдела электротехнического оборудования «3М Россия». — Если обычный алюминий при температуре 120–150 °C отжигается и резко теряет прочность, то сплав Al-Zr сохраняет свои свойства до 210 °C, с пиковыми нагрузками до 240 °C».

Примерами применения алюминий-циркониевого сплава могут служить провода АСТ производства ОАО «Кирскабель» (Кировская обл., входит в «Ункомтех»), рабочая температура этих проводов достигает 210 °С, допустимая при КЗ — 300 °С. Алюминий-циркониевые проволоки применяются в термостойких проводах с зазором GZTACSR производства ООО «Сим-Росс-Ламифил» (г. Углич Ярославской обл.). Производитель гарантирует рабочую температуру до 230 °С, при пиковой нагрузке — до 310 °С.

«Наше предприятие применяет алюминиево-циркониевые сплавы при производстве серийной продукции, — поясняет Михаил Кладов. — Это высокотемпературные провода марки AC compact для воздушных линий электропередачи и кабели со СПЭ изоляцией на напряжение 6–35 кВ с алюминиевым металлическим экраном.

Также интересные возможности открывает применение алюминиево-железного сплава (ABE). Он используется для производства самонесущего изолированного провода (СИП), провода марки АСп для воздушных линий электропередачи, а также кабеля с алюминиевой проволочной броней.

Сегодня, когда производство алюминиевых сплавов налажено как отечественными, так и зарубежными компаниями, можно с уверенностью говорить об успешном будущем подобных наработок в кабельной отрасли».

 

На производственных площадях завода «Камкабель» (фото ООО «Камский кабель»)

 

Прочность композитов

Не так давно на российском рынке появились уже зарекомендовавшие себя на Западе провода с сердечником из композитных материалов. Такой сердечник содержит в себе армирующие элементы, использующиеся для механической прочности, а также связующее вещество. Интересное, что в составе таких композитных сердечников используются все те же проволоки из алюминиевых сплавов, но благодаря сочетанию с другими элементами удается достичь принципиально нового качества.

«Более 10 лет назад компания 3М изобрела ACCR — провод для линий электропередачи с композитным сердечником, — рассказывает Константин Белоусов, — В основе провода технология «металлической матрицы», результатом которой является проволока из алюминия диаметром от 2 до 4,5 мм, армированная несколькими тысячами волокон оксида алюминия. Из этих проволок скручен сердечник провода по традиционным методам производства проводов. Поверх сердечника накладывается один или более слоев проволоки из сплава алюминий – цирконий.

Оксид алюминия — по сути керамика, поэтому отличается устойчивостью к высокой температуре и не проводит электрический ток. Алюминий как основа матрицы практически не подвержен влиянию большинства факторов окружающей среды, таких как влажность, ультрафиолет, озон и т.д. или ведет себя не хуже, чем всем хорошо известный алюминий марки 1350-Н19. При этом, будучи металлом, алюминий хорошо защищает волокна и от пластических изгибов — смятий и смещений, основной причины повреждения продольно-ориентированных волокнистых структур. К тому же в многопроволочном сердечнике нагрузка равномерно распределяется по всем проволокам, делая провод более устойчивым».

Пока провод ACCR импортируется в Россию, но в 2014 г. ЗМ планирует локализовать производство на базе завода «Людиново кабель» в Калужской обл. С 2011 г. на заводе ведутся подготовительные работы по производству алюминиево-циркониевой проволоки для провода ACCR.

 

Сверху вниз: провода марки АСп и АС compact (фото ООО «Камский кабель»)

 

Другой подход к созданию провода с композитным сердечником был предложен в свое время компанией СТС (США) — в ее проводе ACCC сердечник выполнен с использованием углеродного волокна. Жила такого провода имеет низкий коэффициент теплового расширения и малый вес, что позволяет использовать больше алюминия без ущерба для итогового веса провода. Сегодня на отечественном рынке провод АССС представляет компания ООО «Сим-Росс-Ламифил».

Скоро должны появиться и отечественные разработки. Так, НИОКР по проводам с композитным сердечником из углеродных и базальтовых волокон ведет компания «Ункомтех» совместно с ОАО «ФСК ЕЭС», ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» и ОАО «МРСК Центра и Приволжья».

 

Взгляд в будущее

Мы попросили экспертов оценить, какие токопроводящие материалы наиболее перспективны.

«Вопрос, за какими токопроводящими материалами будущее — спорный, — говорит Михаил Кладов. — Все зависит от поставленной цели. Медные провода обладают лучшими физическими свойствами и проводимостью, чем алюминиевые. Однако стоимость меди выше. Алюминиевые сплавы обладают лучшими механическими и электрическими свойствами и стоимость их ниже, чем у меди, что является оптимальным решением при выборе между алюминием и медью. При наличии ограничений по габаритам кабельно-проводниковой продукции, конкуренцию меди может составить только серебро».

«Скорее всего, в будущем появятся разновидности композитных проводящих материалов, сочетающие, к примеру, диэлектрик и токопроводящий материал, — считает Константин Белоусов. — Такой материал будет востребован для электротехнического оборудования и в ближайшем будущем может появиться у компании 3М.

Еще одно направление – это токопроводящие клеи, герметики, компаунды, которыми можно будет заполнять полости и заменять пайку с нагревом в кабелях и соединителях.

 

Провод ACCR для воздушных линий (фото «3М Россия»)

 

К слову, уже сегодня для решения различных технологических задач при производстве кабельно-проводниковой продукции применяются ленты с токопроводящим клейким слоем. В этих лентах используется бескислотная, коррозионностойкая акриловая смола с токопроводящими сферами, покрытыми тонким слоем серебра. Эти проводящие частицы, равномерно распределенные в адгезиве, создают множество межсоединений с низким сопротивлением между основой и экранируемой поверхностью».

Исследователи работают и над созданием других материалов, электрическая проводимость которых будет на порядок выше, чем у традиционных металлов и сплавов. Ожидается, что на помощь могут прийти нанотехнологии. На российском рынке наноструктурные проводники на основе сплавов медь-ниобий, медь-ванадий и медь-железо предлагает ООО «НПП «Наноэлектро» — совместное предприятие РОСНАНО и ОАО «ВНИИНМ» имени А.А. Бочвара. Разработки уже коммерциализованы, но для специализированного применения — в магнитно-импульсных установках, авиакосмической отрасли, микроэлектронике и т.д. Однако в перспективе говорят и о применении нанопроводников в энергетических проводах и кабелях.

Зарубежные ученые работают над созданием квантовых проводов, в которых будут использоваться углеродные нанотрубки.

Безусловно, большие надежды специалисты связывают с созданием проводов и кабелей на основе явления сверхпроводимости, то есть способности материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения. Конечно, это продукт не сегодняшнего дня, а возможно завтрашнего или даже послезавтрашнего. Но об этом — в наших следующих публикациях.

 

Екатерина Зубкова

На заставке: в основе сердечника ACCR - проволока из алюминия, армированная волокнами оксида алюминия (фото «3М Россия»)

Читайте также: