Мідь чи алюміній? Переваги та недоліки мідних та алюмінієвих провідників.

У минулій статті ми розглянули типи класифікації кабельно-провідникової продукції за сферою застосування. А у цій публікації ми зупинимося на її різновидах за типами матеріалу провідника.

Сьогодні у світі використовують два основні матеріали для виготовлення струмопровідних жил – мідь та алюміній. Кожен з цих металів має свої особливі властивості, переваги та недоліки, які необхідно враховувати.

Мідь – один з найдревніших металів. Її пластичність та електропровідність були використані ще під час винайдення телеграфу, телефону та електричного двигуна. Проте цей метал завжди був доволі дорогим.

Винайдення порівняно дешевого способу добування алюмінію зробило переворот у глобальному розвитку електрифікації. Адже за рівнем електропровідності алюміній знаходиться на четвертому місці, поступаючись лише сріблу, міді та золоту. Це дозволило максимально здешевити виробництво проводів і кабелів та сприяло проведенню загальної електрифікації. Активно використовувати алюмінієві кабелі почали у 60-70-х роках минулого століття. А у радянські часи уся проводка була виключно алюмінієвою. Проте сьогодні у сучасних системах електропостачання для підключення житлових, громадських та промислових об’єктів застосовується переважно мідь.

Мідь

Мідь, як матеріал для електричної проводки має ряд переваг. До них у першу чергу можна віднести її електропровідність. За цим показником мідь знаходиться на другому місці і лише на 5% поступається сріблу. Питомий опір міді становить 0,017 Ом*мм²/м проти 0,028 Ом*мм²/м питомого електричного опору алюмінію. Різниця майже вдвічі! Відповідно, мідний дріт витримує більше навантаження ніж алюмінієвий при однаковому перерізі, а втрати напруги у мідних провідниках менші.

Завдяки своїм високим пластичним властивостям, мідь може випускатися у формі дуже тонкої жили, що додає універсальності мідному силовому кабелю.

Мідні дроти компактніші, що у свою чергу спрощує процес створення штроби під час проектування проводки у будинку чи квартирі.

А також мідні жили гнучкіші та механічно міцніші порівняно з алюмінієвими. Вони витримують багаторазові перегини, не ламаються від частих згинань та не пошкоджуються при скручуванні. Це значно полегшує установку та ремонтопридатність проводки. Дозволяє електрику легко розкрутити стару скрутку, додати провід та скрутити заново. Алюміній у такій ситуації може навіть не розкрутитися і лопнути.

Гнучкість матеріалу дозволяє виготовляти мідні провідники з м’якими багатодротовими жилами будь-яких перерізів. Це дозволяє використовувати їх для нестаціонарного прокладання, приєднання пересувного обладнання та виготовлення шнурів для електроприладів підвищеної гнучкості. Усі гнучкі проводи та кабелі виготовляються виключно з міді.

Мідь також характеризується високою міцністю на розрив та здатністю витримувати високу напругу, при цьому проявляючи мінімальні ознаки зносу. Завдяки цьому мідний кабель практично не потребує обслуговування.

Мідь твердіша за алюміній, тому має меншу текучість і її контакти надійніші.

Крім того, цей метал гарно піддається обробці, легко паяється та зварюється, а також практично не окислюється. Точніше окислюється, але дуже повільно, а сама по собі плівка (зеленуватий наліт) досить легко руйнується і не перешкоджає проходженню електричного струму.

Мідний кабель у порівнянні з алюмінієвим має велику хімічну стійкість. Мідь належить до благородних (інертних) металів і не вступає у хімічну реакцію з більшістю речовин. Тоді як алюміній піддається хімічній дії, внаслідок чого руйнується.

Ще однин важливий фактор провідників – це їх здатність розсіювати тепло. У міді коефіцієнт теплопровідності становить 389,6 Вт/м*°С, а у алюмінію 209,3 Вт/м*°С. Тобто мідь майже вдвічі краще розсіює тепло (не нагрівається) у порівнянні з алюмінієм. Це особливо важливо у місцях з’єднань, де провід гріється найсильніше.

