Материалы высокой проводимости

Материалы этой группы используются для изготовления токоведущих частей всех электроустановок. К наиболее широко применяемым на практике материалам с высокой проводимостью относятся металлы: медь, алюминий и железо. Рассмотрим кратко свойство основных материалов этой группы.

Медь – металл красноватого цвета с высокой температурой плавления (Т_ПЛ=3083⁰С). По электропроводности медь уступает только серебру. У меди , а у серебра . Медь имеет достаточно высокую механическую прочность. Химически она малоактивна и окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем железо. Интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах. Медь хорошо обрабатывается: она прокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005мм), а также протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра и легко паяется.

Содержание меди в земной коре составляет 3·30^-3%. Поэтому медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Один из самых давно известных способов получения меди – это переработка сульфидных руд. После обогащения руды флотационным методом и получения медного концентрата, он плавится, после чего медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс рафинирования, т.е. электролитической очистки. Полученную после электролиза рафинированную медь переплавляют в слитки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки слитки сначала подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6-8 мм. Полученную катанку протравливают слабым раствором серной кислоты, удаляя с ее поверхности окись меди СuО, образовавшуюся при нагреве, после чего протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров – до 0,03 – 0,03 мм.

Алюминий – это серебристо-белый металл, который является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом с высокой электро- и теплопроводностью. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. У алюминия ρ=0,028 мкОм·м. Алюминий дешевле и более доступен, чем медь. Алюминий – самый распространенный в природе металл. Содержание алюминия в земной коре составляет не менее 8%. Среди металлов по распространенности в природе алюминий занимает первое место, а по практическому использованию – второе (после железа). Относительное удлинение перед разрывом составляет 32-34% для твердого неотожженного алюминия и 30-33% для мягкого отожженного.

Алюминий получают путем электролиза глинозема и электролитического рафинирования, с помощью которого можно довести его чистоту до 99,99%. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очистки и тем он дороже. Из слитков алюминия изготовляют алюминиевую проволоку и катанку диаметром от 9 до 23мм. Удельное сопротивление постоянному току алюминиевой катанки не должно превышать 0,02835МкОм∙м.

Алюминий приблизительно в 3,3 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Поэтому, чтобы расплавить алюминий, требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. Для того, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления на единицу длины, что и медный, сечение его должно быть в 3,63 раза большим, т.е. его диаметр должен быть увеличен по сравнению с медным проводом в раза. Однако по весу алюминиевый провод окажется легче медного в два раза.

В настоящее время алюминий не только заменил медь в воздушных линиях электропередачи, но внедряется и в производство изолированных кабельных изделий. Его применяют для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных поводов. Изготовляются и силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой Al₂0₃ с большим электрическим сопротивлением (). Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создаёт большое. переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами.

В местах контакта алюминия и меди возникает гальваническая ЭДС, вызывающая коррозию металла. Если область контакта подвергается действию влаги, например, на открытом воздухе, то гальваническая ЭДС имеет довольно высокое значение. Полярность этой пары такова, что на поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник сильно разрушается коррозией. Поэтому в местах соединения медных проводников с алюминиевыми должны устанавливаться стальные шайбы. Кроме того, места контактов нужно защищать от увлажнения.

Железо Fe (сталь) широко используется в качестве проводникового и конструкционного материала. Чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,3 мкОм·м), значение ρ стали, т.е.сплава железа с примесью углерода и других элементов, еще выше, но зато эти сплавы обладают высокой механической прочностью.

В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,30-0,35%, обладающая пределом прочности при растяжении =700÷750 МПа, относительным удлинением при разрыве Δ l / l = 5 ÷ 8% и удельной проводимостью γ, в 6 - 7 раз меньшей по сравнению с медью.

Такую сталь используют для изготовления проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей, когда при малой силе тока сечение провода определяется не столько электрическим сопротивлением, сколько его механической прочностью.

Биметалл. Чтобы уменьшить расход цветных металлов в проводниковых конструкциях применяют так называемый проводниковый биметалл. Биметаллический провод представляет собой сталь, покрытую снаружи слоем меди или алюминия. Оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Биметаллический контактный провод представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, покрытую снаружи слоем меди или алюминия. При такой конструкции стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение, а наружный слой обеспечивает хорошую электропроводность. Такой провод позволяет повысить натяжение, имеет меньшую массу и допускает достаточно большие токовые нагрузки. Прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, обеспечивает более высокую проводимость всего провода в целом. Кроме того, медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии.