
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) или 7-91 проволок при сечение 10-500 мм2, такие проводники применяют для стационарной (неподвижной) прокладки на долгосрочный период. Отдельная статья с расчётом диаметра жилы состоящей из 7-91 проволоки.
Гибкий проводник – это провод или кабель изготовленный на базе нескольких проволок, свитых в общий пучок, применяют для обеспечения подвижных присоединений различных энергопотребителей.
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) или 7-91 проволок при сечение 10-500 мм2, такие проводники применяют для стационарной (неподвижной) прокладки на долгосрочный период. Отдельная статья с расчётом диаметра жилы состоящей из 7-91 проволоки.
Гибкий проводник – это провод или кабель изготовленный на базе нескольких проволок, свитых в общий пучок, применяют 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 термостойкий 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 применяют 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).
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 применяют 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 99,90 % 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 наличие 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 1,5-4,0 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 до +200 °С 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 ≤ +250 °C.
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 наличие 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 1,5-4,0 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 до +200 °С 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 ≤ +250 °C.
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 +150 °C. При упрочнении алюминиевой проволоки (например, волочением) единовременно понижается её проводимость (всё взаимосвязано).
Если первым недостатком алюминия считают низкую электропроводность, то второй – это определённая хрупкость, которая усугубляется в температурных условиях свыше +150 °C. 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 сравнение 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.
Перечислим марки:
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.
Перечислим марки:
- ММ – мягкая отожжённая медь;
- МТ – твёрдая неотожжённая медь;
- АМ – мягкий алюминий с отжигом;
- АТ – твёрдый алюминий без отжига;
- алдрей – алюминиевый сплав (описан чуть выше).
Физико-технические свойства металлов | медь | алюминий | алдрей | ||
ММ | МТ | АМ | АТ | ||
Плотность, г/см3 | 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/м | 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 применяют 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/см3 |
Электрическое сопротивление | |
объёмное, мкОм/см2 |
массы, мкОм/см2 |
|||
Серебро | 961 | 10,490 | 1,59 | 16,69 |
Медь | 1083 | 8,890 | 1,724 | 15,33 |
Золото | 1063 | 19,320 | 2,22 | 42,90 |
Алюминий | 660 | 2,700 | 2,80 | 7,62 |
Кальций | 850 | 1,550 | 3,74 | 5,80 |
Бериллий | 1280 | 1,816 | 4,20 | 7,63 |
Натрий | 98 | 0,970 | 4,30 | 4,17 |
Магний | 650 | 1,740 | 4,46 | 7,75 |
Цинк | 420 | 7,140 | 5,91 | 42,20 |
Калий | 63 | 0,860 | 6,70 | 5,76 |
Никель | 1455 | 8,900 | 6,84 | 60,90 |
Кадмий | 321 | 8,650 | 7,00 | 60,50 |
Литий | 186 | 0,536 | 8,50 | 4,55 |
Железо | 1539 | 7,870 | 9,71 | 76,30 |
Платина | 3224 | 21,450 | 10,61 | 227,50 |
Олово | 232 | 7,300 | 11,50 | 84,00 |
Хром | 1890 | 7,120 | 13,10 | 93,20 |
Свинец | 327 | 11,340 | 20,65 | 234,00 |
Металл | Электропроводность |
Температурный коэффициент электросопротивления, х10-3 °С |
|
объёмная, % | массы, % | ||
Серебро | 108,5 | 92,0 | 4,10 |
Медь | 100,0 | 100,0 | 3,93 |
Золото | 77,7 | 35,8 | 3,94 |
Алюминий | 61,2 | 201,5 | 4,03 |
Кальций | 46,1 | 264,0 | 4,57 |
Бериллий | 41,1 | 201,1 | 6,70 |
Натрий | 40,1 | 368,0 | 5,50 |
Магний | 38,7 | 198,0 | 4,20 |
Цинк | 29,2 | 36,4 | 4,19 |
Калий | 25,7 | 266,0 | 52,00 |
Никель | 25,2 | 25,2 | 6,70 |
Кадмий | 24,6 | 25,35 | 4,20 |
Литий | 20,3 | 337,0 | 4,50 |
Железо | 17,75 | 20,1 | 6,51 |
Платина | 16,25 | 6,8 | 3,93 |
Олово | 15,00 | 18,25 | 4,40 |
Хром | 16,45 | 8,5 | 3,50 |
Свинец | 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.
Список использованной литературы
Белоруссов Н. И. Электрические кабели и провода.– М.: Энергия, 1971 – 512с.