Алюминиевая строительная проводка — это тип электропроводки для жилых зданий или домов , в которой используются алюминиевые электрические проводники . Алюминий обеспечивает лучшее соотношение проводимости к весу, чем медь, и поэтому также используется для электропроводки в электросетях , включая воздушные линии электропередачи и местные линии распределения электроэнергии , а также для электропроводки некоторых самолетов . [1] [2] Коммунальные компании использовали алюминиевую проволоку для передачи электроэнергии в электросетях примерно с конца 1800-х до начала 1900-х годов. Она имеет преимущества по стоимости и весу по сравнению с медными проводами. Алюминий в приложениях по передаче и распределению электроэнергии по-прежнему является предпочтительным материалом для проводов сегодня. [3]
В североамериканском жилищном строительстве алюминиевая проволока использовалась для электропроводки целых домов в течение короткого времени с 1960-х до середины 1970-х годов в период высоких цен на медь. Электроприборы (розетки, выключатели, освещение, вентиляторы и т. д.) в то время не были спроектированы с учетом особых свойств используемой алюминиевой проволоки, и существовали некоторые проблемы, связанные со свойствами самой проволоки, что делало установки с алюминиевой проволокой гораздо более подверженными проблемам. Были разработаны пересмотренные стандарты производства как для проволоки, так и для устройств, чтобы уменьшить проблемы. Существующие дома с этой старой алюминиевой проводкой, используемой в ответвлениях, представляют потенциальную опасность пожара.
В бывшей коммунистической Восточной Германии (ГДР, 1945-1990) для электропроводки приходилось использовать алюминиевые или покрытые медью алюминиевые провода («AlCu-Kabel»), поскольку импортировать медь было дорого. [4] Хотя в то время все устройства были разработаны для алюминия, это закончилось унификацией в 1990 году, когда стало доступно стандартное западноевропейское оборудование, а национальные государственные предприятия ( Volkseigener Betrieb ) прекратили свою деятельность.
Алюминиевая проволока использовалась в качестве электрического проводника в течение значительного периода времени, особенно электросетями, связанными с линиями электропередачи, которые использовались вскоре после начала строительства современных систем распределения электроэнергии, начиная с конца 1880-х годов. Алюминиевая проволока требует большего калибра провода, чем медная проволока, чтобы проводить тот же ток , но она все еще дешевле медной проволоки для определенного применения.
Алюминиевые сплавы, используемые для электрических проводников, имеют проводимость всего лишь около 61% от проводимости меди того же поперечного сечения, но плотность алюминия составляет 30,5% от плотности меди. Соответственно, один фунт алюминия имеет ту же пропускную способность тока, что и два фунта меди. [3] Поскольку медь стоит примерно в четыре раза дороже алюминия по весу (примерно 4 доллара США /фунт [5] против 1 доллара США /фунт [6] по состоянию на 2024 год [обновлять]), алюминиевые провода стоят в восемь раз дешевле медных проводов той же проводимости. Меньший вес алюминиевых проводов, в частности, делает эти электрические проводники хорошо подходящими для использования в системах распределения электроэнергии электростанциями, поскольку опорные башни или конструкции должны поддерживать только половину веса проводов, чтобы переносить тот же ток.
В начале 1960-х годов, когда в Северной Америке был бум жилищного строительства и цены на медь резко возросли, алюминиевая строительная проволока производилась с использованием алюминиевого сплава AA-1350 коммунального класса в размерах, достаточно малых, чтобы ее можно было использовать для ответвлений цепей с низкой нагрузкой в домах. [7] В конце 1960-х годов начали всплывать проблемы и сбои, связанные с соединениями ответвлений цепей для строительной проволоки, изготовленной из алюминиевого сплава AA-1350 коммунального класса, что привело к переоценке использования этого сплава для строительной проволоки и выявлению необходимости в более новых сплавах для производства алюминиевой строительной проволоки. Первый сплав электропроводника серии 8000, до сих пор широко используемый в некоторых приложениях, был разработан и запатентован в 1972 году компанией Aluminum Company of America ( Alcoa ). [8] Этот сплав, наряду с AA-8030 (запатентованным Olin в 1973 году) и AA-8176 (запатентованным Southwire в 1975 и 1980 годах), по механическим свойствам напоминает медь.
