Алюминиевая проводка

Известно, что алюминий является прирожденным проводником электрического тока. Дополнительные преимущества алюминиевым  проводникам дает их малый удельный вес.

Алюминий и передача электроэнергии

Именно алюминий является стандартным материалом для электрических проводников при передаче электрической энергии от всех электростанций и буквально до входа в дом или квартиру. Он применяется там уже более ста лет. Высоковольтные провода на опорах – это всегда алюминиевые провода. Это связано с тем, алюминиевые провода в два раза легче медных. Алюминий дает возможность применять в два  меньше опор, чем медь. Кроме того, от подстанций до распределительных трансформаторов алюминиевые кабели и провода также являются стандартными проводниками, как для воздушных, так и для подземных сетей. На этом участке иногда применяют медные провода, но в основном все-таки применяется алюминий.

Алюминиевая проводка в России

Однако для внутренней проводки зданий и помещений главным материалом проводов является медь. Алюминий перестали применять  в качестве стандартной внутренней проводки зданий из-за проблем, которые были с алюминиевой проводкой в прошлом, в уже далекие 1960-70-е годы. С тех пор многое изменилось, но недоверие к алюминиевой проводке осталось.

Российский нормативный документ «Правила устройства электроустановок» в 7-ой редакции от 2002 года (ПУЭ-7) категорично предписывает в пункте 7.1.34 в зданиях «применять кабели и провода с медными жилами». Для питающих и распределительных сетей, то есть проводов и кабелей от подстанций непосредственным потребителям, напротив, предписано применять, как правило, кабели и провода с алюминиевыми жилами, если их расчетное сечение равно 16 мм2 и более. Кроме того, питание такого инженерного оборудования зданий, как насосы, вентиляторы, калориферы, установки кондиционирования воздуха и т.п., также разрешается выполнять проводами или кабелем с алюминиевыми жилами сечением не менее 2,5 мм2.

В том же духе ограничивают применение алюминиевой проводки в зданиях и Строительные правила СП 31-110-2003 в своем разделе 14.3.

В настоящее время применение в России при строительстве зданий медных проводов обходится значительно дороже, чем алюминиевых. Естественно возникает желание сэкономить и перейти с медной на алюминиевую проводку. Однако, любой проектировщик и производитель электротехнических работ обязан действовать строго соответствии государственными нормативными документами – правилами, стандартами и инструкциями. При всем этом миллионы людей живут в домах и квартирах, которые были построены до 2000-го года, и оборудованы той самой алюминиевой электрической проводкой.

Алюминиевая проводка в США

В 1960-70-е годы американская кабельная промышленность выпустила алюминиевые провода для внутренней проводки зданий. Они были из той марки алюминия, что и высоковольтные провода, а, именно, марки алюминия 1350. Спустя некоторое время с этой алюминиевой проводкой из алюминия 1350 начались проблемы, в основном с перегревом контактов, в результате которых сформировались устойчивое отрицательное отношение к применению алюминиевой проводки в жилищном строительстве.

Негатив на алюминиевую проводку

Отрицательное отношение к алюминиевой проводке основано на 6 устоявшихся мнениях, некоторые из которых уже стали просто мифами.

  1. Алюминиевая проводка является хрупкой и ее трудно устанавливать.
  2. Алюминиевая проводка подвержена повышенному термическому расширению, что приводит к ослаблению электрического контакта.
  3. Чрезмерная склонность к ползучести алюминиевой проводки способствует ослаблению электрического контакта.
  4. Алюминиевые провода должны быть намного толще, чем медные, чтобы обеспечивать такую же силу тока, что и медные провода.
  5. Окисление алюминиевой проводки создает большое сопротивления электрического контакта.
  6. Алюминиевая проводка подвергается коррозии и может разрушаться на открытом воздухе.

rasshirenie-oslablenieРисунок 1 – Ослабление электрического контакта
из-за различий в термическом расширении металлов

polzuchest-alyuminiyaРисунок 2 – Ослабление электрического контакта
из-за ползучести алюминия 1350

Американское «ПУЭ» – NEC

В США аналогом российского ПУЭ является NEC – National Electrical Code. Этот Код никогда явно не запрещал установку алюминиевой проводки внутри зданий. Однако был период в начале 1970-х годов, когда авторитетный американский сертификационный орган Underwriters Laboratories изъял из своего разрешительного списка на несколько лет все провода из алюминия для внутренней проводки зданий. Алюминиевая проводка вернулась в этот список уже в виде проводов из алюминиевых сплавов серии 8000.

Провода из алюминия марки 1350

До 1970 года для всех алюминиевых проводов в США применялась марка алюминия 1350 в максимально нагартованном состоянии, Н19. Отечественным аналогом этой марки алюминия является марка деформируемого алюминия АД0Е по ГОСТ 4784-97 или марка А5Е первичного алюминия по ГОСТ 11069-2001 . Этот твердый алюминий 1350-Н19 был специально разработан для воздушных самонесущих проводов и продолжает применяться в настоящее время для воздушных линий электропередач от электростанций до распределительных трансформаторов.

Алюминий 1350 имеет высокую электрическую проводимость (62 % от проводимости меди), но он должен быть в полностью нагартованном, и даже перенагартованном (Н19), состоянии, чтобы обеспечивать высокую прочность при растяжении, которая необходима для его применения в качестве внутренней электрической проводки. В этом полностью нагартованном состоянии алюминий имеет очень низкую пластичность с относительным удлинением всего лишь около 1,5 %. С этим и связана его «хрупкость».

