Алюминиевая электропроводка: история, применение и безопасность.

Введение

Тип электрической проводки

Алюминиевая строительная проводка – это тип электрической проводки для жилых зданий или домов, использующий алюминиевые электрические проводники. Алюминий обеспечивает лучшее отношение электропроводности к весу, чем медь, и поэтому также применяется для проводки электросетей, включая воздушные линии электропередачи и местные распределительные сети, а также для электропроводки некоторых самолетов. Энергетические компании использовали алюминиевый провод для передачи электроэнергии в электросетях с конца 1800-х до начала 1900-х годов. Он обладает преимуществами в стоимости и весе по сравнению с медными проводами. Алюминий по-прежнему является предпочтительным материалом для проводов в системах передачи и распределения электроэнергии. В жилищном строительстве Северной Америки алюминиевая проводка применялась для электропроводки целых домов в течение короткого периода с 1960-х до середины 1970-х годов, в период высоких цен на медь. Электроустановочные изделия (розетки, выключатели, осветительные приборы, вентиляторы и т.д.) того времени не были рассчитаны на специфические свойства используемой алюминиевой проводки, и существовали проблемы, связанные с самими свойствами провода, что делало электроустановки с алюминиевой проводкой более подверженными неисправностям. Были разработаны пересмотренные стандарты производства как для проводов, так и для электроустановочных изделий, чтобы уменьшить эти проблемы. Существующие дома с такой старой алюминиевой проводкой, используемой в ответвлениях, представляют собой потенциальную пожарную опасность. В коммунистической бывшей Восточной Германии (ГДР, 1945–1990) для электропроводки требовалось использовать алюминиевую или медно-алюминиевую проволоку (″AlCu Kabel″), поскольку импорт меди был дорогостоящим. Хотя в ту эпоху все электроустановочные изделия были рассчитаны на алюминий, это прекратилось с объединением в 1990 году, когда стало доступно стандартное западно-европейское оборудование, а национальные государственные предприятия (Volkseigener Betrieb) прекратили свою деятельность.

Материалы

Алюминиевая проволока использовалась в качестве электрического проводника в течение значительного времени, особенно электроэнергетическими компаниями в линиях электропередачи, применяемых вскоре после начала строительства современных систем распределения электроэнергии, начиная с конца 1880-х годов. Алюминиевая проволока требует большего сечения, чем медная, для передачи того же тока, но при этом остается более экономичной для конкретного применения. Алюминиевые сплавы, используемые для электрических проводников, обладают проводимостью, составляющей приблизительно 61% от проводимости меди того же поперечного сечения, однако плотность алюминия составляет 30,5% от плотности меди. Следовательно, один фунт алюминия обладает той же токопроводящей способностью, что и два фунта меди. По сравнению с ценой меди за фунт (по состоянию на lc=y), алюминиевая проволока стоит в восемь раз меньше медной проволоки с аналогичной проводимостью. Меньший вес алюминиевой проволоки делает эти проводники особенно подходящими для использования в системах распределения электроэнергии электроэнергетическими компаниями, поскольку поддерживающие мачты или конструкции должны выдерживать лишь половину веса проводов для передачи того же тока. В начале 1960-х годов, когда в Северной Америке наблюдался строительный бум и резко возросла цена на медь, алюминиевая строительная проволока изготавливалась из алюминиевого сплава AA 1350 общего назначения в размерах, достаточных для использования в ответвлениях цепей с небольшой нагрузкой в жилых домах. В конце 1960-х годов стали возникать проблемы и отказы, связанные с соединениями ответвлений цепей, выполненными из строительной проволоки из алюминиевого сплава AA 1350 общего назначения, что привело к переоценке целесообразности использования этого сплава для строительной проволоки и выявлению необходимости разработки новых сплавов для производства алюминиевой строительной проволоки. Первый электропроводящий сплав серии 8000, который до сих пор широко используется в некоторых областях, был разработан и запатентован в 1972 году компанией Aluminum Company of America (Alcoa). Этот сплав, наряду с AA 8030 (запатентованным Olin в 1973 году) и AA 8176 (запатентованным Southwire в 1975 и 1980 годах), обладает механическими свойствами, сопоставимыми с медью. В отличие от более старого сплава AA 1350, ранее использовавшегося, эти сплавы серии AA 8000 также сохраняют свою прочность на растяжение после стандартного цикла испытаний на ток или испытания на погружение в цикл на ток (CCST), как описано в ANSI C119.4:2004. В зависимости от степени отжига сплав AA 8176 может удлиняться до 30% с меньшим эффектом восстановления упругости и обладает более высокой предельной прочностью (для холоднодеформированной проволоки AA 8076). В домах, где алюминиевая проводка была установлена до середины 1970-х годов (поскольку разрешалось использовать остатки алюминиевой проволоки, произведенной до 1972 года), скорее всего, используется проволока из более старого сплава AA 1350, разработанного для линий электропередачи. Алюминиевый сплав AA 1350 был более склонен к проблемам, связанным с проводкой ответвлений цепей в жилых домах, из-за механических свойств, которые делали его более уязвимым к отказам, вызванным используемыми в то время электроприборами в сочетании с некачественным монтажом. Пожар в Beverly Hills Supper Club в 1977 году стал заметным инцидентом, вызванным неправильно установленной алюминиевой проводкой.

Aluminum wire has been used as an electrical conductor for a considerable period of time, particularly by electrical utilities related to power transmission lines in use shortly after the beginning of modern power distribution systems being constructed starting in the late 1880s. Aluminum wire requires a larger wire gauge than copper wire to carry the same current, but is still less expensive than copper wire for a particular application. Aluminum alloys used for electrical conductors are only approximately 61% as conductive as copper of the same cross section, but aluminum's density is 30.5% that of copper. Accordingly, one pound of aluminum has the same current carrying capacity as two pounds of copper. vs. /lb as of lc=y), aluminum wires are one eighth the cost of copper wire of the same conductivity. The lower weight of aluminum wires in particular makes these electrical conductors well suited for use in power distribution systems by electrical utilities, as supporting towers or structures only need to support half the weight of wires to carry the same current. In the early 1960s when there was a housing construction boom in North America and the price of copper spiked, aluminum building wire was manufactured using utility grade AA 1350 aluminum alloy in sizes small enough to be used for lower load branch circuits in homes. In the late 1960s problems and failures related to branch circuit connections for building wire made with the utility grade AA 1350 alloy aluminum began to surface, resulting in a re evaluation of the use of that alloy for building wire and an identification of the need for newer alloys to produce aluminum building wire. The first 8000 series electric conductor alloy, still widely used in some applications, was developed and patented in 1972 by Aluminum Company of America (Alcoa). This alloy, along with AA 8030 (patented by Olin in 1973) and AA 8176 (patented by Southwire in 1975 and 1980), performs mechanically like copper. Unlike the older AA 1350 alloy previously used, these AA 8000 series alloys also retain their tensile strength after the standard current cycle test or the current cycle submersion test (CCST), as described in ANSI C119.4:2004. Depending on the annealing grade, AA 8176 may elongate up to 30% with less springback effect and possesses a higher yield strength (, for a cold worked AA 8076 wire). A home with aluminum wiring installed prior to the mid 1970s (as the stock of pre 1972 aluminum wire was permitted to be used up) likely has wire made with the older AA 1350 alloy that was developed for power transmission. The AA 1350 aluminum alloy was more prone to problems related to branch circuit wiring in homes due to mechanical properties that made it more susceptible to failures resulting from the electrical devices being used at that time combined with poor workmanship. The 1977 Beverly Hills Supper Club fire was a notable incident triggered by poorly installed aluminum wiring.

