Применение алюминия и его сплавов в электротехнической промышленности

Алюминий и ряд его сплавов широко применяют в электротехнике благодаря его:

• высокой электропроводности;
• коррозионной стойкости;
• малой плотности;
• хорошим обрабатываемости давлением;
• деко­ративному виду;
• меньшей стоимости по сравнению с более дорогой медью и ее проводниковыми сплавами.

Электротехническая промышленность — крупнейший потреби­тель алюминия. Мировая доля ее потребления составляет 18% от общего количества алюминия. Наиболее широко алюминий используют в кабельной промышленности, на которую в настоящее время приходится около 90 % всего алюминия, потребляемого в электротехнике.

В зависимости от величины удельного электросопротивления алюминиевые электротехнические сплавы подразделяются следующим образом:

• провод­никовые сплавы;
• сплавы с повышенным электротехническим сопротивле­нием.

Проводниковые сплавы

Удельная электрическая проводимость электротехнического алюми­ния (А7Е, А5Е)по международному стандартусоставляет 60—62% от проводимости отожженной меди. Технический алюминий (АДО) и электротехнический алюминий (преимущественно А5Е) широко применяют для изготовления проводов, кабелей, шнуров, шин, про­филей и труб различного электротехнического назначения.

Наибольшее применение в электротехнике получили малолеги­рованные сплавы системы Аl—Мg—Si: АД31, АД31Е и их аналоги (АВЕ, 01327, АЕ1/АЕ2). Известны также сплавы на основе алюминия, опробованные в промышленных и полупромыш­ленных условиях. В основном это сплавы систем Аl—Fе—В(Ni), Аl—РЗМ, Аl—Мg(Сu), Аl—Zr, Аl—Si (01017, 01417, 01527, 01117 и др.).

При более низкой удельной проводимости (56—59% от отожжен­ной меди) алюминиевые проводниковые сплавы имеют преимущест­венно то же назначение, что и электротехнический алюминий, и их используют при необходимости обеспечения более высокой проч­ности, теплопрочности, сопротивления ползучести и других спе­циальных требований.

Из сплавов АД31, АД31Е изготавливают шины, профили и трубы, применяемые для различных электротехнических изделий; сплав АД31Е обеспечивает более высокую проводимость, чем сплав АД31 при примерно том же уровне механических свойств. Сплавы более ограниченного применения предназначены для бортовых проводов, кабелей связи, микропроводов интегральных схем и других специальных электротехнических целей. В основном это малолегированные сплавы систем, указанных выше, а также Аl—Мg—Zn, Аl—Сu и др. Все легирующие элементы и примеси, входящие в алюминиевые проводниковые сплавы, по степени снижения электропроводности отожженного алюминия делятся на две группы:

1. Элементы, незначительно снижающие проводимость при содержа­нии 0,1—0,2 % (атомн.): Zn, Ni, Si, Cu, Мо, Са, Fe, Mg, W (у > 35 МСм·м -1 );

2. Элементы, значительно уменьшающие проводимость: Сг, Li, Mn,Ti, Be, Zr (у < 34 МСм·м -1 ).

Микролегирование провод­никовых сплавов поверхностно-активными добавками типа бора спо­собствует понижению удельного электросопротивления алюминиевых сплавов в определенных температурных интервалах и повышению пластичности. Считается, что небольшие по размеру атомы бора (0,09 нм.) образуют нерастворимые бориды хрома, циркония и, вы­водя их из твердого раствора и из сплава, подавляют вредное дейст­вие титана, марганца и ванадия, повышают проводимость изготав­ливаемых из них электротехнических изделий. В последние годы алюминиевые проводниковые сплавы стали более широко применять для воздушных проводов и кабелей связи (в основном, сплавы АД31Е, АВЕ). Высокая прочность прово­дов из алюминиевых сплавов позволяет увеличить размеры пролетов линии электропередач, способствует уменьшению количества повре­ждений при монтаже. По величине сопротивления действию дуги, возникающей при коротком замыкании, провода из алюминиевых сплавов занимают второе место после медных и значительно устойчивее проводов из алюминия. Стоимость алюминиевого провода в линиях электропередач составляет от 1/2 до 1/3 стоимости медного провода равной проводи­мости. На сегодняшний день перечень основных видов применения алюминия и алюминиевых сплавов в электротехнической промышленности очень широк:

• ¾ сталеалюминиевые провода для напряжений до 750 кВ, предна­значенные для передачи электрической энергии в воздушных электри­ческих линиях и на линиях электрифицированного транспорта;
• ¾ си­ловые кабели высокого (1—35 кВ) и сверхвысокого напряжения (до 500 кВ) с алюминиевыми жилами и оболочками;
• ¾ кабели связи все­возможных видов и назначений;
• ¾ трансформаторы до 70 тыс. кВт;
• ¾ электрические двигатели до 1000 кВт и более;
• ¾ электрические приводы;
• ¾ корпуса электрических батарей;
• ¾ зарядные станции для электромобилей;
• ¾ шинопроводы;
• ¾ провода для работы при повышенных температурах;
• ¾ биметал­лические алюминиевомедные установочные провода и жилы для контрольных и радиочастотных кабелей;
• ¾ разнообразная электриче­ская и светотехническая арматура.

