О новой алюминиевой проводке в России

Введение

С 20 марта 2019 года в России введено в действие Изменение №2 к СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий». Изменение №2 разрешает применение кабелей и проводов с жилами из алюминиевых сплавов марок 8030 и 8176 (таблица 1) в электропроводке при строительстве жилых и общественных зданий. Это изменение вводит также некоторые дополнительные правила по работе с алюминиевыми проводами и кабелями.

Измененный свод правил СП 256.1325800.2016 дает возможность применять провода и кабели с  жилами из алюминиевых сплавов не только в распределительных сетях зданий, которые осуществляют питание квартир, но и в самих квартирах.

Таблица 1 – Химический состав алюминиевых сплавов 8176 и 8030
по ГОСТ Р 58019-2017 (с учетом поправки по ИУС №5 2018 г.)

Ниже представлен обзор проблем и решений по алюминиевой проводке, а также практики применения алюминиевой проводки в США и Канаде.

«Старая» алюминиевая проводка

Алюминиевая проводка, которая устанавливалась в жилых зданиях с середины 1960-х годов, как считается, явилась причиной многих пожаров. Поэтому с 2003 года в России она была запрещена для применения в жилищном строительстве.  Токопроводящими жилами этой проводки в то время являлась проволока из нагартованного алюминия марки АД0Е по ГОСТ 4784 (таблица 2). Основной причиной проблем с этой алюминиевой проводкой являлось ослабление и перегрев контактных соединений алюминиевого провода с так называемыми электроустановочными изделиями, то есть с розетками, выключателями и т. п.

Похожие проблемы с алюминиевой проводкой происходили и за рубежом. Например, в США и Канаде эти проблемы начались после того, как, начиная с 1965 года, в связи с нехваткой и дороговизной меди стали массово применять алюминиевые провода и кабели, в том числе, для разводки электрической проводки внутри домов. Это была проводка с жилами из марки алюминия 1350 в нагартованном состоянии H19. Химический состав марки алюминия 1350 (таблица 3) практически совпадает с химическим составом АД0Е [1].

Таблица 2 – Химический состав марки алюминия АД0E (ГОСТ 4784-97)

Таблица 3 – Химический состав марки алюминия 1350 по стандарту ANSI H35.1 [2]


Алюминий марки 1350 успешно применялся и применяется до сих пор в воздушных линиях электропередачи от электростанций до трансформаторных подстанций. В этом случае алюминий имеет неоспоримые преимущества перед медью благодаря своему малому удельному весу.

Проблемы «старой» проводки и их решения

Причинами проблем со «старой» алюминиевой проводкой с жилами из алюминия марки АД0Е или марки 1350 считаются следующие особенности его свойств по сравнению с медной проводкой [2,3]:

  • выше ползучесть
  • ниже пластичность
  • выше температурное расширение
  • окисление поверхности контакта
  • гальваническая коррозия в контакте с латунью и сталью.

1) Ползучесть

Проблема:

  • Алюминий марки АД0Е (1350) под постоянной нагрузкой в контактном соединении проявляет ползучесть, что приводит к ослаблению электрического контакта (рисунок 1). Ползучесть – это, упрощенно,  медленная пластическая деформация при напряжениях ниже предела текучести. См. подробнее здесь.


Рисунок 1 – Ползучесть алюминия и ослабление контакта   [13]

Решение:

  • Алюминиевые жилы из сплавов 8030 и 8017 имеют более высокую стойкость к ползучести, которая близка к той, которой обладают медные жилы. Это достигается, в основном, за счет повешенного содержания железа (рисунок 2).

Рисунок 2 [13]

2) Пластичность

Проблема:

Проволоку из алюминия 1350 применяли в алюминиевой проводке в полностью нагартованном состоянии Н19. В этом состоянии предел прочности лишь незначительно превышает предел текучести, а относительное удлинение составляет всего 1,5-2 % (рисунок 3) [6]. С этим связана «хрупкость» этой алюминиевой проволоки и ее чувствительность к надрезам и вмятинам.

Рисунок 3– Изменение пределов прочности и пластичности
при нагартовке и отжиге алюминия [5]

Решение:

  • Алюминиевые жилы из сплавов 8030 и 8176 имеют состояние Н2х, то есть с применением промежуточного отжига, что дает относительное удлинение не менее 10 % [7].

3) Температурное расширение

Алюминий при нагреве увеличивает свои размеры и объем в большей степени, чем другие материалы, которые находятся вместе с ним контактном соединении, например, латунь или сталь. Это вызывает температурные напряжения и, часто, пластические деформации, что приводит к уменьшению  площади контакта и к еще большему его нагреву (рисунок 4) [8].

(а)

(б)

Рисунок 4 [9]

Решение:

  • Коэффициент температурного расширения алюминия практически не зависит от легирующих элементов или технологии [2]. Для компенсации повышенного температурного расширения алюминиевой проводки применяют специальные контактные устройства из материалов, близких по температурному расширению (рисунок 5) [8].
  • Для алюминиевой проводки категорически не применяют так называемые вставные контакты, когда провод «втыкается» в контактное устройство [9]. Эти контакты являются очень чувствительными к различиям температурного расширения материалов контактного устройства и алюминиевого проводника.

