Удельное сопротивление меди и алюминия для расчетов

Степень чистоты алюминия

Традиционная система описания чистоты металлов, в том числе, алюминия, основана на измерении общего количества примесных элементов в процентах и вычитания этого количества из 100 %. Обычно результат выражается в количестве девяток. Например, «пять девяток» указывает на чистоту 99,999 %. Это означает, что общее содержание примесей составляет 0,001 % или 10 миллионных долей (10 ppm).

Метод измерения чистоты металлов

Сопротивление прохождению электронов через образец высокочистого металла, особенно при низких температурах, сильно зависит от количества примесных элементов, которые присутствуют в нем. На этом факте основан очень чувствительный качественный метод испытаний чистоты 99,999 % и выше. Этот метод ценен не только из-за своей чувствительности, но еще и потому, что измерение электрического сопротивления является относительно простым.

Намагничиваемость

Поскольку алюминий имеет нечетное количество валентных электронов (3), то он является парамагнитным. В нормальных условиях не проявляет намагничиваемости.

Атомные свойства

Алюминий имеет:

• атомный номер 13
• атомный вес 26,9815.

Кристаллическая структура

Алюминий кристаллизируется в гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), которая является стабильной от температуры 4 К и до точки плавления.

Атомная структура алюминия

Удельное сопротивление разных металлов

Каждый металл имеет собственные индивидуальные характеристики. Если сравнивать удельное сопротивление алюминия, например с медью, можно отметить, что у меди это значение составляет 0,0175 Ом•мм2/м, а у алюминия – 0,0271Ом•мм2/м. Таким образом, удельное сопротивление алюминия значительно выше, чем у меди. Отсюда следует вывод, что электропроводность меди значительно выше, нежели из алюминия.

На значение удельного сопротивления металлов влияют определенные факторы. Например, при деформациях, нарушается структура кристаллической решетки. Из-за полученных дефектов возрастает сопротивление прохождению электронов внутри проводника. Поэтому, происходит рост удельного сопротивления металла.

Также свое влияние оказывает и температура. При нагревании узлы кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, тем самым увеличивая удельное сопротивление. В настоящее время, из-за высокого удельного сопротивления, алюминиевые провода повсеместно заменяются медными, обладающими более высокой проводимостью.

Понятия, связанные с удельным сопротивлением

Величина, противоположная удельному сопротивлению, носит наименование удельной проводимости или электропроводности. Обычное электрическое сопротивление свойственно лишь проводнику, а удельное электрическое сопротивление характерно только для того или иного вещества.

Как правило, эта величина рассчитывается для проводника, имеющего однородную структуру. Для определения электрического сопротивления однородных проводников используется формула:

Физический смысл этой величины заключается в определенном сопротивлении однородного проводника с определенной единичной длиной и площадью поперечного сечения. Единицей измерения служит единица системы СИ Ом•м или внесистемная единица Ом•мм2/м. Последняя единица означает, что проводник из однородного вещества, длиной 1 м, имеющий площадь поперечного сечения 1 мм2, будет иметь сопротивление в 1 Ом. Таким образом, удельное сопротивление любого вещества можно вычислить, используя участок электрической цепи, длиной 1 м, поперечное сечение которого будет составлять 1 мм2.

Определение активных и индуктивных сопротивлений проводов

Доброго времени суток. В данной статье речь пойдет о расчете активных и индуктивных сопротивлений для воздушных и кабельных линий из цветных металлов, таких как медь и алюминий. Данные расчеты обычно приходится выполнять, когда нужно выполнить расчет токов короткого замыкания в распределительных сетях.

Определение активного сопротивления проводов

Активное сопротивлении проводов проще всего определять по справочным данным, составленным на основании ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблицы 1 – 4. Данные таблицы вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТ, приведу лишь не которые.

Пользоваться всеми известными формулами по определению активного сопротивления — не рекомендуется [Л1. с.18],связано это с тем, что действительное сечение отличается от номинального сечения, провода выпускались в разное время, по разным ГОСТ и ТУ и величины удельной проводимости (ρ) и удельного сопротивления (γ) у них разные:

• γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
• s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
• l – длина линии, м;
• ρ – значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 1.14 [Л2. с.30]

Активные сопротивления стальных проводов математическому расчету не поддаются. Поэтому рекомендую для определения активного сопротивления использовать приложения П23 – П25 [Л1. с.80,81].

Определение индуктивного сопротивления проводов

Индуктивное сопротивление воздушных линий для стандартной частоты f = 50 Гц и относительной магнитной проницаемости для цветных металлов µ = 1, определяется по известной всем формуле [Л1.с.19]:

• Dср. – среднее геометрическое расстояние между проводами, мм;
• dр – расчетный диаметр провода (мм2), определяется по ГОСТ 839-80, таблицы 1 -4;

Среднее геометрическое расстояние между проводами определяется по формуле [Л1.с.19]:

• D1-2 — расстояние между проводами первой и второй фазы;
• D2-3 — расстояние между проводами второй и третей фазой;
• D1-3 — расстояние между первой и третей фазой.

Данные значения определяются по чертежам опор линий электропередачи.

Для упрощения расчетов индуктивного сопротивления проводов рекомендуется использовать приложения П28-П31 [Л1.с.83-85], предварительно определив значение Dср.

Если же нужно выполнить приближенный расчет, то можно использовать в расчетах средние значения сопротивлений:

• для линий 0,4 – 10 кВ х = 0,3 Ом/км;
• для линий 35 кВ х = 0,4 Ом/км;
• для стальных проводов использовать приложение П6 [Л1.с.70];

Индуктивное сопротивление кабелей рассчитать довольно сложно, из-за различной их конструкции. Поэтому активные и индуктивные сопротивления кабелей рекомендуется принимать по справочникам, приложение П7 [Л1.с.70].

Если же нужно выполнить приближенный расчет, можно принять индуктивные сопротивления:

• для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,06 Ом/км для напряжения до 1000 В;
• для кабелей сечением 16 – 240 мм2 х = 0,08 Ом/км для напряжения 6 – 10 кВ;
• для проводов проложенных на роликах х = 0,20 Ом/км;
• для проводов проложенных на изоляторах х = 0,25 Ом/км;

Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников

В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.

Показатели удельного сопротивления приведены для таких «популярных» материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.

Материал Удельное сопротивление, ρ,при 20 °C (Ом·м)

Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.

Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.

Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.

Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.

Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.

Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах — никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.

Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частот определяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.

Медь или алюминий: что лучше всего подходит для проводки?

Сейчас подавляющее большинство электриков используют медную проводку вместо алюминиевой. Но почему? Чем медь лучше алюминия?

В СССР вся проводка была алюминиевой, а в современных новостройках таких уже и не встретишь. Но чем медь лучше алюминия? Какую проводку лучше использовать для дома: медную или алюминиевую? Рассказываем, почему материал проводов так быстро и безспворотно изменился.

Электропроводность

Медь превосходит алюминий по электропроводности. Удельное электрическое сопротивление меди составляет 0,017 Ом*мм2/м в то время, как у алюминия 0,028 Ом*мм2/м. То есть электропроводность алюминия составляет 65% электропроводности меди, поэтому для одной и той же нагрузки алюминиевый провод придется брать сечением на «ступень» выше меди.

Например, необходимо запитать нагрузку в 5 кВт. Для нее нужно будет взять или медный провод сечением 2,5 мм2, например, NYM 3х2,5, или алюминиевый сечением 4 мм2. Так как алюминиевый провод более объемный, то он будет занимать больше места в кабель-каналах, для него потребуется клеммы для розеточных групп крупнее по размеру, чем для медных. Учитывая это, медь удобнее использовать для проводки в доме.

