Distinct Black White Paper - European Copper Institute

Energia elektryczna
Artykuły
www.leonardo-energy.org
Marzec 2007
Dlaczego właśnie miedź jest stosowana jako materiał
przewodzący?
Stefan Fassbinder, Leonardo ENERGY
Aluminium jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności, gdyż jego
przewodność właściwa wynosi w przybliżeniu 65% przewodności miedzi.
Tylko srebro, które jest najlepszym przewodnikiem, przewyższa miedź pod
względem przewodności o około 6%. Złoto, pod względem przewodności,
znajduje się pomiędzy aluminium i miedzią, ale ze względu na swoją cenę,
podobnie jak srebro, nie wytrzymuje konkurencji w zastosowaniu do
przewodów, kabli, elementów przewodzących i maszyn elektrycznych.
Wszystkie pozostałe znane pierwiastki i związki chemiczne, o ile w ogóle są
przewodnikami elektrycznymi, mogą tylko plasować się w pewnej odległości
w tym szeregu. Stopy (mieszaniny) różnych metali są, mówiąc ogólnie,
znacznie gorszymi przewodnikami niż czyste metale, tak więc miedź i
aluminium pozostają jedynymi dwoma metalami, które znajdują
ekonomicznie uzasadnione zastosowanie jako materiały przewodzące.
Aluminium jest metalem lekkim o gęstości właściwej zaledwie 35% gęstości
miedzi, a ponadto jego cena (wagowo) jest znacznie niższa od ceny miedzi.
Udział materiału przewodzącego w kosztach produkcji maszyn lub urządzeń
elektrycznych jest do trzech razy wyższy w przypadku miedzi niż aluminium.
Jest to jednak tylko jeden z aspektów całości zagadnienia.
Dlaczego więc aluminium ― przynajmniej w Niemczech, prawie w ogóle nie
jest stosowane jako materiał przewodzący, z wyjątkiem odlewanych klatek
wirników silników indukcyjnych?
Aby uzyskać maszynę elektryczną z uzwojeniami aluminiowym, równoważną
pod względem parametrów, a szczególnie sprawności energetycznej,
maszynie z uzwojeniami z miedzi, należałoby obniżyć gęstość prądu o około
35% co oznacza, że przekrój porzeczny przewodników musiałby zostać
zwiększony w takim samym stopniu. Zgodnie z tym należałoby powiększyć
wymiary pakietów rdzeni i całej konstrukcji mechanicznej. Zwiększeniu
uległyby objętość maszyny, ciężar i zużycie materiałów ― a zatem i cena, co
zrównoważyłoby, lub przewyższyło, oszczędności uzyskane na materiale
przewodzącym.
www .leonardo-energy.org
Jeżeli chodzi o kable, jest to drugorzędny argument. Większą część
przekroju poprzecznego niskonapięciowych kabli energetycznych, o
przekroju żył do około 10mm² oraz kabli wysoko napięciowych, stanowi
materiał izolacyjny. Jego udział, w mniejszym lub większym stopniu,
przewyższa wzrost przekroju poprzecznego, spowodowany użyciem
aluminium. Jednak większość krajów europejskich do produkcji przewodów
stosuje wyłącznie, lub w przeważającym stopniu, miedź. Dlaczego większość
europejskich przepisów zabrania stosowania aluminium w zakresie do
16mm², a częściowo do 10 mm²?
Dzieje się tak głównie z trzech powodów:
•
Aluminium jest co prawda dosyć giętkie, ale nie tak giętkie jak
miedź. Końce przewodów wykonanych z drutu i ułożonych w
tynku, np. doprowadzenia do opraw oświetleniowych lub gniazd
wtyczkowych, ułamią się po kilkakrotnym zginaniu i rozginaniu.
Problem pojawia się, gdy przewód w osłonie izolacyjnej jest już
bliski ułamania się i w tym stanie jest eksploatowany.
Uszkodzenie pozostaje niewykryte, aż do czasu, kiedy przewód
zostanie silnie obciążony (prądem bliskim znamionowemu), co
może nastąpić nawet po latach. Przewód ulega wtedy stopieniu
w miejscu przewężenia, co w przypadku aluminium następuje
łatwiej z powodu gorszej przewodności cieplnej i niższej
temperatury topnienia (niezależnie od większej tendencji do
powstawania tego rodzaju uszkodzeń), a powstający przy tym
łuk elektryczny oznacza ryzyko pożaru.
•
W atmosferze powietrza aluminium szybko pokrywa się twardą
i bardzo odporną na ścieranie warstwą tlenku, która jest
nieprzewodząca i pogarsza właściwości styków. Występująca
rezystancja styków pociąga za sobą ryzyko pożaru.
•
Aluminium ma tendencję do długotrwałego pełzania. Ogólnie
rzecz biorąc, materiał płynie pod naciskiem. Silnie dociśnięte
połączenia mogą się rozluźnić.
Ze względu na przyczyny podane w punkcie drugim, końce przewodów
aluminiowych powinny być silnie przykręcone lub zagniecione, jednak z
powodów opisanych w punkcie trzecim, styki takie nie będą trwałe. Styki
sprężynujące powinny w zasadzie usunąć ten problem, jednak umożliwiają
utlenianie. W obu przypadkach rezystancja styków powoli wzrasta, co jak
poprzednio, prowadzi do zagrożenia pożarem.
Miedź jest preferowanym materiałem przewodzącym także w kablach
wysokonapięciowych, gdyż materiał izolacyjny, jak również ekran są dość
drogie i nawet mały wzrost całkowitego przekroju poprzecznego kabla
równoważy oszczędności uzyskane na materiale przewodzącym. Ekran jest
zawsze wykonywany z miedzi, a jeżeli żyły zostały wykonane z aluminium, to
w procesie odzysku materiałów ― po bardzo długim okresie użytkowania
© European Copper Institute
2
www .leonardo-energy.org
takiego kabla, niezbędny będzie dodatkowy krok w celu odseparowania
metali.
Tak więc jedynym pozostałym obszarem konkurencji są niskonapięciowe
kable energetyczne gdzie, według doświadczeń uzyskanych w Niemczech,
wybór materiału jest kwestią filozofii przedsiębiorstwa dystrybucyjnego.
Decyzja czy większy przekrój poprzeczny, czy też czy większy ciężar kabla
jest mniejszą przeszkodą, powinna być podejmowana indywidualnie dla
każdego zastosowania. Należy jednak brać pod uwagę, że nawet w tym
przypadku kabel miedziany zapewnia większy stopień bezpieczeństwa ze
względu na już wspomnianą giętkość i własności stykowe materiału oraz, że
mniejsza średnica znacznie ułatwia manipulowanie kablem. Należy
zauważyć, że sztywność wzrasta z kwadratem pola przekroju, a więc z
czwartą potęgą średnicy!
Jedyną dziedziną dominacji aluminium są linie napowietrzne wysokiego
napięcia, gdzie dysponowana przestrzeń nie stanowi problemu, natomiast
ciężar jest bardzo istotny.
© European Copper Institute
3