З точки зору безпеки, мідний силовий кабель є одним з найбезпечніших варіантів організації електропостачання об’єктів. Міді не властиве високе циклічне розширення та стискання на відміну від алюмінію. А температура плавлення мідної жили становить аж 1083°С. Тому навіть якщо кабель перевантажений, то навряд він розплавиться чи згорить. А це означає, що ризик виникнення пожежі, при проблемах з живленням, буде мінімальним.

Завдяки усім цим властивостям саме мідь рекомендовано використовувати для облаштування електропроводки у сучасних будинках. Проте це рідкісний і дорогий метал. Саме вартість міді є певно головним недоліком цього матеріалу. Мідні родовища виснажуються, частка вмісту міді у руді зменшується, нові родовища бідні і географічно важкодоступні, а сам видобуток цього металу стає все складнішим. Внаслідок цих причин, і так високі ціни на мідь, продовжують зростати. Тому у сучасних умовах застосування алюмінієвих дротів є у кілька разів дешевшим, порівняно з мідними.

До мінусів використання мідних провідників можна також віднести їх посилену корозію на узбережжях морів, за рахунок наявності солей у повітрі, і значну вагу мідного дроту. Щільність міді становить 8900 кг/м³, а алюмінію – 2700 кг/м³. Чим вища щільність, тим важчий провідник. Відповідно при рівному обсязі мідний дріт буде важити у 3,3 рази більше алюмінієвого. Цей фактор є особливо важливим при прокладанні кабелів у повітрі, оскільки вимагає встановлення більшої кількості опор аби конструкція могла витримувати важкі провідники.

Алюміній

Електропровідність алюмінію становить лише 65-70% електропровідності міді. А тому переріз алюмінієвої жили відносно мідної буде більшим для передачі того ж струму. Відповідно для забезпечення необхідної провідності доведеться обирати товстіші кабелі, працювати з якими може бути складно та незручно.

Алюміній має високу схильність до окислення, особливо, коли він у контакті з вологою і різнорідними металами. Звісно, мідь також окислюється під дією повітря, проте у алюмінію цей процес відбувається набагато швидше, а сама оксидна плівка дуже щільна. З одного боку, вона оберігає метал від подальшої корозії, на нього не діє водяна пара, прісна і морська вода. Але, з іншого боку, оксидна плівка погано проводить струм і підвищує опір контактів у з’єднаннях. Контакти, вкриті плівкою, сильно нагріваються та плавляться, що врешті може призвести до пожежі. Проблемний контакт доводиться шукати, підтягувати та міняти зажими.

Для попередження цих негативних явищ в алюмінієвому силовому кабелі використовують антиокисні з’єднання. Такі лінії вимагають більш високого рівня обслуговування, порівняно з мідними, що включає в себе перевірку провідників на герметичність і наявність окислення.

Необхідність періодичної підтяжки контактів зумовлена ще однією особливістю алюмінію – низькою межею текучості. Алюміній більш м’який у порівнянні з міддю і з часом під дією затискачів починає розтікатися – втрачає пружність та початкову форму. В результаті ослаблюється контакт яким струмопровідні жили скріплюються між собою або з будь-яким пристроєм. Провідник починає нагріватися та іскрити, що також може стати причиною загорання. Для того щоб цього уникнути необхідно постійно підтягувати контакт, що знову ж таки веде до нагрівання та прискорення корозійних процесів.

Алюміній має невисоку міцність та гнучкість, менш стійкий до розтягнень та згинання. В середньому він витримує близько 12 згинань, після чого просто ламається. У той час як мідні жили витримують не менше 80 перегинів без пошкодження. Проте для стаціонарного прокладання, якщо проводка проходить у стіні, підлозі або захована під стелею, ця особливість не є такою важливою.

Також традиційно вважається, що з’єднання проводів з алюмінію через їх крихкість більш складне завдання. Однак це актуально лише при звичайному об’єднанні проводки, шляхом скручування. У разі застосування спеціальних клемників або гвинтів така проблема відпадає.

Також слід відзначити, що через щільну оксидну плівку алюміній не паяється звичайним способом, а потребує використання спеціальних паяльників. Його зварювання виконують у камері з інертним газом, а також він має низьку технологічність подальшої переробки і вживання та невисоку ремонтопридатність.

Особливі проблеми алюмінієва проводка створює тоді, коли потрібно ремонтувати з’єднання в розподільчих коробках – старий алюміній вже має мікротріщини, тому при одному невірному русі жила може обламатися і доведеться знімати частину штукатурки, щоб хоч трохи витягнути дроти.

Алюмінієвий силовий кабель підвищує потенційний ризик пожежі на об’єкті. Згідно зі статистикою, пожежі через несправності в електропроводці з використанням алюмінієвих дротів трапляються на 60% частіше, ніж в електроустановках з використанням мідних проводів. Цьому сприяють і цикли розширення та стиснення властиві алюмінію, що дуже впливають на безпеку з’єднань, і низька температура плавлення цього металу, що становить менше 700°С. Тож про цей метал говорять, що він не пробачає помилок, які може допустити монтажник.

Також у алюмінію вкрай невисока корозійна стійкість і у вологому середовищі термін його служби значно зменшується.

Однак, цей метал має і свої переваги. Однією з них є його легка вага. Алюмінієві дроти на 30-50% (залежно від марки) легші за мідні. Цей фактор є особливо важливим при прокладанні повітряних ліній електропередачі, адже навантаження на електричні опори та ізолятори при прокладанні алюмінієвих дротів буде суттєво меншим.

Легка вага алюмінію також полегшує прокладання довгих та товстих кабелів, адже значно зручніше розкатувати бухту чи катушку з легким кабелем.

Ще однією беззаперечною перевагою алюмінію є його низька вартість, яка приблизно в втричі нижча ціни на мідь. Алюміній широко поширений у природі. Його видобування постійно удосконалюється та зростає на тлі скорочення рудних запасів міді. Тож при існуючому рівні цін, застосування алюмінієвих дротів є у кілька разів вигіднішим, ніж мідних.

Також необхідно пам’ятати, що алюмінієві та мідні провідники не можна з’єднувати безпосередньо один з одним, бо мідь та алюміній утворюють гальванічну пару. У такій гальванічній парі алюміній внаслідок електрокорозії дуже швидко руйнується, що погіршує електричний контакт. Місце з поганим контактом буде нагріватися та іскрити. В результаті цього надійність контактів буде зменшуватися, що може, знову ж таки призвести до пожежі. Тому при потребі з’єднання мідного та алюмінієвого дротів використовують сталеві клеми, з’єднувачі та перехідники, які запобігають безпосередньому контакту алюмінію та міді.

Висновок

Підсумовуючи усі вище розглянуті факти, можна стверджувати, що вирішальним фактором при використанні мідних дротів є їх надзвичайно гарна електропровідність, що у півтора рази вища ніж в алюмінію. Відповідно, і теплові втрати, і втрати напруги у мідних провідниках менші. Мідні дроти при меншому перерізі витримують більший струм та стійкіші до частих згинань. А мідна проводка потребує менше зусиль при прокладанні та практично не вимагає обслуговування.

Мережа виконана за допомогою алюмінію, навпаки, потребуватиме періодичної перевірки провідників та підтягування контактів. Невисока міцність та знижена еластичність цього металу ускладнює його використання під час монтажу розподільчих коробок та розеток. Великий опір спричиняє втрати електроенергії, а при граничних навантаженнях провідник буде сильніше нагріватися і завчасно старіти його ізоляція. Алюмінієва проводка не є безпечною, оскільки при ослабленому контакті ризик виникнення пожежі дуже великий.

Крім того, сучасне навантаження на побутову електропроводку суттєво зросло. Величезна кількість електроприладів у сучасному будинку призвела до того, що люди почали встановлювати по 5 і навіть більше розеток в одному місці, тоді як раніше встановлювали одну. У такому випадку розетки з’єднуються шлейфом, що досить складно зробити алюмінієвим дротом. Алюмінієва проводка не дозволяє використовувати такі потужні прилади як індукційні варочні поверхні, печі, автоматичні пральні машини та інші потужні прилади. І навіть сучасні люстри, монтаж яких не потребує високої потужності дроту, часто не можуть встановлюватись за допомогою алюмінієвих проводів оскільки мають мідні вступні кінці, які з алюмінієм з’єднувати не можна. Тож сьогодні під час електромонтажних робіт найчастіше використовують саме мідну електропроводку.

Усе це дозволяє стверджувати, що проводку у житлових будинках та офісних приміщеннях необхідно прокладати використовуючи мідні дроти. А старі проводки, змонтовані з використанням алюмінієвих дротів, варто замінити на мідні.

Алюмінієві ж кабелі доцільно використовувати при проектуванні потужних трас великою протяжністю, оскільки затрати на мідь можуть значно збільшити вартість проекту електропостачання. Цей метал активно використовується на високовольтних лініях, для облаштування повітряних ліній електропередачі, на промислових об’єктах, при підведенні електроенергії до будинків та підключення кінцевих споживачів до загальних електричних мереж.

Алюміній широко застосовується для кабелів, з перетином більше 16 мм². Це дозволяє зробити електромонтаж дешевшим, а негативні властивості алюмінію при таких перерізах менш помітні.

Алюмінієві обмоткові проводи можуть застосовуватись при виробництві малопотужних трансформаторів, електродвигунів та інших електричних машин.

А алюмінієва проводка може використовуватися у тимчасових будівлях і спорудах, термін експлуатації якої не перевищує двох років. Також, з метою економії, алюміній також можна використовувати при підведенні електрики до розеток та вимикачів.

Як бачимо, усі наявні переваги та недоліки цих двох металів розмежували сфери їх застосування. Та зробили кабельно-провідникові вироби з жилами із алюмінію та міді і досі найбільш популярними в усьому світі.

Перспективи

У світі давно існує конкуренція між мідними та алюмінієвими дротами. І при усіх перевагах застосування міді, наука все частіше звертає свої погляди на алюміній. Ця доступна і недорога сировина на тлі виснаження світових запасів міді має вельми привабливу ціну і суттєво здешевлює прокладання електричних ліній. Тож одним з напрямків розвитку виробництва кабельно-провідникової продукції є створення алюмінієвих сплавів з вмістом частки заліза та міді, покликаних підвищити гнучкість алюмінієвих провідників та забезпечити їх надійне контактне з’єднання з пристроями.

На думку деяких експертів застосування нових матеріалів може дозволити створювати нові кабелі та дроти збільшеного робочого ресурсу при відносно невисокі вартості. А конкуренція на ринку тільки сприятиме підвищенню якості кабельної продукції.

При цьому слід пам’ятати, що усі наявні комплектуючі та фурнітура пристосовані під мідні проводи. І при заміні існуючого проводу на новий сплав доведеться міняти марку з’єднувачів і розеток. Крім того, кабель з алюмінієвого сплаву при однаковій провідності з мідним має збільшений переріз і більший в діаметрі. А вже збудовані шахти та стояки існуючих житлових будинків на це не розраховані.

У світі алюмінієві сплави при прокладанні проводок у житлових приміщеннях застосовуються уже десятки років. Проте їх частка на ринку зазвичай невелика. Приміром у США, Європі та Китаї вона становить близько 30%. Масового попиту на алюмінієві сплави не має. І незважаючи на те, що такі кабелі дешевші та легші за мідні при однаковій з ними провідності, витіснити мідь алюмінієвому сплаву поки що так і не вдалося.