Одним из наиболее часто обсуждаемых сейчас в профессиональном сообществе специалистов по электротехнике вопросов является возвращение в наши дома алюминиевой проводки. Когда-то от нее отказались, но развитие технологий позволило создать алюминиевые сплавы, способные стать практически полноценной заменой меди. О том, почему в свое время отказались от алюминия, чем хороши новые сплавы и какие потенциальные проблемы несет за собой внедрение инновационной проводки, мы попробуем разобраться в данной статье.
Развитие электроэнергетики уже в ближайшем будущем может привести к серьезному дефициту меди. В то же время алюминий является самым распространенным металлом в природе. Например, он содержится в глине, которую можно встретить повсюду. Алюминий значительно дешевле меди. По данным на начало февраля 2024 г. цена меди на глобальных рынках составляла около 8300 долл. за тонну, алюминия — 2200 долл. за тонну. При этом электропроводность алюминия составляет 65% от электропроводности меди, что является хорошим показателем. Вот почему алюминиевые провода широко используются в электроэнергетике наряду с медными.
Плотность меди составляет 8960 кг/куб. м, алюминия — 2712 кг/куб. м. Из-за меньшей электропроводности алюминия провода из него делают толще, чем из меди для достижения заданного значения максимального длительного тока.
Но это с лихвой компенсируется значительно меньшей плотностью алюминия. В итоге при одинаковом значении максимального длительного тока погонный метр алюминиевой жилы весит приблизительно в 2 раза меньше, чем отрезок медной жилы той же длины. Исходя из нынешней стоимости металлов, при одинаковых длине и пропускной способности алюминиевая жила стоит в 7,5 раз дешевле медной.
Дешевле не только сами алюминиевые жилы, но и изоляция для них. При использовании меди наблюдается эффект диффузии ее ионов в ПВХ-изоляцию, в результате чего изоляция разрушается. Для предотвращения этого эффекта в изоляцию добавляют специальные присадки. Для алюминиевых жил введение таких присадок в изоляцию не требуется.
Выгода от применения алюминиевых проводов заключается не только в их меньшей стоимости. Меньше масса проводов — меньше затраты топлива на их перевозку. Меньше нужно персонала на погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку проводов на объекте. Ревнители экологии тоже должны радоваться — производство алюминия, как правило, наносит значительно меньший урон окружающей среде, чем выплавка меди.
Поэтому алюминиевые провода широко применяются по всему миру в магистральных линиях, распределительных сетях, в кабелях, подводящих электричество к домам. Но при внедрении алюминия в домашнюю проводку возникли некоторые проблемы.
История вопроса
Еще в XIX веке алюминий стоил на уровне золота. По-настоящему массовое производство этого металла было освоено только в годы Второй мировой войны для нужд военной авиации. Уже в 50-е годы XX века алюминий стал настолько дешев, что его стали массово использовать для отделки фасадов зданий и производства предметов быта. Тогда же начинается и его массовое применение в электроэнергетике.
Начиная с 60-х годов в США, Канаде и СССР начала использоваться алюминиевая проводка. Она могла иметь жилы из алюминия либо из алюминия с покрытием из меди, нанесенным термомеханическим способом (плакированием). За пределами СССР на европейском континенте алюминиевая проводка в домах применялась в ГДР (50–80-е годы, алюминий, покрытый медью), Чехословакии (60–80-е годы, обычный алюминий) и Великобритании (60–70-е годы, обычный алюминий, а также алюминий, покрытый медью). На азиатском континенте алюминиевая проводка широко распространена в Индии.
При эксплуатации проводки из обычного алюминия выявились недостатки, связанные с текучестью металла. Затяжка винтовых клемм ослабевала уже после полугода эксплуатации. В результате возрастало сопротивление контакта, происходил сильный нагрев и даже возникало искрение. Чтобы снизить текучесть алюминия, жилы подвергали нагартовке, которая делала их более хрупкими. Проблему могли бы решить пружинные клеммы, но использование таких клемм совместно с алюминиевыми проводами требует применения специальной пасты, подверженной постепенному высыханию. Так что соединение все равно требует периодического обслуживания.
Особенности алюминия не являются проблемой для тех линий электропередачи, которые должны периодически обслуживаться профессиональными электриками по заданному регламенту. Но организовать регулярное обслуживание домашней проводки квалифицированными специалистами затруднительно.
