14.2. Проводниковые материалы

Все проводниковые материалы, применяемые в энергетике и электро­технике, можно подразделить на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К особой группе проводящих мате­риалов относятся сверхпроводники и криопроводники. Краткие сведения о сверхпроводниках приводятся в гл. 16.

Материалы высокой проводимости имеют удельное сопротивление при комнатной температуре не более 0,05 Ом • мм²/м. Они используются для проводов, токопр о водящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, контактов и т.п. В основном — это чистые металлы, хотя в настоящее время существуют синтетические материалы, имеющие электрическую проводимость не хуже, чем у ряда чистых металлов.

Наибольшее применение в энергетике и электротехнике нашли медь и алюминий (табл. 14.3).

Проводниковая медь — очищенный от примесей красновато-оранже­вый металл, получаемый при переработке сульфидных руд. Достоинства меди — малое удельное сопротивление, высокая механическая проч­ность, вполне удовлетворительная стойкость к коррозии, хорошая тех­нологичность, относительная легкость пайки и сварки. В качестве про­водникового материала используется медь разной степени чистоты. Обычно из меди изготавливают проволоку круглого и прямоугольного сечения. При холодной протяжке получают «твердую» медь, которая

имеет высокий предел прочности при растяжении, малое удлинение при разрыве, хорошую твердость и упругость при изгибе. Твердая медь при­меняется для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин.

При отжиге меди получают «мягкую» медь, которая обладает пластич­ностью, большим удлинением при разрыве, имеет меньшую, чем твердая медь, твердость и небольшую прочность, и, что очень важно, более низ­кое удельное сопротивление. Этот тип меди применяется в основном в качестве токопроводящих жил кабелей и проводов.

Алюминий менее дефицитен, более доступен и дешев, чем медь. Он является вторым по значению проводниковым материалом, поскольку обла­дает достаточно большой проводимостью и стойкостью к коррозии. Алю­миний — это серебристо-белый металл, в 3,5 раза легче меди, отличаю­щийся невысокими твердостью и другими механическими свойствами.

Поскольку сопротивление алюминиевого провода в 1,63 раза выше, чем медного таких же сечения и длины, то для получения провода с таким же сопротивлением, как у медного, необходимо в 1,63 раза увеличивать его сечение, а значит в 1,3 раза диаметр.

В настоящее время алюминий активно применяется в воздушных ЛЭП и в производстве кабельных изделий. Из алюминия изготавливают тон­кую фольгу, мягкую, полутвердую и твердую проволоки, а также шины прямоугольного сечения. Алюминиевую фольгу применяют в силовых конденсаторах и вводах для выравнивания электрического поля, а также для различных экранов и замены свинца в защитных оболочках кабелей.

На воздухе алюминий очень быстро окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим сопротивлением. Пленка активно противостоит дальнейшему проникновению кислорода вглубь металла, но она создает большие переходные сопротивления в местах контактов и значительно затрудняет пайку алюминия обычными мето­дами. Поэтому алюминиевые провода и токоведущие детали соединяют горячей или холодной сваркой, а также пайкой с применением специаль­ных припоев и флюсов.

В качестве проводникового материала можно использовать и железо (сталь) (см. табл. 14.3). Это относительно дешевый и доступный мате­риал, хотя и имеет значительно более высокое удельное сопротивление по сравнению с медью и алюминием (для чистого железа р = 0,1 Ом ∙ мм²/м, а для стали еще выше). Для изготовления проводников используют мяг­кую сталь с содержанием углерода 0,10—0,15%. Такие проводники работают на воздушных линиях при передаче небольших мощностей, а также в качестве шин, рельсов электрического транспорта. Применяется также сталеалюминевый провод, представляющий собой сердечник, сви­тый из стальных жил, и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Сердечник определяет в основном механическую прочность, а алюминий — проводимость.

В качестве проводниковых материалов для линии электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин, токоведущих пружин и других контактных деталей используют сплавы на основе меди с оловом, алюминием, бериллием и др. — так называемые бронзы. Усту­пая меди по электропроводности, бронзы превосходят ее по механиче­ской прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.

Ограниченное применение в качестве проводникового материала имеет серебро, которое относится к группе благородных металлов. Оно отлича­ется наивысшей проводимостью, высокой пластичностью и стойкостью к окислению и часто наносится тонким слоем на ответственные контактные поверхности.

Проводниковые материалы высокого сопротивления (табл. 14.4) обладают относительно большим удельным сопротивлением и малым значением тем­пературного коэффициента удельного сопротивления. Эти свойства позво­ляют создавать из них термостабильные резисторы и другие изделия, сопротивление которых не зависит от температуры. Основные представи­тели такой группы материалов — сплавы меди с никелем — манганин и константан, содержащие в своем составе различное количество марганца.

К материалам высокого сопротивления могут быть отнесены и жаро­стойкие проводники, которые представляют собой сплавы на основе никеля, хрома, железа и некоторых других компонентов. Эти сплавы не окисляются при высоких температурах и применяются в нагревательных элементах, резисторах и реостатах.

Жаростойкие сплавы системы Fe — Ni — Сг называются нихромами, а сплавы системы Fe — Сг — AI — фехралями и хромалями. Все жаростой­кие сплавы обладают высоким удельным сопротивлением и малыми зна­чениями температурного коэффициента. Применяют их в виде лент и про­волок. Нихромы более технологичны, имеют высокую рабочую температуру, но являются более дорогими. Фехрали и хромали немного дешевле нихромов, однако менее технологичны, более тверды и хрупки.

Чугуны и стали применяются в энергетике в элементах конструкций, в опорных и кабельных конструкциях, арматуре изоляторов, ограждениях, трубопроводах и др. Поэтому главными показателями их свойств явля­ются механические характеристики, а также характеристики износостой­кости, химической стойкости и т.п.