Окисление

И медь, и алюминий окисляются в процессе эксплуатации под действием воздуха. Однако у меди окисление происходит значительно медленней, и сама по себе пленка (зеленоватый налет) довольно легко разрушается, поэтому неплохо проводит ток (хотя проходимость немного ухудшается).
У алюминия же окисление происходит гораздо быстрее, а сама оксидная пленка очень плотная и плохо проводит ток. Окисленные соединения на скрутках, сжимах или клеммах чаще всего становятся причиной горения контакта. Удалить оксидную пленку можно кварцево-вазелиновой смазкой, но найти ее в магазинах не так-то просто, да и это дополнительные расходы и время на обслуживание.

Механическая прочность

Медный провод более гибкий и прочный, чем алюминиевый. В процессе монтажа жилы приходится изгибать, например, для соединения в распредкоробках и розетках. Медные жилы могут выдержать многоразовое изгибание без повреждения, а вот алюминиевые лишь 5 — 10 изгибаний, а дальше ломаются.

Особые проблемы алюминиевая проводка создает, когда нужно ремонтировать соединения в распредкоробках — старый алюминий уже имеет микротрещины, поэтому при одном неверном движении жила может обломаться и придется снимать часть штукатурки, чтобы вытащить хоть немного провода.

Теплопроводность

Это свойство, показывающее кол-во тепла, проходящего за 1 ед. времени через слой материала. Если теплопроводность высокая, это означает, что такой материал меньше нагревается и эффективней отдает тепло.

Теплопроводность медных жил – 401 Вт/(м*к);
Теплопроводность алюминиевых жил 202 – 236 Вт/(м*к).

Одно из наиболее важных свойств, правильный выбор обеспечит безопасность использования проводки.

Срок использования

Время эксплуатации напрямую зависит от типа проводника, используемой изоляции и внешней среды. Стандарты для медной проводки – до 50 лет службы. Для алюминиевой проводки до 30 лет.

Прочность и удлинение перед разрывом

При выборе кабеля важна стойкость к механическим воздействиям и нагрузке. Чем выше предел прочности, тем более высокая стойкость к разрыву.

Для медного проводника предел прочности от 27 до 44.9 кг/м2;
Для алюминиевого проводника предел прочности от 8 до 25 кг/м2.

Как видно, медные проводники более устойчивы к механическим манипуляциям и более предпочтительны, чем алюминий.

Сравнение проводимости меди и алюминия

Первый вывод можно сделать после изучения табличных данных. Сопротивление алюминия примерно на 80% выше, по сравнению с медью. В такой же пропорции хуже проводимость. Но для корректного анализа необходимо изучить дополнительно следующие факты:

• алюминий легче, но для получения аналогичных электрических параметров понадобится увеличить поперечное сечение (толщину проводника);
• медные изделия (многожильные кабели) не повреждаются неоднократным сгибанием;
• удельное сопротивление алюминия изменяется больше при повышении/ снижении температуры;
• пленка из окислов на его поверхности образуется быстрее, поэтому для надежности (долговечности) современную проводку делают из меди.

Медный и алюминиевый кабель соединяют через стальной переходник, чтобы предотвратить электрохимическую коррозию

Какой материал для электропроводки нужно выбирать для квартиры

В советские времена в жилых помещениях обычным явлением было применение электропроводки из алюминия. Это происходило по тому, что в жилых домах не было высоких нагрузок на электрическую сеть ввиду небольшой мощности и малого количества электрических приборов. С развитием техники и появлением огромного разнообразия мощных электроприборов, которые используются в домашних условиях, существенно повысились требования к качеству и материалам для электрического кабеля. В современных реалиях устройство проводки из алюминиевого материала практически не применяется, так как согласно ПУЭ электрическая проводка в жилых помещениях должна выполняться из меди!

Интересный факт! Не многие знают, но чуть ранее до алюминиевой проводки, в сталинские времена, в квартирах использовалась медная проводка.

Преимущества и недостатки алюминиевой электропроводки

Основными преимуществами электрической проводки из алюминия являются:

1. Небольшая масса: плотность алюминия ниже и соответственно ниже его масса. При прокладке простых сетей с множеством кабелей, но небольшими нагрузками – это будет удобным преимуществом.
2. Небольшая цена: алюминий дешевле меди в несколько раз, поэтому изделия из такого материала также отличаются низкой ценой.
3. Стойкость к окислению: при отсутствии контакта с окружающей средой служит долго и не разрушается от окисления.