Покрытие алюминия слоем меди решает многие проблемы, но в СССР производство таких проводов освоили только в 80-е годы. Дальнейшие работы в этом направлении после распада СССР были свернуты из-за отсутствия финансирования. В настоящее время покрытие медью алюминиевых проводов применительно к электроэнергетике считается устаревшим технологическим решением.
Начиная с 90-х годов в нашу страну хлынул поток зарубежной бытовой техники, некоторые образцы которой имели потребляемый ток, превышающий максимально допустимый для советской алюминиевой проводки. В результате возникали перегрузки, которые нередко приводили к пожарам. Положение усугублялось тем, что отдельные жильцы самовольно повышали номиналы защитных автоматов, против установленных проектом здания. В итоге доверие к алюминиевой проводке было окончательно подорвано.
В 2003 г. в России были введены нормы ПУЭ-7, согласно которым допускалось использование алюминиевых жил с сечением не менее 16 кв. мм. В результате прокладка новой алюминиевой проводки в квартирах, имеющей заведомо меньшее сечение, была запрещена. На тот момент мировые цены на медь составляли около 1600 долл. за тонну (алюминий в те годы стоил порядка 1300 долл. за тонну).
Новые типы сплавов
Алюминий в чистом виде стоит дорого, поэтому для изготовления жил проводов всегда использовались сплавы. Различают основу сплава, основные компоненты (химические элементы, от которых зависят свойства сплава, содержание которых точно дозируется в заданных пределах) и примеси, количество которых не должно превышать определенной доли. Наличие примесей обусловлено необходимостью обеспечить приемлемую себестоимость материала.
Для проводки ранее использовался в основном алюминий марки A5E. Это сплав, основой которого является алюминий. Содержание алюминия в нем должно быть не менее 99,5%, остальное — разного рода примеси.
Снизить текучесть алюминия можно посредством легирования его железом. Задача растворения железа в алюминии была нетривиальной, поскольку железо так и норовило образовывать кристаллы, не встраиваясь в общую структуру. Решить проблему удалось в середине 70-х годов XX века в США. Тогда появились сплавы 8176 и 8030, которые теперь применяются в проводке. Основой для сплава 8176 являются алюминий и железо, сплава 8030 — алюминий, железо и медь [Л]. Данные по различным материалам для проводки приведены в Таблице.
ТАБЛИЦА. Материалы, используемые в проводке (без отжига)*
*Для сплавов 8176 и 8030 данные приводятся согласно ГОСТ Р 58019-2017
Прочность металлов характеризуется несколькими показателями. Поскольку для сплавов 8176 и 8030 отечественный ГОСТ нормирует временное сопротивление на разрыв, для других материалов приведен тот же параметр. Временное сопротивление на разрыв — это давление при растяжении катанки, после превышения которого происходит разрыв проволоки. Как мы видим, сплавы 8176 и 8030 по прочности значительно превосходят A5E и вполне сопоставимы с медью. Низкая текучесть этих сплавов позволяет обходиться без нагартовки, поэтому для них нет проблемы хрупкости, свойственной жилам из A5E.
Временное сопротивление на разрыв и удельное сопротивление у сплавов 8176 и 8030 одинаковы. За рубежом они часто продвигаются как один продукт под названием 8000 Series Alloy. По утверждению производителей, легирование медью позволило повысить устойчивость более дорогого сплава 8030 к высоким температурам. Можно предположить, что сплав 8176 оптимален для городских квартир, а 8030 — для загородных домов, где используются более мощные электроприборы.
Снова разрешено
В 2011 году мировые цены на медь достигли исторического максимума, превысив 9000 долл. за тонну. Одновременно в России начался строительный бум. Указанные факторы стали основными причинами, почему с 2012 года в нашей стране стали вестись работы по освоению промышленного производства сплавов 8176 и 8030, а также проводов на их основе.
