Токопроводящие жилы кабелей и проводов

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.
 

Требования к жилам:

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).
 
 

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.
 
 

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.
 
 

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).
 

По механическим параметрам различают несколько видов проволоки:

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:

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.
 

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.