Рисунок 5 [8]

4) Окисление поверхности контакта

Проблема:

  • Свежая поверхность алюминия мгновенно покрывается пленкой из оксида алюминия. Оксид алюминия является электрическим изолятором.  Толщина этой пленки зависит от температуры и влажности окружающей среды.

Решение:

  • При температуре 25 ºС толщина оксидной составляет всего 2-50 нм. Механическое усилие, которое прилагается к алюминиевому проводу винтом или пластиной легко «проламывает» хрупкий слой оксида алюминия. Кроме того, напряжения, которое применяется в распределительных сетях зданий (обычно от 120 до 480 В) достаточно, чтобы преодолеть изолирующие свойства естественного оксида алюминия [3,4].
  • Для того, чтобы получить максимально хорошее соединение лучше удалить оксидный слой с поверхности алюминиевого проводника и нанести на него токопроводящую смазку. Это особенно важно для проводников, которые работают во влажной или коррозийной атмосфере, при высокой температуре или при длительном сроке службы. Токопроводящая смазка предотвращает дальнейший рост оксидной пленки и, кроме того, исключает попадание на поверхность контакта влаги или другого электролита, что исключает гальваническую коррозию (см. ниже).

5) Гальваническая коррозия алюминия

Проблема:

  • Материалами, которые применяются в контактном соединении с алюминием, могут оказаться другие металлы, например, сталь или латунь. При наличии влаги это может приводить к образованию гальванической пары и вызывать гальваническую коррозию алюминия (см. рисунок 3). Эта коррозия ухудшает условия контакта и также может вызывать перегрев контактного соединения.

Решение:

  • Применение специальных контактных устройств из материалов, не вызывающих гальваническую коррозию алюминия (см. рисунок 4);
  • Применение специальной контактной смазки (см. выше пункт 4)).

«Новые» алюминиевые сплавы в США и Канаде

Электротехнические сплавы серии 8000

Еще в начале 1970-х годов в США и Канаде были разработаны несколько новых алюминиевых сплавов для изготовления алюминиевых проводов и кабелей. Стандарт ASTM B 800 [8] включает 6 таких сплавов, часть из них были запатентованы. Все они имеют повышенное содержание железа, а также добавки некоторых других элементов. Основные различия химического состава, например, алюминиевого сплава 8030 и марки алюминия 1350 показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 — Сравнение химического состава
алюминиевого сплава 8030 и марки алюминия 1350 [13]

В настоящее время для изготовления алюминиевых кабелей и проводов применяются только два алюминиевых сплава – 8030 и 8176 (таблица 4) [8-12]. Европейский стандарт EN 573-3 также включает в серию 8000 только эти два электротехнических алюминиевых сплава (таблица 5). Для удобства сравнения показана также таблица 6 с химическим составом сплавов 8030 и 8176 по ГОСТ Р 58019.

Таблица 4 – Сплавы 8030 и 8176 в ASTM B 800

Таблица 5 – Сплавы 8030 и 8176 в EN 573-3

Таблица 6 – Химический состав сплавов 8176 и 8030 по ГОСТ Р 58019-2017

«Американские» и «российские» сплавы 8030 и 8176

Отметим, что российские сплавы 8030 и 8176 существенно отличаются от своих американских и европейских аналогов (см. таблицы 4-6).  На рисунках 7 и 8 показаны пределы содержания основных легирующих элементов в сплаве 8030 (железо-медь) и 8176 (железо-кремний) по ASTM B 800 и по ГОСТ Р 58019. Российские сплавы имеют значительно более низкое содержание легирующих элементов — железа, меди и кремния.

Рисунок 7 – Пределы содержания железа и меди в сплаве 8030
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Рисунок 8 – Пределы содержания железа и кремния в сплаве 8176
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Алюминиевые жилы в американском NEC

Согласно американскому Национальному электрическому кодексу (NEC) все алюминиевые жилы должны изготавливаться из электротехнических алюминиевых сплавов серии 8000:

  • Цельные — размеры 12, 10 и 8 AWG
  • Многожильные — от 8 AWG и более.

Алюминиевые жилы менее 12 AWG (3,31 мм2) в Кодексе не рассматриваются.

Справка:

  • American wire gauge (AWG) – это стандартизированная система размеров для диаметров круглых токопроводящих жил – от 40 до 0000(4/0). Чем больше число AWG, тем меньше физический размер жилы. Фрагмент таблицы AWG см. на рисунке 9.


Рисунок 9– Фрагмент таблицы AWG

Применение алюминиевых проводов в США и Канаде

В настоящее время в США и Канаде алюминиевые провода из сплавов 8030 и 8176 доступны на рынке только начиная с размера AWG 8 (8,37 мм2) [10]. Это можно видеть также в каталогах и презентациях производителей алюминиевых проводов и кабелей, которые в 1970-х годах первыми начали применять сплавы 8030 и 8176 — Alcan Cable и Southwire [11-13]. Для внутренней проводки нужны алюминиевые провода с размерами AWG 10 и AWG 12.

В презентации компании Alcan представлена наглядная схема стандартного применения алюминиевых проводов и кабелей для передачи электроэнергии от электростанций к жилым домам (рисунок 10) [13]: везде, но не внутри самих домов!


Рисунок 10 — Применение алюминиевых проводов в США и Канаде [13]

При строительстве новых жилых домов для разводки внутренней проводки, как правило, применяют медные провода – об этом прямо указано и на сайте американской Алюминиевой Ассоциации [14].

Вместе с тем, для подключения крупных бытовых потребителей электрической энергии – сушилок, кондиционеров, бойлеров, электроплит – обычно применяют именно алюминиевые кабели. Кроме того, во многих американских домах для подвода электрической энергии от общей электрической сети до распределительного щитка дома также применяют кабели с алюминиевыми жилами. В этих случаях применяют алюминиевые жилы 8 и 6 AWG (8,37 и 13,3 мм2) [6].

За последние 20 лет значительно возросло применение алюминиевых проводов в качестве «фидерных» (подводящих) электрических линий для высотных зданий, больниц, отелей, стадионов и, уже в последнее время, дата-центров [3].

Учиться работе с алюминиевыми проводами и кабелями

Американская Алюминиевая Ассоциация прикладывает много усилий по продвижению алюминиевой продукции, в том числе, алюминиевой кабельной продукции. Примером этого служит, например, объемное  руководство по алюминиевым электрическим проводникам Aluminum Electrical Conductor Handbook [15].

Американская Алюминиевая Ассоциация и Национальная Ассоциация Электротехнических Подрядчиков (NECA) совместно разработали и регулярно обновляют Стандарт NECA/AA 104-2012 [9] по правилам установки алюминиевых проводов и кабелей в электрических сетях зданий. Этот стандарт является руководством по работе с алюминиевыми проводами и кабелями, которое включает много подробных иллюстраций.

 Заключение

1. Работа с алюминиевыми проводами и кабелями для внутренней и наружной проводки зданий, в том числе, из сплавов 8030 и 8176 требует дополнительных знаний и навыков по сравнению с работой с медными проводами и кабелями. Для этого, например, в США и Канаде, разрабатываются и распространяются специальные стандарты, руководства и рекомендации, а также проводятся семинары и тренинги.

2. В США и Канаде провода и кабели из алюминиевых сплавов 8030 и 8176 применяют в основном, начиная с размера 8 AWG. Такие кабели применяют для подключения крупных бытовых потребителей электроэнергии, таких как сушилки, бойлеры, кондиционеры, а также для подвода электроэнергии от общих сетей к распределительным щиткам индивидуальных домов. Для разводки внутренней проводки при строительстве новых домов алюминиевые провода и кабели с размерами 10 AWG и 12 AWG практически не применяются.

3. За последние два десятилетия в США и Канаде расширилось применение проводов и кабелей из алюминиевых сплавов 8030 и 8176 для подводящих (фидерных) линий подачи электроэнергии для высотных жилых, офисных зданий и дата-центров, а также крупных сооружений, например, стадионов.

Источники:

  1. Изменение №2 к СП 256.1325800.2016 – 19.09.2018.
  2. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.
  3. Кабели силовые с токопроводящими жилами из сплавов алюминия для электропроводок в жилых зданиях / Каменский М.К., Недайхлиб Т.А., Фрик А.А. – Кабели и провода — №3, 2018.
  4. Aluminum Alloy Conductors: 45 Years of Reliable Installations /Christel Hunter — IAEI News magazine — January 18, 2016.
  5. Design of Aluminium structures: Selection of Structural Alloys Structural Design according to Eurocode 9 /R. Gitter – EUROCODES: Background and Applications, 2008.
  6. ASTM B 230 Standard Specification for Aluminum 1350–H19 Wire for Electrical Purposes.
  7. ASTM B 800 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wire for Electrical Purposes – Annealed and Intermediate Tempers.
  8. Evaluation of Aluminum Cable / Breck Booker, Southwire – 2011.
  9. NECA/AA 104-2012 Recommended Practice for Installing Aluminum Building
    Wire and Cable.
  10. The Evolution of Aluminum Conductors Used for Building Wire and Cable – National Electrical Manufactures Association (NEMA), 2012.
  11. Building Wire – Product Catalog – Alcan Cable
  12. https://www.southwire.com/Building-Wire/c/building-wire
  13. Stabiloy, Aluminum or copper? /Alex Mak — Alcan — 2008
  14. Technical Information on Electrical Aluminum — Aluminum Association, 2019
  15. Aluminum Electrical Conductor Handbook /Aluminum Association, 1989.