Фото токопроводящей жилы высоковольтного кабеля

Токопроводящие жилы кабелей и проводов

Токопроводящая жила (ТПЖ) из алюминия и меди, применяемые добавки, сравнительные табличные характеристики, другие материалы для кабельно-проводниковой продукции (КПП)

Для сокращения применяется аббревиатура ТПЖ – токопроводящая жила.
 
Токопроводящая жила для кабеля либо провода – это проволока (или скрутка проволок) изготовленная из материала с низким электрическим сопротивлением, способная свободно пропускать электрический ток и выдерживающая заданные механические нагрузки и температурные режимы.
 
Жёсткий проводник – это кабель либо провод выполненный на базе моножилы (одной проволоки), такие проводники применяются для стационарной (неподвижной) прокладки на долгосрочный период.
 
Гибкий проводник – это провод или кабель изготовленный на базе нескольких проволок, свитых в общий пучок, применяется для обеспечения подвижных присоединений различных энергопотребителей.
 
Требования к жилам:
  • низкое электрическое сопротивление;
  • умеренная цена и доступность добычи металла;
  • стойкость к коррозии и механическим нагрузкам (особенно к знакопеременным);
  • технологичность.
Понятно, что наиболее важными характеристиками являются низкая стоимость и высокая электропроводность. Чем меньше электрическое сопротивление, тем меньше нагревается жила при протекании номинального тока (именно нагрев имеет решающее значение для вычисления токовой нагрузки). Весь смысл в том, что диэлектрические свойства изоляции быстро теряются при высоких температурах. Например, изоляционный поливинилхлоридный пластикат выдерживает нагрев до +70°С; резиновая изоляция функциональная до +80°С; кремнийорганическая изоляция (специальный материал) работоспособна до +180°С. Неизолированные высоковольтные провода и электротехнические шины допускается нагревать до +90°С (изоляции нет, а ограничение присутствует).
Для примера, поливинилхлоридный пластикат имеет электрическое сопротивление около 10 мОм / км при температуре +20°С и всего 5 кОм / км при нагреве до +70°С (не спутать мегаомы с килоомами).
 
Теперь немного о цене: мировая цена 1 тонны меди более чем в 3.5 раза дороже 1 тонны алюминия. Электрическое сопротивление алюминия уступает меди в 1.64 раза, то есть именно на это значение возрастёт сечение алюминиевой жилы для проведения той же силы тока (экономический выигрыш налицо).
Механические свойства алюминия оставляют желать лучшего. Имеет низкую стойкость к постоянным изгибам (быстро ломается), поэтому проводники с такими жилами применяются только для стационарной прокладки. Алюминиевые жилы возможно изготовить с минимальным сечением 2.5 мм2 (технологическое оборудование развивает усилия, сравнимые с механической прочностью алюминиевой проволоки малого диаметра). При контакте с атмосферным кислородом или озоном на алюминии образуется оксидная плёнка, которая имеет высокое электрическое сопротивление.
Медь имеет самое низкое сопротивление (не учитывая серебро и другие дорогие материалы), довольно технологична (поддаётся волочению и прокатке).
 

Материалы для токопроводящих жил

Основными материалами для создания токопроводящих жил служат медь (Cu) и алюминий (Al). Такой выбор определяется низким электрическим сопротивлением, умеренной стоимостью (по сравнению с серебром) и достаточными прочностными характеристиками.
 

Медная токопроводящая жила

Жилы кабелей и проводов производятся из электролитической меди М0 и М1, которая отличается определённой чистотой – 99,95% и 99,9% доля меди соответственно.
Различные добавки к меди могут снижать её проводящую способность, увеличивать прочность либо придавать определённый комплекс изменения свойств.
 
Кислород (O) одна из вредных примесей в меди, который приводит к ухудшению механических характеристик и способности к обработке, вызывает затруднения при сваривании или пайке. Медь, не содержащая кислорода, имеет лучшую пластичность по сравнению с марками М1 и М0. Для борьбы с негативным влиянием кислорода добавляют мышьяк, но он снижает электрическую проводимость.
 
Водород (H) приводит к увеличению прочности, но при наличии кислорода делает металл хрупким.
Содержание сурьмы вызывает падение теплопроводности, электропроводимости и пластичности.
Серебро защищает медь от окисления, но отличается высокой стоимостью.
 
Медные токоведущие жилы могут быть мягкими и твёрдыми – отожжённые и неотожжённые соответственно. Маркируются согласно с аббревиатурой ММ и МТ.
Ввиду влияния коррозии медные жилы следует обязательно покрывать слоем олова толщиной 1,5 - 4 мкм. Олово защищает медь от окисления, а также улучшает пайку. Причём предпочтительней использовать методику горячего лужения, а не гальваническую. При горячем лужении образуется переходной сплав меди с оловом, который надёжно привязывает нанесённый слой олова. Во время пайки верхняя часть олова надёжно связывается с припоем. Для тропического исполнения лужение ещё более необходимо, так как влияние высоких температур и влажности сказывается на скорости окисления.
 
Для получения более толстого и неравномерного защитного слоя используется свинцово-оловянистый сплав (ПОС) с различным содержанием свинца.
Для получения нагревостойкости 200⁰С применяют серебрение гальваническим путём с дальнейшим волочением и отжигом. Получаемая толщина слоя серебра 6 - 12 мкм скрывает медь от воздействия факторов приводящих к окислению при t ≤ 250⁰C.
 