Современное строительство зданий

Алюминиевая строительная проводка для современного строительства изготавливается из алюминиевого сплава серии AA 8000 (иногда называемого алюминиевой проводкой "новой технологии") в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как Национальный электрический кодекс (NEC). Использование алюминиевой многожильной проволоки большего сечения (большего, чем #8AWG) довольно распространено в большей части Северной Америки для современного жилого строительства. Алюминиевая проволока используется в жилых приложениях для ввода питающей линии пониженного напряжения от электросети к зданию. Монтаж выполняется с использованием материалов и методов, предписанных местными электроснабжающими компаниями. Кроме того, алюминиевая многожильная строительная проволока большего сечения, изготовленная из алюминиевого сплава серии AA 8000, используется для электрических вводных линий (например, вводных кабелей от подключения к сети до вводного щитка) и для более мощных ответвлений, таких как подщитки, плиты, сушильные машины и кондиционеры. В Соединенных Штатах твердые алюминиевые провода из алюминиевого сплава серии AA 8000 разрешены для ответвлений на 15 А или 20 А в соответствии с Национальным электрическим кодексом. Соединения должны быть рассчитаны на алюминиевую проволоку, что может быть проблематично. Особенно это касается соединений "провод-провод", выполненных с помощью скручивающихся соединителей. По состоянию на 2017 год большинство скручивающихся соединителей для типичных проводов меньшего сечения ответвлений, даже предназначенных для соединения меди и алюминия, не рассчитаны на соединения алюминий-алюминий, за исключением Marette #63 или #65, используемых в Канаде, но не одобренных UL для использования в Соединенных Штатах. Кроме того, сечение алюминиевой проволоки должно быть больше, чем у медной проволоки, используемой для той же цепи, из-за более высокого сопротивления алюминиевых сплавов. Например, ответвление на 15 А, питающее стандартные светильники, может быть выполнено либо медным строительным проводом #14AWG, либо алюминиевым строительным проводом #12AWG в соответствии с NEC. Однако твердая алюминиевая проволока меньшего сечения практически не используется для жилого строительства в Северной Америке. Существует несколько возможных причин, по которым эти соединения выходили из строя. Двумя основными причинами были некачественный монтаж (низкое качество работ) и разница в коэффициенте теплового расширения между алюминиевой проволокой, использовавшейся в 1960-х – середине 1970-х годов, и соединителями, особенно когда соединитель представлял собой стальной винт на электрическом устройстве. Сообщаемые опасности связаны со старой твердой алюминиевой проводкой ответвлений (сечением менее #8AWG).

Aluminum building wiring for modern construction is manufactured with AA 8000 series aluminum alloy (sometimes referred to as "new technology" aluminum wiring) as specified by the industry standards such as the National Electrical Code (NEC). The use of larger gauge stranded aluminum wire (larger than #8AWG) is fairly common in much of North America for modern residential construction. Aluminum wire is used in residential applications for lower voltage service feeders from the utility to the building. This is installed with materials and methods as specified by the local electrical utility companies. Also, larger aluminum stranded building wire made with AA 8000 series alloy of aluminum is used for electrical services (e. g. service entrance conductors from the utility connection to the service breaker panel) and for larger branch circuits such as for sub panels, ranges, clothes dryers and air conditioning units. In the United States, solid aluminum wires made with AA 8000 series aluminum alloy are allowed for 15 A or 20 A branch circuit wiring according to the National Electrical Code. The terminations need to be rated for aluminum wire, which can be problematic. This is particularly a problem with wire to wire connections made with twist on connectors. As of 2017 most twist on connectors for typical smaller branch circuit wire sizes, even those designed to connect copper to aluminum wiring, are not rated for aluminum to aluminum connections, with one exception being the Marette #63 or #65 used in Canada but not approved by UL for use in the United States. Also, the size of the aluminum wire needs to be larger compared to copper wire used for the same circuit due to the increased resistance of the aluminum alloys. For example, a 15 A branch circuit supplying standard lighting fixtures can be installed with either #14AWG copper building wire or #12AWG aluminum building wire according to the NEC. However, smaller solid aluminum branch circuit wiring is almost never used for residential construction in North America. There are several possible reasons why these connections failed. The two main reasons were improper installations (poor workmanship) and the differences in the coefficient of expansion between aluminum wire used in the 1960s to mid 1970s and the terminations, particularly when the termination was a steel screw on an electrical device. The reported hazards are associated with older solid aluminum branch circuit wiring (smaller than no. 8 AWG)

Неправильные установки

Многие оконечные соединения алюминиевого провода, установленные в 1960-х и 1970-х годах и выполненные правильно, продолжают функционировать без каких-либо проблем. Однако проблемы могут возникнуть в будущем, особенно если соединения были изначально установлены некачественно. Некачественная установка или небрежная работа включает в себя: отсутствие зачистки проводов, неот применения ингибитора коррозии, необмотку проводов вокруг клеммных винтов, неправильную обмотку проводов вокруг клеммных винтов и недостаточный момент затяжки соединительных винтов. Проблемы также могут возникнуть при соединениях, выполненных с чрезмерным моментом затяжки клеммного винта, поскольку это приводит к повреждению провода, особенно более мягкого алюминиевого провода.