Правовым основанием для использования инновационных алюминиевых сплавов в проводке стал Приказ Министерства энергетики РФ от 16.10.2017 № 968, которым был утвержден документ «Правила безопасности энергопринимающих установок. Особенности выполнения электропроводки в зданиях с токопроводящими медными жилами или жилами из алюминиевых сплавов». Согласно данным Правилам, для линий групповых сетей толщина жилы из алюминиевого сплава должна быть не менее 2,5 кв. мм, для линий от этажных до квартирных щитов и к расчетному счетчику — не менее 4 кв. мм, для стояков, от которых питаются квартиры, — не менее 6 кв. мм. ПУЭ переписывать не пришлось, потому что эти правила к тому моменту носили уже только рекомендательный характер.
В 2018 году был введен в действие ГОСТ Р 580192017 «Катанка из алюминиевых сплавов 8176 и 8030. Технические условия». Он установил требования к химическому составу, механическим и электрическим свойствам катанки. Через два года был введен ГОСТ 20967-2019 «Катанка из алюминиевых сплавов. Технические условия», который несколько изменил пределы долей компонентов в сплавах. На начало 2024 года действуют оба ГОСТ. По мнению автора статьи, ориентироваться надо на приказ Минэнерго № 968 как на единственный нормативный акт, напрямую разрешающий использовать алюминиевую проводку в жилых домах. А там состав допускаемых алюминиевых сплавов в точности соответствует ГОСТ Р 58019-2017.
Зарубежные реалии
В США и Канаде проводка на основе сплавов 8176 и 8030 массово применяется начиная с конца 80-х годов. В Китае такую проводку разрешили использовать начиная с 2015 года, хотя ранее в этой стране проводка из обычного алюминия в домах не использовалась. В Индии на смену обычному алюминию в домашней проводке приходят инновационные алюминиевые сплавы.
Найти какие-либо данные о внедрении такой проводки в странах Евросоюза автору статьи не удалось. На сайте Европейской алюминиевой ассоциации указано только использование алюминия для внутренней проводки солнечных и ветряных электростанций, а также для высоковольтных линий (в том числе и кабельных). Это не означает, что сплавы 8176 и 8030 оказались недостаточно хороши для европейцев. Вероятно, в дело вмешалась большая политика. Евросоюз на протяжении многих лет проводит политику ограничения доступа на свой рынок российских производителей алюминия, причем явно в ущерб собственной экономике. В итоге сейчас Европа стоит перед угрозой дефицита алюминия. Здесь уже не до алюминиевой проводки, металл надо экономить. «Зеленые», в сложившихся условиях, предпочитают помалкивать об углеродной нейтральности производства алюминия.
Защита от контрафакта
Пока единственным производителем сплавов 8176 и 8030 в России является РУСАЛ, он поставляет катанку ограниченному кругу кабельных заводов. Основной гарантией является сложившаяся репутация РУСАЛа как производителя качественной продукции. Но по мере расширения применения инновационных алюминиевых сплавов в полный рост встанет проблема контрафакта.
Применительно к меди обнаружение контрафактных жил осуществляется очень просто. Если удельное сопротивление не превышает заданного значения, значит, использовалась специальная электротехническая медь. Если же оно больше нормы, то применен продукт вторичной переработки медного лома, что для силовых проводов запрещено.
Для того, чтобы убедиться, что перед нами сплав 8176 или 8030, а не что-то иное, только химического анализа будет недостаточно. Железо должно быть не только в заданной пропорции, оно еще и должно быть полностью растворено в алюминии при производстве. Если растворилось не полностью — полученный материал по своим свойствам будет уступать даже сплаву A5E. В России пока не существует независимых лабораторий, способных провести такую проверку. Да и самой методики, пригодной для массового применения за пределами заводских стен, тоже пока нет. В то же время, если проводка выполнена на основе алюминиевого сплава сомнительного качества, а нагрузка на нее дается, будто она из сплава 8176 или 8030, возможно возникновение различных чрезвычайных ситуаций, вплоть до пожара.
Проблему возможного контрафакта необходимо решить в упреждающем порядке, посредством разработки и официального утверждения методики контроля качества проводки нового типа, а также развертывания независимых лабораторий. Тогда проводка из инновационных алюминиевых сплавов, объективно имеющая свои преимущества, будет реально вызывать доверие у практикующих электриков.
ЛИТЕРАТУРА:
Лопарев В. В. «Алюминий и его сплавы для отечественной кабельной промышленности» // Кабели и провода – 2022, № 6 (398) — с. 12–25