Алюминиевая токопроводящая жила

Для электрических проводников применяют алюминий (Al) марок А1 и А2, в котором подмешаны десятые доли процента железа и кремния. Эти примеси ухудшают проводимость, к другим нежелательным элементам относят: титан, ванадий, марганец и магний.
 
Если первым недостатком алюминия считают низкую электропроводность, то второй – это определённая хрупкость, которая усугубляется в температурных условиях свыше 150⁰C. При упрочнении алюминиевой проволоки (например, волочением) единовременно понижается её проводимость (всё взаимосвязано).
 

По механическим параметрам различают несколько видов проволоки:

  • АТ (алюминий твёрдый неотожжённый);
  • АПТ (алюминий полутвёрдый с частичным отжигом);
  • АМ (алюминий мягкий отожжённый).
Характеристики алюминия АПТ занимают промежуточное положение в сравнении с АТ и АМ.
Если алюминиевый проводник сравнивать с медным, той же проводимости, то окажется, что его сечение выше на +60%, а масса меньше на -48%.
Повышенным пределом прочности при разрыве обладает алюминиевый сплав алдрей. В алюминий добавляют менее половины процента магния, до 0,7% кремния и менее 0,3% железа. Соединение Mg2Si упрочняет материал, но растворяется в ограниченном количестве.
 
 
Сравнительные характеристики меди и алюминия
 
Физико-технические свойства металлов Медь Алюминий Алдрей (сплав Al)
ММ (мягкая отожжённая медь) МТ (твёрдая неотожжённая медь) АМ (мягкий алюминий с отжигом) АТ (твёрдый алюминий без отжига)
Плотность, г/см 8,890 8,890 2,703 2,703 2,700
Температура плавления, °С 1083 1083 657 657  
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град) 385,2 385,2 945 945 188
Удельная теплоёмкость, Дж/(кг·град) 385 385 945 945 188
Температурный коэффициент линейного расширения,
град-1 х10-6
16,4 16,4 23 23 23
Предел прочности на разрыв, Н/мм2 197-276 246-492 79-108 148-246 314-364
Удлинение, % 40-50 1-6 32-40 4-8 6-9
Предел пропорциональности, Н/мм2 21,6        
Предел текучести, Н/мм2 69-90 230-280 49-79 118-216 286-324
Модуль упругости, Н/мм2 106 200 128 000 59 000 68 800 68 800
Предел упругости, Н/мм2 25 295 30-39 118-138  
Предел усталости при переменном изгибе, Н/мм2 28-42 88-118 40 50 95
Предел ползучести, Н/мм2 50 70 27 50 260
Ударная вязкость, Н/мм2 56 53      
Сопротивление срезу, Н/мм2 190 430 60 100  
Удельное сопротивление, Ом·мм2 0,017241 0,01752 0,02828 0,0283 0,03-0,33
Температурный коэффициент удельного сопротивления, град-1 0,00393 0,00393 0,00403 0,00403 0,0036

Токопроводящие жилы из других материалов

В кабельно-проводниковой продукции могут применяться другие материалы, которые берут за основу из-за меньшей стоимости или соответствия другим необходимым свойствам. Для получения общего видения приведём таблицу, в которой электропроводность Cu (меди) принимается равной 100%, а остальные характеристики указаны в числовых значениях.
 

Параметры металлов для сравнения
 
Металл Температура плавления,
°С
Плотность,
г/см
Электрическое сопротивление Электропроводность Температурный коэффициент электросопротивления,
х10-3 °С
объёмное,
мкОм/см2
массы,
мкОм/см2
объёмная, % массы, %
Серебро 961 10,490 1,59 16,69 108,5 92,0 4,10
Медь 1083 8,890 1,724 15,33 100,0 100,0 3,93
Золото 1063 19,320 2,22 42,90 77,7 35,8 3,94
Алюминий 660 2,700 2,80 7,62 61,2 201,5 4,03
Кальций 850 1,550 3,74 5,80 46,1 264,0 4,57
Бериллий 1280 1,816 4,20 7,63 41,1 201,1 6,70
Натрий 98 0,970 4,30 4,17 40,1 368,0 5,50
Магний 650 1,740 4,46 7,75 38,7 198,0 4,20
Цинк 420 7,140 5,91 42,20 29,2 36,4 4,19
Калий 63 0,860 6,70 5,76 25,7 266,0 52,00
Никель 1455 8,900 6,84 60,90 25,2 25,2 6,70
Кадмий 321 8,650 7,00 60,50 24,6 25,35 4,20
Литий 186 0,536 8,50 4,55 20,3 337,0 4,50
Железо 1539 7,870 9,71 76,30 17,75 20,1 6,51
Платина 3224 21,450 10,61 227,50 16,25 6,8 3,93
Олово 232 7,300 11,50 84,00 15,00 18,25 4,40
Хром 1890 7,120 13,10 93,20 16,45 8,5 3,50
Свинец 327 11,340 20,65 234,00 8,36 6,6 3,90
 
Одними из интересных направлений могут стать натрий, малоуглеродистая сталь, комбинирование нескольких материалов в одной жиле.
 
Список использованной литературы
Белоруссов Н. И. Электрические кабели и провода. - М.: Энергия, 1971 - 512с.