Коэффициент расширения и ползания

Большинство проблем, связанных с алюминиевой проволокой, обычно связаны со старыми (до 1972 года) проводами из твердого алюминия сплава AA 1350, иногда называемыми алюминиевой проводкой "старой технологии". Это связано с тем, что свойства этой проволоки приводят к значительно большему расширению и сжатию, чем у медной проволоки или современной алюминиевой проволоки серии AA 8000. Более старая твердая алюминиевая проволока также подвержена явлению, называемому ползучестью, которое приводит к её необратимой деформации или ослаблению под нагрузкой с течением времени. Алюминиевая проволока, использовавшаяся до середины 1970-х годов, имела несколько более высокую склонность к ползучести, но более серьезной проблемой было то, что высокая цена меди, стимулировавшая использование алюминиевой проволоки, привела к применению стальных винтов с латунным покрытием вместо цельнолатунных винтов для соединений в устройствах, таких как розетки и выключатели. Алюминий и сталь расширяются и сжимаются с существенно разной скоростью при тепловой нагрузке, поэтому соединения могут ослабевать, особенно старые соединения, изначально установленные с недостаточным моментом затяжки винтов, в сочетании с ползучестью алюминия со временем. Ослабленные соединения со временем ухудшаются. Этот цикл возникает из-за незначительного ослабления соединения, уменьшения площади контакта, что приводит к перегреву и образованию интерметаллических соединений алюминия с железом и алюминия с медью между проводом, винтом и проводниками устройства под проводом. Это приводит к увеличению сопротивления в соединении и, как следствие, к дополнительному перегреву. Хотя многие полагают, что причиной была окислительная коррозия, исследования показали, что окисление не играло существенной роли в этих случаях.

Квалификация электрических устройств

Многие электрические устройства, использовавшиеся в 1960-х годах, имели небольшие стальные винты клемм, что делало подключение алюминиевых проводов, применяемых в то время, к этим устройствам значительно более подверженным проблемам. В конце 1960-х годов была разработана спецификация устройств, известная как CU/AL (означает медь/алюминий), которая устанавливала стандарты для устройств, предназначенных для использования с алюминиевым проводом. Некоторые из этих устройств использовали увеличенные винты клемм с нарезкой, чтобы более надежно удерживать провод. К сожалению, выключатели и розетки CU/AL работали недостаточно эффективно с алюминиевым проводом, и была создана новая спецификация под названием CO/ALR (означает медь/алюминий, пересмотренная). Эти устройства оснащены латунными винтами клемм, которые разработаны для поведения как металл, близкий по свойствам к алюминию, и расширяются с аналогичной скоростью, а винты имеют еще более глубокую нарезку. Маркировка CO/ALR доступна только для стандартных выключателей и розеток; CU/AL является стандартной маркировкой соединения для автоматических выключателей и более крупного оборудования.