Провода из алюминиевого сплава 8030

Фирма ALCAN еще в начале 1970-х годов разработала специальный алюминиевый сплав – уже не марку — под названием Stabloy, чтобы увеличить прочностные свойства алюминиевого провода при сохранении его высоких пластических свойств. Это алюминиевый сплав был зарегистрирован как алюминиевый сплав 8030.

По сравнению с маркой алюминия 1350 этот алюминиевый сплав 8030 имеет:

  • повышенное содержание железа – до 0,8 %;
  • повышенное содержание меди – до 0,30 %.

Железо решает сразу две проблемы:

  • обеспечивает высокую прочность в отожженном состоянии
  • исключает склонность алюминия к повышенной ползучести.

Медь способствует сохранению прочностных свойств при повышенных температурах.

Алюминевый сплав 8030: польза от железа

Медь, железо и алюминий, все они имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Эти атомные решетки всегда имеют в своих узлах вместо атомов определенное количество пустых мест – вакансий. Однако алюминий марки 1350 имеет таких вакансий в 20 раз больше, чем медь или сталь. Это ослабляет структуру алюминия 1350 и когда он подвергается постоянной нагрузке, то в точке нагружения возникает явление ползучести .

Атомы железа в алюминиевом сплаве 8030 укрепляют кристаллическую решетку алюминия и тем самым в значительной степени снижают склонность алюминия к ползучести. Кроме того, добавки железа обеспечивает повышение прочности алюминия при сохранении хороших пластических свойств.

alyuminiy-zhelezo-polzuchestРисунок 3 – Атомы железа препятствуют ползучести алюминия

Алюминиевый провод толще в 1,5 раза

Алюминий имеет в два раза большую электрическую проводимость на единицу массы, чем медь. Однако в расчете на единицу объема, электрическая проводимость алюминия составляет только 60 % от той, что есть у меди. В результате алюминиевый провод обычно должен иметь площадь сечения в два раза больше, чем медный провод для обеспечения той же силы тока.

Проблема оксидной пленки

Алюминий образует оксидную пленку сразу после соприкосновения с кислородом воздуха. Эта пленка сама себя ограничивает и поэтому не растет толще 200 нанометров или 0,2 микрометров. В среднем толщина этого оксидного слоя составляет от 5 до 200 нанометров.

Действительно, алюминиевый оксид является хорошим изолятором с диэлектрической прочностью 16,7 кВ. Однако, поскольку толщина оксидной пленки очень мала, то напряжение электрического пробоя составляет всего 3 вольта. Таким образом, получается, что при напряжении, скажем, 220 вольт, эта оксидная пленка не создает особых проблем для электрического контакта алюминиевого провода.

Тем не менее, в некоторых типах контактных колодок для алюминиевых сплавов для решения этой проблемы применяют специальные пасты для предотвращения окисления поверхности контакта алюминиевого провода.

Контактные колодки для алюминиевой проводки

В прошлом – в 1960-70-х годах для алюминиевой проводки применяли те контактные колодки, которые тогда были и которые, естественно,  были разработаны для медных проводов. Эти контактные колодки изготавливали из меди и стали. Поскольку алюминий расширяется при нагреве на 30 % больше, чем медь и сталь, то возникали проблемы с ослаблением контактов алюминиевой проводки.

В настоящее время разработаны специальные контактные устройства, которые изготавливаются из алюминиевых сплавов. Они подходят как для медной, так и для алюминиевой проводки.

alyuminievyy-kontaktorРисунок 4 – Контактная колодка для алюминиевой проводки

Электротехнические алюминиевые сплавы серии 8000

Кроме алюминиевого сплава 8030 были разработаны еще несколько электротехнических алюминиевых сплавов.

Американский стандарт ASTM B 800

Американский стандарт ASTM B 800, начиная с 1988 года, устанавливает требования к алюминиевым сплавам серии 8000, из которых изготавливают круглую проволоку для электрических кабелей и одиночных проводов.

Согласно этому стандарту алюминиевую проволоку изготавливают из алюминиевой катанки с химическим составом, который указан в таблице.

Таблица – Алюминиевые сплавы для электрических проводовalyuminievye-splavy-8000

Проволока поставляется в промежуточных нагартованных состояниях:

  • Н1Х – только деформационное упрочнение и
  • Н2Х – деформационное упрочнение и частичный отжиг.

Прочность при растяжении проволоки из сплавов серии 8000 в этих нагартованных состояниях составляет от 103 до 152 МПа, а относительное удлинение не опускается ниже 10 %.

Проволока из марки алюминия 1350 с ее 1,5 % относительного удлинения выдерживает только 5-6 перегибов, после чего хрупко разрушается. Проволока из сплавов серии 8000 имеет относительное удлинение более 10 % и держится при переменных изгибах намного дольше.

Европейский стандарт EN 1715-2

Этот стандарт устанавливает требования для алюминиевого подката, который идет на изготовление электротехнической проволоки. Кроме марки алюминия 1110 с содержанием железа до 0,8 %, он включает алюминиевые сплавы 8030 и 8176 (см. таблицу выше).

К сожалению, отечественные стандартизированные аналоги электротехнической проволоки из сплавов серии 8000 нам не известны.

И так

Зарубежный опыт применения алюминиевой проводки в течение последних 30 лет говорит следующее.

Для эффективного и безопасного применения алюминиевых проводов в качестве внутренней проводки жилых зданий необходимо:

  • применять при установке алюминиевой проводки контактные устройства (контактные колодки, контакторы), которые разработаны специально для алюминиевых проводов, в том числе с применением специальной пасты для защиты проводов от окисления;
  • применять в проводах алюминиевую проволоку из сплавов серии 8000.

Источники:
1) Материалы компании ALCAN
2) Американская алюминиевая ассоциация