К недостаткам данного материала можно отнести:

1. Низкие показатели по электропроводимости — алюминий имеет высокое удельное сопротивление и нагревается при прохождении через него электрического тока. Поэтому ПУЭ запрещает использование такого кабеля в домашних сетях при поперечном сечении проводника менее 16 мм².
2. Плохое соединение — из-за окислительных процессов и циклов нагрев/остывание, места соединения алюминиевого кабеля постепенно разрушаются, что может привести к неисправности электрической проводки или короткому замыканию.
3. Хрупкость проводников — такие кабели легко ломаются при нагреве, что так же очень часто приводит к неисправностям.

Преимущества и недостатки медной электропроводки

Медь разрешена к использованию и широко применяется для устройства электрической проводки в жилых и промышленных зданиях. По электрическим характеристикам она превосходит многие материалы и уступает только серебру.

Преимуществами медных кабелей являются:

1. Высокая электро- и теплопроводность — медь имеет относительно низкое сопротивление и эффективно проводит электрический ток, обладает высоким КПД, а также существенно не нагревается при правильном сечении кабеля.
2. Устойчивость к коррозии — медные проводники могут работать при любых условиях эксплуатации и окружающей среды, служат долго и практически не подвергаются коррозии.
3. Устойчивость к механическим нагрузкам — медная электрическая проводка является прочной, пластичной и гибкой.
4. Гибкость и удобство монтажа — проводники из меди очень гибкие и их удобно монтировать под разными углами и подключать к розеткам и выключателям.

Главным недостатком меди является её высокая стоимость. Но нужно понимать, что при производстве такого ответственного вида работ, как монтаж проводки очень важна безопасность и долговечность. Поэтому, несмотря на свою стоимость, проводка из меди быстро окупается и при правильной эксплуатации служит очень долго без ремонтов и неисправностей.

Стоит ли менять старую алюминиевую проводку?

На этот вопрос можно с уверенностью и однозначно ответить: да, безусловно стоит! Применение старой алюминиевой проводки при нынешних современных нагрузках на электрическую сеть не только неэффективно, но и не безопасно. Более того, согласно ПУЭ алюминиевые провода нельзя применять при монтаже проводки в доме. Поэтому, если есть возможность поменять электропроводку, то её стоит обязательно сменить на медную с правильным расчетом, подбором сечения и количества электрических линий.

Электромонтажные работы – это тот случай, когда нельзя экономить на качестве материалов. От правильного подбора и расчета материалов зависит безопасность людей и правильная работа электрических приборов в доме.

Если же вы все-таки решили оставить старую электропроводку, то вам стоит переделать щиток, ограничить мощность и защитить каждую линию от превышения нагрузки выше 16 А (это позволит вам не беспокоится о том, что в какой-то момент проводка перегреется и загорится).

Пусть медная проводка значительно дороже алюминиевой, но в долгосрочной перспективе она окупается и не приносит проблем пользователю.

Превосходство алюминия над медью для ЛЭП

Но алюминий вовсе не отправлен на пенсию: воздушные линии электропередач по-прежнему выполняют из этого металла. Стало быть, и у него есть преимущества? Конечно!

Вес во многом определяется исходя из плотности металла. Чем выше плотность, тем тяжелее проводник. Плотность меди составляет 8900 кг/м3, а алюминия 2700 кг/м3. То есть при равном объеме медный провод будет весить в 3,3 раза больше алюминиевого. Для домашней проводки это не критично, так как провод лежит в штробах, а для воздушной линии электропередач это важный показатель. Именно поэтому для ВЛЭП используют алюминиевый провод.

Здесь алюминий явный победитель. Все минусы алюминия сказались на относительно невысокой цене, которая примерно в 4 раза ниже цены на медь, поэтому воздушные линии, а также вводы в дом выполняют исключительно алюминиевым проводом.

Как вам статья?

Павел

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы