Алюминиевая строительная электропроводка — 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 проводки электросетей , включая воздушные линии электропередачи и местные линии электропередачи , а также для силовой проводки некоторых самолетов . [1] [2] Коммунальные компании использовали алюминиевый провод для передачи электроэнергии в электросетях примерно с конца 1800-х до начала 1900-х годов. Он имеет преимущества по стоимости и весу по сравнению с медными проводами. Алюминий сегодня по-прежнему является предпочтительным материалом для передачи и распределения электроэнергии. [3]
В жилищном строительстве Северной Америки 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. Электрические устройства (розетки, выключатели, освещение, вентиляторы и т. д.) в то время не проектировались с учетом особых свойств используемого алюминиевого провода, и существовали некоторые проблемы, связанные со свойствами самого провода, из-за которых установка с алюминиевой проволокой гораздо больше проблем. Чтобы уменьшить проблемы, были разработаны пересмотренные производственные стандарты как для проволоки, так и для устройств. Существующие дома со старой алюминиевой проводкой, используемой в ответвительных цепях, представляют потенциальную опасность пожара.
В бывшей коммунистической Восточной Германии (ГДР, 1945–1990) для электропроводки приходилось использовать алюминиевый или алюминиевый провод с медным покрытием («AlCu-Kabel»), поскольку импорт меди был дорогим. [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 в электроэнергетических компаниях, связанных с линиями электропередачи, которые использовались вскоре после начала строительства современных систем распределения электроэнергии , начиная с конца 1880-х годов. Алюминиевый провод требует большего сечения, чем медный провод , чтобы проводить тот же ток , но для конкретного применения он все же дешевле, чем медный провод.
Алюминиевые сплавы, используемые для изготовления электрических проводников, имеют проводимость лишь примерно на 61% по сравнению с медью того же поперечного сечения, но плотность алюминия составляет 30,5% от плотности меди. Соответственно, один фунт алюминия имеет такую же токовую нагрузку, как два фунта меди. [3] Поскольку медь стоит примерно в три раза дороже алюминия по весу (примерно 3 доллара США за фунт [5] против 1 доллара США за фунт [6] по состоянию на 2017 год [update]), алюминиевые провода составляют одну шестую стоимости медных проводов та же проводимость. В частности, меньший вес алюминиевых проводов делает эти электрические проводники хорошо подходящими для использования в системах распределения электроэнергии электроэнергетическими предприятиями, поскольку опорные башни или конструкции должны выдерживать только половину веса проводов, чтобы проводить тот же ток.
В начале 1960-х годов, когда в Северной Америке наблюдался бум жилищного строительства и резко возросли цены на медь, алюминиевый строительный провод производился из алюминиевого сплава общего назначения AA-1350, размеры которого были достаточно малы, чтобы его можно было использовать для ответвлений с меньшей нагрузкой в домах. [7] В конце 1960-х годов начали проявляться проблемы и сбои, связанные с соединениями ответвленных цепей строительного провода, изготовленного из сплава алюминия АА-1350, что привело к переоценке использования этого сплава для строительного провода и идентификации о необходимости новых сплавов для производства алюминиевой строительной проволоки. Первый электропроводящий сплав серии 8000, до сих пор широко используемый в некоторых приложениях, был разработан и запатентован в 1972 году американской алюминиевой компанией ( Alcoa ). [8] Этот сплав, наряду со сплавом AA-8030 (запатентованным Olin в 1973 году) и AA-8176 (запатентованным Southwire в 1975 и 1980 годах), по механическим характеристикам аналогичен меди.
В отличие от более старого сплава AA-1350, использовавшегося ранее, эти сплавы серии AA-8000 также сохраняют свою прочность на разрыв после стандартного испытания с циклом тока или испытания на погружение с циклом 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 фунтов на квадратный дюйм или 137 МПа для холоднодеформированной проволоки AA-8076). [ нужна цитата ]
Дом с алюминиевой проводкой, установленной до середины 1970-х годов (поскольку запасы алюминиевой проволоки, выпущенной до 1972 года, было разрешено использовать), вероятно, имеет провод, изготовленный из более старого сплава АА-1350, который был разработан для передачи энергии. Алюминиевый сплав АА-1350 был более подвержен проблемам, связанным с ответвленной проводкой в домах, из-за механических свойств, которые делали его более восприимчивым к отказам, возникающим из-за использовавшихся в то время электрических устройств в сочетании с плохим качеством изготовления.
Пожар в клубе Beverly Hills Supper Club в 1977 году стал примечательным инцидентом, вызванным плохо установленной алюминиевой проводкой.
Алюминиевая строительная электропроводка для современного строительства изготавливается из алюминиевого сплава серии AA-8000 (иногда называемого алюминиевой проводкой «новой технологии») в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как Национальный электротехнический кодекс (NEC). Использование многожильного алюминиевого провода большего сечения (больше, чем № 8 AWG) довольно распространено на большей части территории Северной Америки для современного жилищного строительства. Алюминиевый провод используется в жилых помещениях для подачи низковольтных сетей от сети к зданию . Он устанавливается с использованием материалов и методов, указанных местными электроэнергетическими компаниями. Кроме того, более крупный алюминиевый многожильный провод, изготовленный из алюминиевого сплава серии АА-8000, используется для электрооборудования (например, проводники служебного входа от сетевого подключения к панели сервисного выключателя) и для более крупных ответвлений, таких как подпанели, диапазоны, сушилки для белья и кондиционеры.
В США сплошные алюминиевые провода, изготовленные из алюминиевого сплава серии AA-8000, разрешены для проводов ответвленных цепей на 15 А или 20 А в соответствии с Национальными электротехническими нормами и правилами. [9] Концевые соединения должны быть рассчитаны на работу с алюминиевым проводом, что может быть проблематичным. Это особенно проблема с соединениями проводов, выполненными с помощью накручиваемых разъемов. По состоянию на 2017 год большинство накручиваемых разъемов для типичных проводов ответвлений меньшего размера, даже те, которые предназначены для соединения медных и алюминиевых проводов, не рассчитаны на соединения алюминий-алюминий, за одним исключением являются Marette № 63 или № 65, используемые в Канада, но не одобрен UL для использования в США. Кроме того, размер алюминиевого провода должен быть больше по сравнению с медным проводом, используемым в той же цепи, из-за повышенного сопротивления алюминиевых сплавов. Например, ответвленная цепь на 15 А, питающая стандартные осветительные приборы, может быть установлена либо с медным строительным проводом № 14 AWG, либо с алюминиевым строительным проводом № 12 AWG в соответствии с NEC. Однако меньшая сплошная алюминиевая ответвительная проводка почти никогда не используется в жилищном строительстве в Северной Америке. [3]
Когда в начале 1960-х годов в проводке ответвленных цепей впервые использовался алюминиевый провод из сплава АА-1350 , сплошной алюминиевый провод устанавливался так же, как и медный провод, с теми же электрическими устройствами.
Для небольших ответвлений с одножильными проводами (цепи 15/20 А) типичные подключения электрического провода к электрическому устройству обычно выполняются путем наматывания провода на винт на устройстве, также называемого клеммой, и последующего затягивания винта. . Примерно в то же время использование стальных винтов стало более распространенным, чем латунных, для электрических устройств.
Со временем многие из этих концевых заделок сплошным алюминиевым проводом начали выходить из строя из-за неправильной техники соединения и использования разнородных металлов , имеющих разное сопротивление и существенно разные коэффициенты теплового расширения, а также проблем со свойствами сплошных проводов. Эти сбои в соединении приводили к выделению тепла под электрической нагрузкой и вызывали перегрев соединений.
Многожильные алюминиевые провода большего размера не имеют тех же исторических проблем, что и сплошные алюминиевые провода, а для проводов большего размера обычно используются клеммы двойного номинала, называемые наконечниками. Эти наконечники обычно изготавливаются из алюминиевого сплава с покрытием, в котором можно разместить как алюминиевый, так и медный провод. Многожильная алюминиевая проводка большего размера с правильными заделками обычно считается безопасной, поскольку длительная установка доказала ее надежность.
По данным Комиссии по безопасности потребительских товаров США (CPSC) , использование старой сплошной алюминиевой проводки в жилищном строительстве приводило к сбоям в соединениях электрических устройств, приводило к пожарам в домах, а в некоторых районах домовладельцам может быть сложно получить страховку. для дома со старой алюминиевой проводкой. [10] [11] Существует несколько возможных причин сбоя этих соединений. Двумя основными причинами были неправильный монтаж (плохое качество изготовления) и различия в коэффициенте расширения между алюминиевым проводом, использовавшимся в 1960-х - середине 1970-х годов, и наконечниками, особенно когда наконечником служил стальной винт на электрическом устройстве. [12] [13] Сообщаемые опасности связаны со старой сплошной алюминиевой проводкой ответвленной цепи (меньше 8 AWG ).
Многие правильно установленные наконечники алюминиевых проводов, установленные в 1960-х и 1970-х годах, продолжают работать без проблем. Однако в будущем могут возникнуть проблемы, особенно если соединения изначально не были правильно установлены.
К неправильной установке или некачественному изготовлению относятся: не зачистка проводов, не применение ингибитора коррозии, ненадлежащая намотка проводов на винты клемм, неправильная намотка проводов на винты клемм и недостаточный момент затяжки соединительных винтов. Также могут возникнуть проблемы с соединениями, выполненными с слишком большим усилием затяжки соединительного винта, поскольку это приводит к повреждению провода, особенно с более мягким алюминиевым проводом.
Большинство проблем, связанных с алюминиевой проволокой, обычно связаны со старой (до 1972 года) твердой алюминиевой проволокой из сплава АА-1350, которую иногда называют алюминиевой проводкой «старой технологии», поскольку свойства этой проволоки приводят к значительно большему расширению и сжатию. чем медный провод или современный алюминиевый провод серии AA-8000. Старая цельная алюминиевая проволока также имела некоторые проблемы со свойством, называемым ползучестью , в результате которого проволока со временем постоянно деформируется или расслабляется под нагрузкой.
Алюминиевая проволока, использовавшаяся до середины 1970-х годов, имела несколько более высокую скорость ползучести, но более существенная проблема заключалась в том, что алюминиевая проволока имела коэффициент расширения, который значительно отличался от стальных винтов, обычно используемых в то время вместо латунных винтов для концевых заделок. устройства, такие как розетки и выключатели. Алюминий и сталь расширяются и сжимаются под воздействием тепловой нагрузки с существенно разной скоростью, поэтому соединение может ослабнуть, особенно для старых концевых муфт, первоначально установленных с недостаточным крутящим моментом винтов в сочетании с расползанием алюминия с течением времени. Слабые связи со временем становятся все хуже.
Этот цикл возникает в результате незначительного ослабления соединения с уменьшением площади контакта в соединении, что приводит к перегреву и образованию интерметаллических соединений стали и алюминия между проводником и винтом клеммы. Это привело к более высокому сопротивлению перехода, что привело к дополнительному перегреву. Хотя многие считают, что проблема была в окислении, исследования показали, что в этих случаях окисление не имело существенного значения. [14]
Многие электрические устройства, использовавшиеся в 1960-х годах, имели меньшие по размеру простые стальные клеммные винты, что делало крепление используемых в то время алюминиевых проводов к этим устройствам гораздо более уязвимым для проблем. В конце 1960-х годов была создана спецификация устройства, известная как CU/AL (что означает «медь-алюминий»), которая определяла стандарты для устройств, предназначенных для использования с алюминиевой проволокой. В некоторых из этих устройств использовались винтовые клеммы с большей подрезкой для более надежного удержания провода.
К сожалению, выключатели и розетки CU/AL не смогли достаточно хорошо работать с алюминиевым проводом, и была создана новая спецификация под названием CO/ALR (что означает медно-алюминиевый, пересмотренный). В этих устройствах используются латунные винтовые клеммы, которые действуют как металл, аналогичный алюминию, и расширяются с такой же скоростью, а винты имеют еще более глубокие выточки. Рейтинг CO/ALR доступен только для стандартных выключателей и розеток; CU/AL — стандартная маркировка соединений для автоматических выключателей и более крупного оборудования.
Большинство металлов (за некоторыми исключениями, такими как золото ) свободно окисляются на воздухе. Оксид алюминия не является электрическим проводником , а скорее электрическим изолятором . Следовательно, поток электронов через оксидный слой может быть сильно затруднен. Однако, поскольку толщина оксидного слоя составляет всего несколько нанометров, дополнительное сопротивление в большинстве условий незаметно. Когда алюминиевый провод подключен правильно, механическое соединение разрушает тонкий хрупкий слой оксида, образуя отличное электрическое соединение. Если это соединение не ослаблено, кислород не сможет проникнуть в точку соединения и образовать дополнительный оксид.
Если к соединительному винту электрического устройства приложен недостаточный момент затяжки или если устройства не имеют класса CO/ALR (или, по крайней мере, класса CU/AL для выключателей и более крупного оборудования), это может привести к неправильному соединению алюминиевого провода. Кроме того, из-за значительной разницы в скоростях теплового расширения старых алюминиевых проводов и стальных винтовые соединения могут со временем ослабнуть, что приведет к образованию дополнительного оксида на проводе. Однако было обнаружено, что окисление не является существенным фактором выхода из строя наконечников алюминиевых проводов. [14]
Другая проблема — соединение алюминиевой проволоки с медной проволокой. Помимо окисления, которое происходит на поверхности алюминиевых проводов и может привести к ухудшению соединения, алюминий и медь являются разнородными металлами. В результате в присутствии электролита может возникнуть гальваническая коррозия , в результате чего эти соединения со временем станут нестабильными.
Для домов со старой алюминиевой ответвленной проводкой до 1970-х годов доступно несколько обновлений или ремонтов:
Однако Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) в настоящее время рекомендует только два варианта «постоянного ремонта» с использованием метода «хвоста». В более тщательно проверенном методе используются специальные обжимные разъемы, называемые разъемами COPALUM. По состоянию на апрель 2011 года CPSC также признал миниатюрные разъемы с наконечниками, называемые разъемами AlumiConn. [10] [16] CPSC считает использование косичек с проволочными гайками временным ремонтом , и даже в качестве временного ремонта рекомендует специальные процедуры установки и отмечает, что при попытке ремонта все еще могут возникнуть опасности.
В разъемах COPALUM используется специальная система обжима, которая создает холодную сварку между медным и алюминиевым проводом и считается постоянным ремонтом, не требующим обслуживания. Однако длина проводов в корпусах может оказаться недостаточной для использования специального обжимного инструмента, а полученные соединения иногда оказываются слишком большими для установки в существующие корпуса из-за ограниченного пространства (или «заполнения коробки»). Для увеличения доступного пространства можно установить расширитель корпуса для незавершенных поверхностей, заменить корпус на более крупный или установить дополнительный соседний корпус. Кроме того, установка разъемов COPALUM является дорогостоящей, требует специальных инструментов, которые невозможно просто купить, и электриков, сертифицированных производителем для их использования, и иногда может быть очень трудно найти местных электриков, сертифицированных для установки этих разъемов.
Миниатюрный соединитель AlumiConn также можно использовать для постоянного ремонта. [10] Единственный специальный инструмент, необходимый электрику при их установке, — это специальная динамометрическая отвертка, которая должна быть легко доступна квалифицированным подрядчикам по электротехнике. Правильный момент затяжки установочных винтов разъемов имеет решающее значение для приемлемого ремонта. Однако использование разъемов Aluminonn является относительно новым вариантом ремонта старой алюминиевой проводки по сравнению с другими методами, и использование этих разъемов может вызвать некоторые из тех же или аналогичных проблем с ограниченным пространством корпуса, что и разъемы COPALUM.
Для соединения алюминия с медным проводом выпускаются специальные накручиваемые соединители (или «проволочные гайки» ), которые предварительно заполнены антиоксидантным составом, изготовленным из цинковой пыли на полибутеновой основе [17] с добавлением диоксида кремния для истирания провода. провода. По состоянию на 2014 год в США существовал только один накручиваемый разъем, сертифицированный или внесенный в список UL, для соединения алюминиевых и медных проводов ответвлений, что является идеальным номером. 65 «Соединитель провода Twister Al/Cu». Эти специальные накручиваемые разъемы имеют характерный фиолетовый цвет, с 1995 года внесены в список UL для соединений алюминиевых и медных проводов ответвленной цепи и, согласно текущей литературе производителя, «идеально подходят для присоединения медного проводника к алюминиевой проводке ответвленной цепи в приложения для модернизации». [18] CPSC по-прежнему рассматривает возможность использования накручиваемых соединителей, в том числе Ideal No. 65 «Соединитель провода Twister Al/Cu», подлежит временному ремонту .
По данным CPSC, даже использование (перечисленных) накручиваемых соединителей для крепления медных пигтейлов к старым алюминиевым проводам в качестве временного ремонта требует специальных процедур установки, включая шлифовку и предварительное скручивание проводов. Однако в инструкции производителя к Идеалу нет. 65 Twister [19] рекомендует лишь предварительное скручивание проводов и не утверждает, что это необходимо. Кроме того, в инструкциях не упоминается о физической шлифовке проводов, как рекомендует CPSC, хотя в текущей литературе производителя указано, что предварительно заполненный состав «состав разрезает оксид алюминия». Некоторые исследователи раскритиковали список/тесты UL для этого разъема провода, и сообщалось о проблемах с тестами (без предварительного скручивания) и установкой. [20] Однако неизвестно, были ли зарегистрированные проблемы при установке связаны с неквалифицированным персоналом, пытавшимся выполнить ремонт, или с неиспользованием рекомендованных специальных процедур установки (таких как шлифовка и предварительное скручивание проводов, как рекомендовано CPSC для старых алюминиевых проводов, или хотя бы предварительно скрутив провода так, как рекомендует Идеал для их разъемов).
Использование новых устройств с рейтингом CO/ALR (выключателей и розеток) можно использовать для замены старых устройств, которые не имели надлежащего номинала в домах с алюминиевой ответвленной проводкой, чтобы снизить опасности. [20] Сообщается, что эти устройства протестированы и внесены в список для алюминиевых проводов серий AA-1350 и AA-8000 и являются приемлемыми в соответствии с Национальными электротехническими нормами и правилами. [9] Однако некоторые производители устройств CO/ALR рекомендуют периодически проверять/подтягивать винты клемм на этих устройствах, что может быть опасно для неквалифицированных лиц, и существует критика их использования в качестве постоянного ремонта, как и 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, например, с потолочными вентиляторами, освещением и оборудованием.
Электричество передается от электростанций к индивидуальным счетчикам с использованием почти исключительно алюминиевой проводки. В США коммунальные предприятия используют алюминиевую проволоку уже более 100 лет.