Окисление

Большинство металлов (за некоторыми исключениями, такими как золото) свободно окисляются при контакте с воздухом. Оксид алюминия не является проводником электричества, а скорее изолятором. Следовательно, прохождение электронов через оксидный слой может быть значительно затруднено. Однако, поскольку толщина оксидного слоя составляет всего несколько нанометров, дополнительное сопротивление обычно незаметно. При правильном подключении алюминиевого провода механическое соединение разрушает тонкий, хрупкий слой оксида, обеспечивая отличное электрическое соединение. Если это соединение не ослаблено, кислород не может проникнуть в точку соединения и образовать новый оксид. Недостаточный момент затяжки винта клеммы электроустройства или отсутствие маркировки CO/ALR (или хотя бы CU/AL для автоматических выключателей и более мощного оборудования) может привести к недостаточному соединению алюминиевого провода. Кроме того, из-за значительной разницы в коэффициентах теплового расширения старого алюминиевого провода и стальных винтов клемм соединение может ослабевать со временем, что приводит к образованию дополнительного оксида на проводе. Однако окисление не является существенным фактором при отказе алюминиевых соединений. Тем не менее, Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) в настоящее время рекомендует только два способа "постоянного ремонта" с использованием метода "хвостика". Наиболее тщательно протестированный метод использует специальные обжимные соединители, называемые COPALUM. По состоянию на апрель 2011 года CPSC также признала миниатюрные гильзовые соединители AlumiConn. CPSC считает использование "хвостиков" с соединителями для проводов временным решением и даже в этом случае рекомендует специальные процедуры установки, отмечая, что попытки ремонта все равно могут быть опасными. Соединители COPALUM используют специальную систему обжима, которая создает холодную сварку между медным и алюминиевым проводом и считается постоянным решением, не требующим обслуживания. Однако в распределительных коробках может быть недостаточно места для использования специального обжимного инструмента, а полученные соединения иногда слишком велики для установки из-за ограниченного пространства (или "заполнения коробки"). Для увеличения доступного пространства можно установить удлинитель для распределительной коробки для необработанных поверхностей, заменить коробку на более крупную или установить дополнительную смежную коробку. Кроме того, соединители COPALUM дороги в установке, требуют специальных инструментов, которые нельзя просто приобрести, и электриков, сертифицированных производителем для их использования, а также бывает сложно найти местных электриков, сертифицированных для установки этих соединителей. Миниатюрный гильзовый соединитель AlumiConn также может быть использован для постоянного ремонта, с добавлением диоксида кремния в состав для абразивной обработки проводов. По состоянию на 2014 год в США был только один соединитель скрутки, получивший рейтинг или "UL Listed" для соединения алюминиевых и медных ответвлений, а именно Ideal № 65 "Twister Al/Cu". Эти специальные соединители скрутки имеют характерный фиолетовый цвет, имеют маркировку UL для соединений алюминиевых и медных ответвлений с 1995 года и, согласно текущей документации производителя, "идеально подходят для присоединения медного проводника к алюминиевой проводке ответвлений при модернизации". CPSC по-прежнему считает использование соединителей скрутки, включая Ideal № 65 "Twister Al/Cu", временным решением. По мнению CPSC, даже использование (перечисленных) соединителей скрутки для присоединения медных "хвостиков" к старой алюминиевой проводке в качестве временного ремонта требует специальных процедур установки, включая абразивную обработку и предварительную скрутку проводов. Однако в инструкции производителя для Ideal № 65 Twister рекомендуется только предварительная скрутка проводов, но не указано, что это обязательно. Кроме того, в инструкции не упоминается физическая абразивная обработка проводов, как рекомендовано CPSC, хотя в текущей документации производителя указано, что предварительно заполненный состав "разрушает оксид алюминия". Некоторые исследователи критиковали листинг/тесты UL для этого соединителя, и были сообщения о проблемах с тестами (без предварительной скрутки) и установками. Однако неизвестно, были ли сообщенные проблемы с установкой связаны с неквалифицированными лицами, пытающимися выполнить эти ремонты, или с несоблюдением рекомендованных специальных процедур установки (таких как абразивная обработка и предварительная скрутка проводов, как рекомендовано CPSC для старой алюминиевой проводки, или, по крайней мере, предварительная скрутка проводов, как рекомендовано Ideal для их соединителей). Использование новых устройств с маркировкой CO/ALR (выключателей и розеток) может быть использовано для замены старых устройств, не имеющих соответствующей маркировки, в домах с алюминиевой проводкой ответвлений, чтобы снизить риск. Сообщается, что эти устройства протестированы и сертифицированы как для проводов AA 1350, так и для проводов AA 8000, и соответствуют Национальному электротехническому кодексу. Однако некоторые производители устройств CO/ALR рекомендуют периодически проверять/подтягивать винты клемм на этих устройствах, что может быть опасно для неквалифицированных лиц, а также существует критика их использования в качестве постоянного ремонта, поскольку некоторые устройства CO/ALR вышли из строя во время испытаний при подключении к алюминиевой проводке "старой технологии". Кроме того, простая установка устройств CO/ALR (выключателей и розеток) не решает потенциальные проблемы, связанные с другими соединениями, такими как соединения на потолочных вентиляторах, светильниках и оборудовании.

Most metals (with a few exceptions, such as gold) oxidize freely when exposed to air. Aluminium oxide is not an electrical conductor, but rather an electrical insulator. Consequently, the flow of electrons through the oxide layer can be greatly impeded. However, since the oxide layer is only a few nanometers thick, the added resistance is not noticeable under most conditions. When aluminum wire is terminated properly, the mechanical connection breaks the thin, brittle layer of oxide to form an excellent electrical connection. Unless this connection is loosened, there is no way for oxygen to penetrate the connection point to form further oxide. If inadequate torque is applied to the electrical device termination screw or if the devices are not CO/ALR rated (or at least CU/AL rated for breakers and larger equipment) this can result in an inadequate connection of the aluminum wire. Also, due to the significant difference in thermal expansion rates of older aluminum wire and steel termination screws connections can loosen over time, allowing the formation of some additional oxide on the wire. However, oxidation was found not to be a substantial factor in failures of aluminum wire terminations. However, the U. S. Consumer Product Safety Commission (CPSC) currently recommends only two alternatives for a "permanent repair" using the pig tailing method. The more extensively tested method uses special crimp on connectors called COPALUM connectors. As of April 2011, the CPSC has also recognized miniature lug type connectors called AlumiConn connectors. The CPSC considers the use of pigtails with wire nuts a temporary repair, and even as a temporary repair recommends special installation procedures, and notes that there can still be hazards with attempting the repairs. COPALUM connectors use a special crimping system that creates a cold weld between the copper and aluminum wire, and is considered a permanent, maintenance free repair. However, there may not be sufficient length of wires in enclosures to permit a special crimping tool to be used, and the resulting connections are sometimes too large to install in existing enclosures due to limited space (or "box fill"). Installing an enclosure extender for unfinished surfaces, replacing the enclosure with a larger one or installing an additional adjacent enclosure can be done to increase the available space. Also, COPALUM connectors are costly to install, require special tools that cannot simply be purchased and electricians certified to use them by the manufacturer, and it can sometimes be very difficult to find local electricians certified to install these connectors. The AlumiConn miniature lug connector can also be used for a permanent repair. with silicon dioxide added to the compound to abrade the wires. As of 2014 there was only one twist on connector rated or "UL Listed" for connecting aluminum and copper branch circuit wires in the U. S., which is the Ideal no. 65 "Twister Al/Cu wire connector". These special twist on connectors have a distinctive purple color, have been UL Listed for aluminum to copper branch circuit wire connections since 1995, and according to the manufacturer's current literature are "perfect for pig tailing a copper conductor onto aluminum branch circuit wiring in retrofit applications". The CPSC still considers the use of twist on connectors, including the Ideal no. 65 "Twister Al/Cu wire connector", to be a temporary repair. According to the CPSC, even using (listed) twist on connectors to attach copper pigtails to older aluminum wires as a temporary repair requires special installation procedures, including abrading and pre twisting the wires. However, the manufacturer's instructions for the Ideal no. 65 Twister only recommends pre twisting the wires, and does not state it is required. Also, the instructions do not mention physically abrading the wires as recommended by the CPSC, although the manufacturer current literature states the pre filled "compound cuts aluminum oxide". Some researchers have criticized the UL listing/tests for this wire connector, and there have been reported problems with tests (without pre twisting) and installations. However, it is unknown if the reported installation problems were associated with unqualified persons attempting these repairs, or not using recommended special installation procedures (such as abrading and pre twisting the wires as recommended by the CPSC for older aluminum wire, or at least pre twisting the wires as recommended by Ideal for their connectors). The use of newer CO/ALR rated devices (switches and receptacles) can be used to replace older devices that did not have the proper rating in homes with aluminum branch circuit wiring to reduce the hazards. These devices are reportedly tested and listed for both AA 1350 and AA 8000 series aluminum wire, and are acceptable according to the National Electrical Code. However, some manufacturers of CO/ALR devices recommend periodically checking/tightening the terminal screws on these devices which can be hazardous for unqualified individuals to attempt, and there is criticism of their use as a permanent repair as some CO/ALR devices have failed in tests when connected to "old technology" aluminum wire. Furthermore, just installing CO/ALR devices (switches and receptacles) doesn't address potential hazards associated with other connections such as those at ceiling fans, lights and equipment.