Energia elektryczna jest dziś jedną z podstaw funkcjonowania przemysłu i nieodzownym elementem życia codziennego. Rozpoczęcie procesu elektryfikacji pod koniec XIX wieku i intensywnie prowadzone na początku wieku XX sprawiło, że większość krajów europejskich zyskała rozbudowaną infrastrukturę przesyłową. Wiedzie ona od miejsca produkcji prądu – wciąż dominują tu duże elektrownie jądrowe, wodne, ale także jak w Niemczech i w Polsce węglowe – przez linie wysokiego, średniego i niskiego napięcia wraz z kolejnymi stacjami transformatorowymi, aż po odbiorcę końcowego i system przewodów rozprowadzony wewnątrz budynku.
Energia elektryczna jest dziś jedną z podstaw funkcjonowania przemysłu i nieodzownym elementem życia codziennego. Rozpoczęcie procesu elektryfikacji pod koniec XIX wieku i intensywnie prowadzone na początku wieku XX sprawiło, że większość krajów europejskich zyskała rozbudowaną infrastrukturę przesyłową. Wiedzie ona od miejsca produkcji prądu – wciąż dominują tu duże elektrownie jądrowe, wodne, ale także jak w Niemczech i w Polsce węglowe – przez linie wysokiego, średniego i niskiego napięcia wraz z kolejnymi stacjami transformatorowymi, aż po odbiorcę końcowego i system przewodów rozprowadzony wewnątrz budynku. Odpowiednie okablowanie jest potrzebne również w pojazdach, maszynach i urządzeniach, a także większości wykorzystywanych urządzeń – sprzętu AGD i RTV, urządzeń medycznych czy choćby potrzebnego do funkcjonowania każdego urządzenia elektronicznego transformatora w postaci zasilacza. Kable mogą być wykonane z aluminium albo z miedzi do produkcji przewodów. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom miedzi i przekonajmy się, co sprawia, że okazuje się najlepszym materiałem na kable.
Najważniejsze cechy kabli elektrycznych a parametry miedzi
Materiał wykorzystywany do produkcji kabli elektrycznych musi być bardzo dobrym przewodnikiem prądu. Istotne jest jednak nie tylko samo umożliwianie przepływu elektronów po przyłożeniu do niego napięcia, ale liczą się także powstające podczas przesyłu straty. Jest to o tyle ważne, że wiążą się one ze zjawiskiem zamiany części energii elektrycznej na ciepło, oznaczają więc jej marnowanie. Miedź wyróżnia się znakomitą przewodnością elektryczną i bardzo niskim oporem. Rezystywność miedzi (czyli opór, jaki stawia przepływowi prądu elektrycznego) wynosi zaledwie 1,72 × 10−8 Ω·m. Lepszym wynikiem może poszczycić się jedynie srebro, które osiąga 1,59 × 10−8 Ω·m, a czwarte w kolejności (po złocie) jest aluminium z wynikiem 2,82 × 10−8 Ω·m. Okazuje się jednak, że pod względem pozostałych właściwości miedź jest absolutnie bezkonkurencyjna.
Ważną cechą materiału, z którego wykonuje się kable, jest możliwość swobodnego kształtowania ich przebiegu. Będzie to istotne zwłaszcza w przypadku instalacji montowanych w maszynach i urządzeniach oraz niektórych ich elementów m.in. takich jak silniki elektryczne, transformatory, cewki czy prądnice, ponieważ oznacza możliwość wielokrotnego zaginania. Kable wykorzystywane do przesyłu energii muszą też dobrze znosić działające na nie siły – w przypadku sieci przesyłowych będą to bardzo duże naprężenia. Jak się okazuje, również w tym obszarze właściwości miedzi ściśle odpowiadają wszystkim wymogom. Miedź wyróżnia się wysoką granicą plastyczności wynoszącą około 50 MPa, co oznacza, że łatwo można ją kształtować, a uszkodzenie związane z płynięciem metalu, czyli jego trwałym odkształceniem, prowadzącym do przerwania struktury nastąpi dopiero przy działaniu bardzo dużej siły. Miedź charakteryzuje się także dobrą wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą od 200 do 250 N/mm², co wiąże się z tym, że nawet przy działaniu dużych obciążeń nie dochodzi do zmiany wymiarów przewodu, jego przewężania albo zerwania. Miedź wyróżnia się także niezwykle dużą wytrzymałością zmęczeniową.
Istotnym parametrem kabli elektrycznych jest odporność na występujące w instalacji zwarcia. Wraz z ich pojawieniem dochodzi do wytworzenia się prądu o bardzo wysokim napięciu, czemu towarzyszy znacznie podwyższona temperatura, co w niektórych sytuacjach powoduje nawet powstanie łuku elektrycznego. W takich sytuacjach ważna będzie reakcja materiału, z którego wykonano przewód. W przypadku miedzi zaletą jest stosunkowo wysoka temperatura topnienia, która przekracza 1080°C, podczas gdy dla aluminium wynosi ona jedynie 660°C. Równie ważne jest dobre przewodzenie ciepła przez miedź – jej współczynnik przewodzenia ciepła wynosi aż 380 W/m·k, podczas gdy dla aluminium może sięgnąć jedynie 280 W/m·k. Dzięki temu powstające ciepło może być dość łatwo rozproszone, choć oczywiście będzie to zależało od przekroju przewodu i charakterystyki zwarcia.
Dodatkowe zalety przewodów miedzianych
Kable elektryczne są narażone na wiele procesów, które mogą doprowadzić do ich zniszczenia. Poza oddziaływaniami mechanicznymi ważne będą czynniki środowiskowe. Choć kable zwykle są chronione warstwą izolacji, która zapobiega zwarciom i blokuje dostęp czynników zewnętrznych, to nie dotyczy to złączy, które często pozostają odkryte. W takich warunkach problemem może okazać się pojawianie się różnych rodzajów korozji. W przypadku miedzi to zagrożenie jest jednak niewielkie, ponieważ miedź wyróżnia się bardzo wysoką odpornością na rdzewienie ze względu na swój potencjał standardowy wynoszący zaledwie 0,34. Co równie istotne, tworzące się w wyniku korozji miedzi tlenki, siarczki i chlorki utrzymują przewodność miedzi, nawet skorodowane złącze będzie więc gwarantowało przepływ napięcia.
Przy budowie cieci energetycznych ważnym parametrem jest podatność użytych w nich przewodów na podwyższoną temperaturę i powodowaną nią zmianę rozmiarów. Jest to o tyle istotne, że w przypadku linii napowierzchnych prowadzi do wydłużania się kabli i tzw. zwiększonego zwisu, co może doprowadzić do tego, że dotkną one znajdujących się w pobliżu wysokich przedmiotów – drzew, krzewów czy nawet sięgną ziemi. Warto przypomnieć, że w przypadku przewodów energetycznych wielkość przesyłanego napięcia jest bardzo duża, a one same mają postać stosunkowo grubych, wielożyłowych lin z dodatkowymi wzmocnieniami. W przypadku miedzi rozszerzalność cieplna, która wpływa na wydłużenie liniowe przewodu, jest niewielka. Współczynnik rozszerzalności liniowej miedzi wynosi zaledwie 16,5 (10−6/K), podczas gdy dla aluminium osiąga on 23 (10−6/K).
W wielu przypadkach średnica przewodu elektrycznego powinna być bardzo mała, tak by nie utrudniała jego instalowania w bardzo ograniczonej przestrzeni. Problem ten pojawia się również w przypadku silników elektrycznych przeznaczonych do zastosowań specjalnych np. niewielkich mikrosilników wykorzystywanych w robotyce i automatyce. Ponieważ główną częścią silnika jest w tym przypadku jego uzwojenie, to od średnicy wykorzystanych przewodów zależą możliwości jego miniaturyzacji. Dzięki właściwościom miedzi przewody z niej produkowane mogą mieć przekrój zaledwie 0,5 mm2.
Warto wspomnieć, że w większości typowych zastosowań związanych z projektowaniem i montażem instalacji elektrycznej dla urządzeń mobilnych duże znaczenie ma wielkość przewodów, ze względu na ilość miejsca, jakie zajmują. W przypadku niektórych urządzeń konieczność zastosowania dużej ilości kabli oznacza nie tylko powiększenie obudowy, ale także nierzadko jej wzmocnienie. Ważną cechą kabli miedzianych jest to, że ich przekrój może być o około 50% mniejszy w porównaniu z instalacją wykonaną z aluminium. Oznacza to także, że w przypadku kabli o takim samym przekroju wykonanych z miedzi oraz aluminium przewód miedziany będzie miał dwukrotnie większą obciążalność.
Czy przewody miedziane mają wady?
Przewody wykonane z miedzi mają jednak również słabe strony, które sprawiają, że nie w każdych warunkach ich użycie będzie optymalnym rozwiązaniem. Do najpoważniejszych mankamentów należy spory ciężar właściwy miedzi, który wynosi aż 8900 kg/m3. Dla porównania ciężar właściwy aluminium to jedynie 2760 kg/m3. Oznacza to, że instalacja wykonana z miedzi będzie niemal trzykrotnie cięższa niż ta, na którą będą się składały przewody aluminiowe. Większy ciężar oznacza jednocześnie znaczny wzrost obciążenia konstrukcji. Poważnym ograniczeniem w stosowaniu miedzi w wielu obszarach jest jej stosunkowo wysoka cena. Choć kwoty, jakie trzeba płacić za wyroby z miedzi, są mocno uzależnione od sytuacji na giełdach towarowych oraz poziomu światowego popytu, to średnia cena miedzi jest kilkukrotnie wyższa od cen konkurencyjnego aluminium.
Wybór przewodów miedzianych będzie więc zależał przede wszystkim od priorytetów związanych z konstrukcją urządzenia czy charakterystyką konkretnego zastosowania. W niektórych sytuacjach z powodów związanych z ekonomią lub właściwościami miedzi lepszym wyborem będą kable aluminiowe, jednak zwykle wybierane są kable miedziane, ponieważ gdy pod uwagę brać nie tylko sam koszt zakupu, a cały okres eksploatacji okazuje się, że koszty strat energii szybko wyrównują początkową różnicę, tym bardziej, jeśli wziąć pod uwagę przeciętny czas eksploatacji. Za wyborem kabli aluminiowych najczęściej przemawia ich mniejsza masa, choć po uwzględnieniu różnic w obciążalności prądowej nie jest ona już tak zdecydowana. Dość często przewody aluminiowe są jednak wybierane tam, gdzie znaczenie mają rozmiary i kształt konstrukcji potrzebnej do rozprowadzenia kabli – głównie w energetyce.
W przypadku instalacji, w których priorytetem jest możliwość znacznego obciążania przewodów, a przy tym długiego przewidywanego okresu eksploatacji najczęściej wybierane są kable miedziane. Dobrym przykładem jest tu budownictwo, gdzie do rozprowadzania wewnętrznych instalacji w obrębie domu lub mieszkania wybiera się przewody wykonane z miedzi, zarówno ze względu na ich lepsze parametry, jak i to, że gwarantują wyższy poziom bezpieczeństwa. Nawet w przypadku zwarcia prawdopodobieństwo stopienia się instalacji będzie niewielkie, co jest o tyle istotne, że jej wymiana byłaby niezwykle kłopotliwa. Warto pamiętać, że z uwagi na swoje właściwości przewody miedziane są też wybierane do szczególnie wymagających zastosowań. Używa się ich np. w zaawansowanej aparaturze medycznej, a także w najwyższej jakości zestawach audio oraz ich okablowaniu.