В отличие от старого сплава AA-1350, который использовался ранее, эти сплавы серии AA-8000 также сохраняют свою прочность на растяжение после стандартного испытания на цикл тока или испытания на погружение в цикл тока (CCST), как описано в ANSI C119.4:2004. В зависимости от степени отжига, AA-8176 может удлиняться до 30% с меньшим эффектом пружинения и обладает более высоким пределом текучести (19,8 ksi или 137 МПа для холоднодеформированной проволоки AA-8076). [ необходима цитата ]
В доме с алюминиевой проводкой, установленной до середины 1970-х годов (поскольку запас алюминиевой проволоки до 1972 года разрешалось использовать), вероятно, используется провод, изготовленный из старого сплава AA-1350, который был разработан для передачи электроэнергии. Алюминиевый сплав AA-1350 был более подвержен проблемам, связанным с разводкой ответвлений в домах, из-за механических свойств, которые делали его более восприимчивым к отказам, вызванным электрическими устройствами, которые использовались в то время, в сочетании с плохим качеством изготовления.
Пожар в клубе Beverly Hills Supper Club в 1977 году стал заметным инцидентом, причиной которого стала плохо установленная алюминиевая проводка.
Алюминиевая строительная проводка для современного строительства изготавливается из алюминиевого сплава серии AA-8000 (иногда называемого алюминиевой проводкой «новой технологии»), как указано в отраслевых стандартах, таких как Национальный электротехнический кодекс (NEC). Использование многожильного алюминиевого провода большего калибра (больше, чем #8 AWG) довольно распространено в большинстве стран Северной Америки для современного жилого строительства. Алюминиевый провод используется в жилых помещениях для низковольтных фидеров услуг от коммунальной службы до здания . Он устанавливается с использованием материалов и методов, указанных местными электросетевыми компаниями. Кроме того, более крупный многожильный алюминиевый строительный провод, изготовленный из алюминиевого сплава серии AA-8000, используется для электротехнических услуг (например, проводники ввода услуг от подключения к коммунальной службе до панели выключателя обслуживания) и для более крупных ответвлений, таких как для подпанелей, плит, сушилок для одежды и кондиционеров.
В Соединенных Штатах сплошные алюминиевые провода, изготовленные из алюминиевого сплава серии AA-8000, разрешены для 15 А или 20 А ответвлений цепи в соответствии с Национальным электротехническим кодексом. [9] Оконцевания должны быть рассчитаны на алюминиевый провод, что может быть проблематичным. Это особенно проблематично для соединений проводов, выполненных с помощью накручивающихся соединителей. По состоянию на 2017 год большинство накручивающихся соединителей для типичных меньших размеров проводов ответвлений цепи, даже те, которые предназначены для соединения медной и алюминиевой проводки, не рассчитаны на соединения алюминия с алюминием, за исключением Marette #63 или #65, используемых в Канаде, но не одобренных UL для использования в Соединенных Штатах. Кроме того, размер алюминиевого провода должен быть больше по сравнению с медным проводом, используемым для той же цепи, из-за повышенного сопротивления алюминиевых сплавов. Например, ответвление цепи 15 А, питающее стандартные осветительные приборы, может быть установлено либо с медным строительным проводом #14 AWG, либо с алюминиевым строительным проводом #12 AWG в соответствии с NEC. Однако в Северной Америке в жилищном строительстве почти никогда не используется более мелкая сплошная алюминиевая проводка. [3]
Когда в начале 1960-х годов в распределительных цепях впервые стали использовать алюминиевый провод из сплава АА-1350 , сплошной алюминиевый провод устанавливался так же, как и медный провод, с использованием тех же электрических устройств.
Для небольших ответвлений цепей с сплошными проводами (цепи 15 или 20 А) типичные соединения электрического провода с электрическим устройством обычно выполняются путем обмотки провода вокруг винта на устройстве, также называемого клеммой , и последующего затягивания винта. Примерно в то же время использование стальных винтов стало более распространенным, чем латунных винтов для электрических устройств.
Со временем многие из этих концевых соединений с сплошным алюминиевым проводом начали выходить из строя из-за неправильной техники соединения и разнородных металлов, имеющих разное сопротивление и существенно отличающиеся коэффициенты теплового расширения, а также проблем со свойствами сплошных проводов. Эти сбои в соединении генерировали тепло под электрической нагрузкой и вызывали перегрев соединений.
Многожильные алюминиевые провода большего размера не имеют тех же исторических проблем, что и сплошные алюминиевые провода, и обычные концевые заделки для проводов большего размера — это двухуровневые концевые заделки, называемые наконечниками. Эти наконечники обычно изготавливаются из покрытого алюминиевого сплава, который может вмещать как алюминиевый провод, так и медный провод. Многожильные алюминиевые провода большего размера с надлежащими концевыми заделками обычно считаются безопасными, поскольку долгосрочные установки доказали их надежность.
Использование старой цельной алюминиевой проводки в жилищном строительстве привело к сбоям в соединениях электроприборов, было связано с пожарами в домах, согласно Комиссии по безопасности потребительских товаров США (CPSC), и в некоторых районах может быть сложно получить страховку домовладельцев для дома со старой алюминиевой проводкой. [10] [11] Существует несколько возможных причин, по которым эти соединения вышли из строя. Двумя основными причинами были неправильная установка (плохое качество изготовления) и разница в коэффициенте расширения между алюминиевой проволокой, используемой в 1960-х - середине 1970-х годов, и концевыми соединениями, особенно когда концевое соединение представляло собой стальной винт на электрическом устройстве. [12] [13] Сообщаемые опасности связаны со старой цельной алюминиевой проводкой ответвлений цепи (меньше, чем № 8 AWG ).
Многие правильно установленные концевые муфты алюминиевого провода, установленные в 1960-х и 1970-х годах, продолжают работать без проблем. Однако проблемы могут возникнуть в будущем, особенно если изначально соединения не были установлены должным образом.
Неправильная установка или плохое качество работы включают: отсутствие шлифовки проводов, отсутствие нанесения ингибитора коррозии, отсутствие обмотки проводов вокруг клеммных винтов, неправильная обмотка проводов вокруг клеммных винтов и недостаточный крутящий момент на соединительных винтах. Также могут возникнуть проблемы с соединениями, выполненными со слишком большим крутящим моментом на соединительном винте, поскольку это приводит к повреждению провода, особенно более мягкого алюминиевого провода.
Большинство проблем, связанных с алюминиевой проволокой, обычно связаны со старым (до 1972 года) сплошным алюминиевым проводом из сплава AA-1350, иногда называемым алюминиевой проводкой «старой технологии», поскольку свойства этого провода приводят к значительно большему расширению и сжатию, чем медный провод или современный алюминиевый провод серии AA-8000. Старые сплошные алюминиевые провода также имели некоторые проблемы со свойством, называемым ползучестью , которое приводит к постоянной деформации или ослаблению провода с течением времени под нагрузкой.
Алюминиевая проволока, использовавшаяся до середины 1970-х годов, имела несколько более высокую скорость ползучести, но более существенной проблемой было то, что та же высокая цена меди, обусловливающая использование алюминиевой проволоки, привела к использованию стали с латунным покрытием вместо цельных латунных винтов для клемм на таких устройствах, как розетки и выключатели. Алюминий и сталь расширяются и сжимаются с существенно разной скоростью под действием тепловой нагрузки, поэтому соединение может ослабнуть, особенно в старых клеммах, изначально установленных с недостаточным крутящим моментом винтов в сочетании с ползучестью алюминия с течением времени. Слабые соединения со временем становятся все хуже.
Этот цикл возникает из-за небольшого ослабления соединения, что приводит к уменьшению площади контакта в соединении, что приводит к перегреву и позволяет образовываться интерметаллическим соединениям алюминия-железа и алюминия-меди между проводом, винтом и проводниками устройства под проводом. Это приводит к более высокому сопротивлению соединения, что приводит к дополнительному перегреву. Хотя многие считают, что проблема была в окислении, исследования показали, что окисление не было значительным в этих случаях. [14]
Многие электрические устройства, использовавшиеся в 1960-х годах, имели меньшие простые стальные клеммные винты, что делало крепление алюминиевых проводов, использовавшихся в то время, к этим устройствам гораздо более уязвимым для проблем. В конце 1960-х годов была создана спецификация устройств, известная как CU/AL (что означает медь-алюминий), которая определяла стандарты для устройств, предназначенных для использования с алюминиевым проводом. Некоторые из этих устройств использовали более крупные подрезанные винтовые клеммы для более надежного удержания провода.
