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 прокладки на долгосрочный период. Отдельная статья с расчётом диаметра жилы состоящей из 7-91 проволоки.
 
Гибкий проводник – это провод или кабель с жилой, изготовленной на базе нескольких свитых проволок, который применяют для подвижных присоединений различных энергопотребителей.
 
Требования к жилам:

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). Диэлектрические свойства изоляции быстро теряются при высоких температурах. Например, изоляционный поливинилхлоридный пластикат выдерживает нагрев до +70 °С; резиновая изоляция функциональна 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 7-12 МОм·км при температуре +20 °С и всего 0,005 МОм·км при нагреве до +70 °С (по таблицам 8 и 9 стандарта ГОСТ 16442).
 
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 (Sb) вызывает падение теплопроводности, электропроводимости и пластичности.
Серебро (Ag) 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 указана в % относительно Cu (электропроводность меди 100 %), а остальные характеристики указаны в соответствующих единицах измерения.
 

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.