Materiale de mare conductivitate

MATERIALE DE MARE CONDUCTIVITATE

Dupa valoarea conductivitatii electrice, materialele conductoare de ordinul I se impart in doua grupe: 1. conductoare, de mare conductivitate si 2. conductoare de mare rezistivitate.

Conductoarele de mare conductivitate, cum este cuprul si aluminiul, se utiliz­ea­za pentru bobinele masinilor, transformatoarelor si aparatelor electrice. In alte situatii se utilizeaza materialele de mare conductivitate cu destinatie conditionata, cum sunt: argintul, fierul, zincul, staniul, volframul, molibdenul, platina, aurul, niche­lul, cromul, etc.

1. CURPUL.

Cel mai utilizat dintre metalele de mare conductivitate este cuprul, datorita atat proprietatilor electrice cat si mecanice, foarte potrivite pentru scopurile urmarite in electrotehnica. Astfel se remarca rezistivitatea mica, rezistenta mecanica corespunza­toare, rezistenta la coroziune si oxidare buna, maleabilitatea si ductibilitatea foarte buna etc.

Extragerea cuprului se face din minereuri sulfuroase cum sunt - calcopirita, - calcomina; - bornita si - tetraedrita, sau din minereuri oxidice, cum sunt: - cuprita; - malachita si - azurita.

Pe o adancime de 3 [km] din scoarta terestra, s‑a determinat ca nu exista mai mult de 0,01% Cu, ceea ce il face atat de deficitar.

Tabelul 3.4. Caracteristicile cuprului

Extragerea cuprului se face prin rafinari repetate, in atmosfere reductoare, pen­tru a se elimina impuritatile, mai ales O, Bi, Pb, P, Sb si As, care au repercursiuni foarte nefavorabile asupra proprietatilor cuprului. In electrotehnica se utilizeaza cu­prul obtinut pe cale electrolitica a carui puritate poate ajunge, in faza industriala, pana la 99,993% Cu (STAS 270-62), ceea ce corespunde scopurilor practice.

Se constata ca pentru cuprul tras la rece, proprietatile mecanice sunt substantial imbunatatite. Totusi pentru unele utilizari in electrotehnica proprietatile mecanice ale cuprului nu sunt corespunzatoare, cum ar fi de exemplu liniile de transport de energie electrica, liniile de contact in tractiunea electrica, contactele de rupere de mare putere, colectoarele masinilor electrice etc. Pentru asemenea scopuri se realizeaza aliaje ale cuprului urmarindu‑se imbunatatirea proprietatilor mecanice fara a se afecta necores­punzator cele electrice.

Pentru cateva sorturi de cupru, in raport cu cel electrolitic se prezinta in tabelul 3.5. principalele proprietati electrice.

Tabelul 3.5. Proprietatile electrice ale principalelor sorturi de cupru.

Principalele aliaje ale cuprului, numite si bronzuri, care se utilizeaza in elec­trotehnica sunt realizate cu Cr, Sn, Cd, Be, sau alamele cu Zn. Bronzul de Cd are ma­re rezistenta mecanica mult mai mare decat Cu, iar bronzul de Be mult mai mare. Re­zis­tivitatea bronzului de Cd nu depaseste cu mult pe cea a cuprului si de aceea este preferat fata de cel de Be.

In tabelul 3.6. sunt prezentate proprietatile principale ale catorva bronzuri mai frecvente utilizate in practica.

Datorita costului ridicat, dar mai ales raspandirii sale deficitare, s‑a trecut la inlocuirea cuprului cu aluminiu pe scara tot mai larga, in ultimile trei decenii. In prac­tica este uneori dificila utilizarea cuprului mai ales in prezenta elementelor care il ataca (sulful, azotul, acidul azotic si sulfuric, clorul si sarurile de clor). Din cauza sul­fului din cauciucul vulcanizat, de exemplu, conductoarele de cupru se portejeaza prin cositorire sau cu impletitura de bumbac de a fi cauciucate.

La punerea in contact cu alte metale, dat fiind ca potentialul cuprului devine pozitiv el este protejat de majoritatea metalelor. In schimb aluminiul, in contact cu cuprul, obtinand potential negativ este distrus prin coroziunea electrochimica. Pro­tec­tia cuprului impotriva coroziunii se realizeaza cu lacuri, mase plastice, acoperirii me­talice sau vopsele pe baza de ulei. Agentul coroziv care distruge in cel mai scurt timp cuprul este clorul, deoarece produsul coroziunii este volatil si metalul ramane descoperit.

Tabelul 3.6. Caracteristicile principalelor sorturi de bronz.

2. ALUMINIUL.

Al doilea metal dupa cupru, ca raspandire si utilizare in electrotehnica, este aluminiul. Desi din unele puncte de vedere este cu mult inferior cuprului, aluminiul prezinta avantajul economic net, ca se afla in scoarta terestra in proportie de peste 7,5%. Aria sa de utilizare este mai restransa ca element conductor, insa in general in industrie ocupa un loc prioritar. Se utilizeaza in electrotehnica pentru infasurari in transformatoare, masini de inductie, linii de transport si distributie a energiei electri­ce, pentru turnarea coliviei rotorice la masinile de inductie, iar in ultimii ani chiar si pentru bobinarea generatoarelor sincrone.

Extragerea aluminiului se face prin rafinari in atmosfere reductoare, din doua feluri de minereuri: 1. bauxita (trioxidul de Al) si 2. Criolita (dubla fluorura de Al si Na). In tara noastra se prepara alumina (Al₂O₃) la Oradea, din minereurile extrase din zona Bihorului si se prelucreaza in combinatul de la Slatina, ca aluminu pentru elec­trotehnica si industrie. Impuritatile care dauneaza aluminiului, sunt cele mentionate pentru cupru, dar in general rafinarea sa electrolitica este mai pretentioasa.

Princi­palele proprietati ale aluminiului sunt cuprinse in tabelul 3.7., de unde se poate observa ca spre deosebire de cupru caracteristicile mecanice sunt mult inferioa­re iar conductivitatea electrica este redusa pana la 62% din cea a cuprului electrolitic standard. Rezistivitatea aluminiului este foarte intens influentata de unele elemente de aliere cum sunt: Va, Mg, Si, Mn, Fe, Ti, Ag etc. Din aceasta cauza la turnarea colivii­lor rotorice pentru masini electrice de inductie trebuie evitata impuri­ficarea acciden­tala deoarece aceasta are repercurdiuni asupra caracteristicilor functionale si in spe­ci­al asupra caracteristicii mecanice a masinii.

Tabelul 3.7.

Pentru aplicatii in care prezinta importanta nivelul proprietatilor mecanice cum este cazul infasurarilor pentru masini electrice mari, sau linii de transport de energie electrica, sau chiar si liniile de distributie a energiei electrice, se realiyeaza aliaje ale aluminiului urmarindu‑se insa nealterarea proprietatilor electrice. Prin alierea alumi­niului cu unele elemente (Fe, Si, Mg) se poate dubla rezistenta la rupere fata de Al pur.

Cel ami utilizat aliaj al aluminiului este aldrey‑ul care contine: (0,3-0,5)% Mg, (0,4-0,7)% Si si (0,2-0,31%) Fe fiind in general destinat liniilor de transport de ener­gie electrica. Cum conductivitatea electrica specifice a aluminiului pur este de 38 [m/Wmm²], prin aliere cu elementele specifice aldrey‑ului ea scade la (30-33) [m/Wmm²] ceea ce curespunde pentru multe aplicatii in electrotehnica. Un aliaj simi­lar aldrey‑ului, denumit condal a fost utiliyat cu succes la constructia unui gene­ra­tor sincron de 200 [MVA], 20 [kV] si 3600 [rpm], in SUA, dovedindu‑se com­pa­ti­bi­lita­tea acestui metal cu cerintele masinilor electrice de puteri mari. In paragraful (4.1.2.1.1.) au fost preyentate avantajele utiliyarii aluminiului la temperaturi criogene la care proprietatile sale atat electrice cat si mecanice se imbunatatesc substantial.

Din punct de vedere economic rezulta avantajele inlocuirii cuprului cu aluminiul, facand comparatia actiunilor si a greutatilor a doua linii de aceeasi lungime si aceeasi rezistenta electrica totala. Se gaseste ca sectiunea liniei de aluminiu este cu 62% mai mare decat a cuprului (iar diametrul firului rotund cu 30% mai mare) in schimb greu­tatea acesteia este numai 50% din cea a cuprului. Cresterea diametrului la linii de tran­sport conduce la reducerea pierderilor prin efect corona, iar micsorarea greutatii ieftineste constructia liniei, necesitand stalpi mai supli si mai distanti. De asemenea daca se compara conductivitatea electrica catre masa specifica determinat separat pentru Cu si Al, reyulta avantajul inlocuirii cuprului cu aluminiu. Pentru transfor­ma­toare de putere mijlocie si masini electrice de curent alternativ, inlocuire Cu cu Al se poate realiza far inrautatirea caracteristicilor, iar la aceasta se adauga avantajul redu­ce­rii greutatii constructiei.

3. ALTE MATERIALE CONDUCTOARE.

Pe langa Cu si Al se utilizeaza in electrotehnica in special Fe pentru linii de telecomunicatii sau pentru asigurarea rezistentei mecanice necesare liniilor de trans­port de energie confectionate din aluminiu. Liniile de telecomunicatii se realizeaza din fier zincat pentru al proteja impotriva coroziunii. Fierul are rezistenta mecanica goarte buna, insa in curent alternativ prezinta efect pelicular pronuntat. Ca urmare nu este posibila compensarea valorii mari a rezistivitatii (r = 0,1~0,13 Wmm²/m) prin majorarea sectiunii, cu intentia de a reduce rezistenta totala a liniei deoarece se obtin efecte inverse. In telecomunicatii la frecvente in domeniul de (2000~8000) Hz se utilizeaza firele de Fe acoperite cu un strat de Cu care asigura conductivitatea ridi­ca­ta.

Metalul cu cea mai mare conductivitate este Ag care poate asigura atat protec­tia impotriva coroziunii cat si a rezistivitate redusa in constructiile de curenti slabi destinate comutarii circuitelor cum sunt releele si microreleele, microintrerupa­toare­le, sau chiar contactele fixe din circuitele de curenti tari. In tabelul 3.8. sunt prezen­ta­te cateva caracteristici ale diferitelor metale utilizate in electrotehnica, pe langa Cu si Al.

Tabelul 3.8. Proprietatile unor materiale conductoare