К сожалению, выключатели и розетки CU/AL не смогли достаточно хорошо работать с алюминиевой проводкой, и была создана новая спецификация под названием CO/ALR (что означает медь-алюминий, пересмотренная). Эти устройства используют латунные винтовые клеммы, которые разработаны так, чтобы действовать как металл, аналогичный алюминию, и расширяться с аналогичной скоростью, а винты имеют еще более глубокие поднутрения. Рейтинг CO/ALR доступен только для стандартных выключателей и розеток; CU/AL — это стандартная маркировка соединения для автоматических выключателей и более крупного оборудования.
Большинство металлов (за несколькими исключениями, такими как золото ) свободно окисляются при контакте с воздухом. Оксид алюминия не является электрическим проводником , а скорее электрическим изолятором . Следовательно, поток электронов через оксидный слой может быть значительно затруднен. Однако, поскольку толщина оксидного слоя составляет всего несколько нанометров, дополнительное сопротивление не заметно в большинстве условий. Когда алюминиевый провод правильно заделан, механическое соединение разрывает тонкий, хрупкий слой оксида, образуя превосходное электрическое соединение. Если это соединение не ослаблено, кислород не сможет проникнуть в точку соединения и образовать еще один оксид.
Если к винту заделки электрического устройства приложен недостаточный крутящий момент или если устройства не имеют рейтинга CO/ALR (или, по крайней мере, рейтинга CU/AL для выключателей и более крупного оборудования), это может привести к ненадлежащему соединению алюминиевого провода. Кроме того, из-за значительной разницы в скоростях теплового расширения старого алюминиевого провода и стальных винтов заделки соединения могут со временем ослабнуть, что приведет к образованию некоторого дополнительного оксида на проводе. Однако было обнаружено, что окисление не является существенным фактором отказов алюминиевых заделок проводов. [14]
Еще одна проблема — соединение алюминиевого провода с медным проводом. Помимо окисления, которое происходит на поверхности алюминиевых проводов и может привести к плохому соединению, алюминий и медь — разнородные металлы. В результате в присутствии электролита может возникнуть гальваническая коррозия , из-за чего эти соединения со временем станут нестабильными.
Для домов со старой алюминиевой проводкой, установленной до 1970-х годов, доступны несколько вариантов модернизации или ремонта:
Однако Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) в настоящее время рекомендует только две альтернативы для «постоянного ремонта» с использованием метода свиного хвоста. Более тщательно протестированный метод использует специальные обжимные соединители, называемые соединителями COPALUM. По состоянию на апрель 2011 года CPSC также признала миниатюрные соединители типа наконечников, называемые соединителями AlumiConn. [10] [16] CPSC считает использование свиных хвостов с проволочными гайками временным ремонтом , и даже в качестве временного ремонта рекомендует специальные процедуры установки и отмечает, что все еще могут быть опасности при попытке ремонта.
Соединители COPALUM используют специальную систему обжима, которая создает холодную сварку между медным и алюминиевым проводом и считается постоянным, не требующим обслуживания ремонтом. Однако в корпусах может быть недостаточно длины проводов, чтобы использовать специальный обжимной инструмент, и полученные соединения иногда слишком велики для установки в существующих корпусах из-за ограниченного пространства (или «заполнения коробки»). Установка удлинителя корпуса для необработанных поверхностей, замена корпуса на более крупный или установка дополнительного смежного корпуса могут быть выполнены для увеличения доступного пространства. Кроме того, соединители COPALUM дороги в установке, требуют специальных инструментов, которые нельзя просто купить, и электриков, сертифицированных для их использования производителем, и иногда может быть очень сложно найти местных электриков, сертифицированных для установки этих разъемов.
Миниатюрный наконечник-соединитель AlumiConn также может использоваться для постоянного ремонта. [10] Единственный специальный инструмент, необходимый для электрика, устанавливающего их, — это специальная динамометрическая отвертка, которая должна быть легко доступна квалифицированным электрикам. Правильный крутящий момент на установочных винтах соединителей имеет решающее значение для приемлемого ремонта. Однако использование соединителей Alumiconn является относительно новым вариантом ремонта для старой алюминиевой проводки по сравнению с другими методами, и использование этих соединителей может иметь некоторые из тех же или похожих проблем с ограниченным пространством корпуса, что и соединители COPALUM.
Специальные накручивающиеся соединители (или «гайки для проводов» ) доступны для соединения алюминиевых и медных проводов, которые предварительно заполнены антиоксидантным составом из цинковой пыли на основе полибутена [17] с добавлением диоксида кремния в состав для абразивной обработки проводов. По состоянию на 2014 год в США был только один накручивающийся соединитель, сертифицированный или «включенный в список UL» для соединения алюминиевых и медных проводов ответвлений цепи, это Ideal no. 65 «Twister Al/Cu wire connector». Эти специальные накручивающиеся соединители имеют характерный фиолетовый цвет, были включены в список UL для соединений алюминиевых и медных проводов ответвлений цепи с 1995 года и, согласно текущей литературе производителя, «идеально подходят для соединения медного проводника с алюминиевой проводкой ответвлений цепи при модернизации». [18] CPSC по-прежнему считает использование накручивающихся соединителей, включая Ideal no. 65 «Twister Al/Cu wire connector», временным ремонтом .
Согласно CPSC, даже использование (перечисленных) скручивающихся соединителей для присоединения медных пигтейлов к старым алюминиевым проводам в качестве временного ремонта требует специальных процедур установки, включая шлифовку и предварительное скручивание проводов. Однако инструкции производителя для Ideal no. 65 Twister [19] рекомендуют только предварительное скручивание проводов и не утверждают, что это обязательно. Кроме того, в инструкциях не упоминается физическая шлифовка проводов, как рекомендовано CPSC, хотя в текущей литературе производителя указано, что предварительно заполненный «компаунд режет оксид алюминия». Некоторые исследователи критиковали листинг/тесты UL для этого соединителя проводов, и сообщалось о проблемах с тестами (без предварительного скручивания) и установкой. [20] Однако неизвестно, были ли проблемы с установкой связаны с неквалифицированными лицами, пытавшимися выполнить ремонт, или с неиспользованием рекомендуемых специальных процедур установки (таких как зачистка и предварительное скручивание проводов, как рекомендует CPSC для старых алюминиевых проводов, или, по крайней мере, предварительное скручивание проводов, как рекомендует Ideal для своих разъемов).
Использование более новых устройств с рейтингом CO/ALR (выключателей и розеток) может использоваться для замены старых устройств, которые не имели надлежащего рейтинга в домах с алюминиевой разводкой цепи, чтобы снизить опасность. [20] Сообщается, что эти устройства протестированы и перечислены для алюминиевых проводов серий AA-1350 и AA-8000 и приемлемы в соответствии с Национальным электротехническим кодексом. [9] Однако некоторые производители устройств CO/ALR рекомендуют периодически проверять/затягивать клеммные винты на этих устройствах, что может быть опасно для неквалифицированных лиц, и существует критика их использования в качестве постоянного ремонта, поскольку некоторые устройства CO/ALR не прошли испытания при подключении к алюминиевому проводу «старой технологии». [10] Более того, простая установка устройств CO/ALR (выключателей и розеток) не устраняет потенциальные опасности, связанные с другими соединениями, такими как соединения на потолочных вентиляторах, светильниках и оборудовании.
Электричество передается от электростанций коммунальной электростанции к индивидуальным счетчикам с использованием почти исключительно алюминиевой проводки. В США коммунальные службы используют алюминиевую проводку уже более 100 лет.
Образование интерметаллических соединений как механизм для высокоомных соединений более разумно, чем постулирование того, что оксид алюминия является главным фактором. Хотя есть некоторые доказательства наличия оксида алюминия на поверхности кратеров дугового повреждения, удельное сопротивление оксида алюминия настолько велико, что обширное образование оксида алюминия на токопроводящем интерфейсе снизило бы ток до пренебрежимо малого уровня. С другой стороны, интерметаллические соединения обладают достаточной проводимостью, чтобы ток мог продолжать течь, обеспечивая при этом значительное увеличение сопротивления, так что потери на нагрев
I
2
R
могут стать большими.