Сортамент полуфабрикатов, используемых в этих изделиях электротехнического назначения очень разнообразен:

• прямоугольная (сечением 1,8÷7,7x4,1¸18мм) и круглая проволока диаметром от 0,08 мм до микронных размеров в волокнистой, эмалиево- волокнистой и пластмассовой изоляции, оксидированная или незащищенная;
• кабельные оболочки диаметром 10—100 мм неограниченной длины; однопроволочные секторные жилы сечением 50—240 мм 2 , фасонные и прямоугольные шины шириной до 380 мм;
• листы, фольга, биметаллы; литые детали, преимущест­венно из различных сплавов алюминия.

Кроме специальных проводниковых сплавов, в электро- и свето­технике находят применение мало- и среднелегированные алюминие­вые деформируемые сплавы проводимостью ниже 30—32 МСм·м -1 . Наиболее широко применим сплав АД31, в ряде случаев используют сплавы 1320, 1915, 1925 (1955) и др. Сплав 1320 системы Аl— Мg—Si наиболее близок по свойствам к сплаву АД31, превосходит последний по пределам прочности и текучести, коррозионным свой­ствам, качеству поверхности после прессования, уступая по электро­проводности. Большинство вышеперечисленных сплавов применяют для полу­чения различных прессованных полуфабрикатов электротехниче­ского назначения. Профили из этих сплавов максимально прибли­жены по сечению к определенным деталям электротехнических из­делий. Кроме того, прессованные профили применяют для изготов­ления:

• корпусов электродвигателей;
• разных приборов;
• стоек;
• ребер жесткости;
• плат, к которым крепятся детали;
• радиаторов и охла­дителей полупроводниковых приборов непосредственно или взамен стального и медного проката, алюминиевого и медного литья.

Термическая обработка алюминиевых сплавов, применяемых в электротехнике, позволяет существенно изменять характеристики электропроводности. Так закалку сплавов АД31Е, АД31, 1320 можно осуществлять в ши­роком диапазоне температур: от 490 до 565 °С, предпочтительно при 525 °С в холодную воду. Старение — искусственное по унифициро­ванному режиму: 165 °С, выдержка 12 ч или при 140—180 С С, 12—2 ч в зависимости от требований, предъявляемых к механическим свой­ствам и электропроводности деталей. Термомеханическая обработка позволяет получить проволоку из сплава АД31Е и его аналогов с высокими значениями электропро­водности и прочностных характеристик одновременно. Наиболее распространена низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) по следующей технологической схеме: закалка бухт ка­танки от 525—565 °С в воду с температурой 20 °С, волочение в про­цессе естественного старения со степенью деформации более 80 %; искусственное старение при 140—180 °С в течение 16—20 ч. Использование ТМО возможно при производстве катанки из алюминиевых сплавов не­прерывным методом. Для этого необходимо проводить волочение про­волоки сразу после прокатки катанки с регулированием скоростей прокатки и охлаждения заготовки. Новая технология получения проволоки и полуфабрикатов из гранул и в виде композиционных материалов позволяет получить материалы, обладающие особыми физико-механическими и другими свойствами, что открывает перспективу создания принципиально новых конструкций и технологических решений в электротехнике. Примером может служить биметаллическая проволока алюминий (алюминиевый сплав) — медь, позволяющая изготавливать провода вдвое более легкие, чем медные, и имеющие проводимость на уровне электротехнической меди. Те же преимущества позволяют получить алюминийуглеродные, алюминиевомедные слоистые ленты, листы, плиты.

В электротехнике есть три сектора где медь и алюминий конкурируют между собой:

• ¾ кабели низкого и среднего напряжения;
• ¾ трансформаторы;
• ¾ шины электропитания.

Для кабельной продукции необходимо решить, что важнее поперечное сечение кабеля или больший вес? Алюминиевый кабель будет более дешев, чем медный, однако, медный более технологичен для различных конструктивных решений и менее проблематичен при применении в контактных соединениях. В последнее время появились медно-алюминиевые кабели, что позволило примирить конкурентов по электропроводимости: медь и алюминий.

Применение алюминия в трансформаторах вместо меди позволяет существенно экономить его вес. Различие в производственных затратах медных и алюминиевых трансформаторов компенсируют друг друга и по мнению изготовителей, выбор материала- прежде всего вопрос идеологии компании.

Требования к шинам электропитания диктуются, в первую очередь, габаритными размерами соответствующих конструкций. Большое количество токопроводящего материала и небольшое количество изоляционного материала в малом пространстве- вот что такое шины электропитания. Поэтому на первый план выдвигается ценовое различие. Большое количество электрических соединений в пределах небольшого пространства означает возможные проблемы соединений с алюминием. А когда все конструктивные решения учтены, вопрос выбора материала становится почти философским. Если в качестве критерия выбрана цена, то предпочтителен алюминий. С целью улучшить электропроводимость наалюминиевые контакты можно различным способом нанести медь. Алюминиевые и медные проводники, как правило, покрывают металлом с серебром или оловом. В цехах химического производства, на месторождениях нефти и газа, нефтегазоперерабатывающих заводах, сталелитейных заводах могут присутствовать коррозионно-активные газы, такие как сероводород. Алюминий стоек в сероводородных средах, а для медных контактов необходима оловянная металлизация.