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鋁合金導體和銅、鋁導體的性能對比

2013-09-22 11:38:52 閱讀次數:(10235) 返回列表
1 引 言

人類對銅的使用歷史這可以追溯到10,000年以前。在伊拉克的北部曾經出土一件8700年前的文物——銅耳杯,中國在4000多年前的夏禹時代就有了青銅器。銅作為導體的應用在18世紀末隨著電的發現和應用已經走過了200多年的歷史。鋁做為一種年輕的金屬,在19世紀中期,它被稱作“銀色的金子”,比黃金還珍貴,直到1886年由美國科學家霍爾獨立研究出電解鋁法,才開始能夠后工業化生產。鋁用作導體從1896年開始,英國人科利在博爾頓架設了世界上第一根架空鋁絞線。1910年美國鋁業協會胡普斯發明了鋼芯鋁絞線,架設于尼亞加拉大瀑布上空。此后,架空高壓輸電線逐步被鋼芯鋁絞線取代。另外,歐美工業發達國家於1910年開始使用鋁導體替代銅導體作為配電線?,F在,全世界生產的鋁約14%用作電工材料,世界上在電線中,使用鋁比例最高的是美國,達到35%左右。我國電工部門的用鋁量約占全國鋁消耗總量的三分之一,主要用于高壓輸電,而配電使用鋁導體的比例低于5%。使用銅或者是鋁做為導體受歷史、國情、資源狀況等等因素的影響。

上世紀五十年代,銅價高速攀升,世界電線電纜行業提出以鋁代銅,要達到同樣的電氣性能,鋁導體的截面積需要比銅導體大兩個等級或者增大50%。上世紀六、七十年代,同樣原因提出以鋁代銅。2005年迄今再次提出以鋁代銅,隨著科技的進步,這次的以鋁代銅主要是以鋁合金代銅。以鋁代銅的前景如何呢?我們需要對鋁合金、銅和鋁的性能有更多的了解。

2 銅鋁的對比

2.1 鋁與銅的性能比較(20

注:數據來源于《鋁合金及其加工手冊》第二版

2.2 銅鋁導體在電力電纜中的應用

從電纜生產標準來說,所有電力電纜制造遵從GB12706.1-2008?額定電壓lkV(Um=1.2kV)35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件:1部分:額定電壓1kV(Um=1.2kV)3kV(Um=3.6kV)電纜?,其中電纜的導體按照GB/T3956-2008生產。GB/T3956-2008<電纜的導體>中有明確的規定,可以采用第1種或第2種鍍金屬層或不鍍金屬層退火銅導體、鋁或鋁合金導體。

注:數據來源于《鋁合金及其加工手冊》第二版

2.3 鋁導體在電力電纜應用中的問題

六、七十年代,全球銅價高速攀升,由于政治因素,銅材作為戰略物資受到貿易管制,國內大量采用鋁作為輸電電纜的主要導體材料,以鋁代銅成為電氣行業普遍遵循的技術政策,選用銅導體電纜需要報告申請。所以民用建筑的干線,支線都采用純鋁線纜。純鋁導體(AA1350)的缺點主要體現在如下幾個方面:

1)機械強度差,容易折斷,

2)易蠕變,需要經常緊固螺絲

3)容易過載發熱,存在安全隱患

4)沒有很好的解決銅鋁過渡連接問題

  這些問題不僅僅是國內面臨的問題,世界電纜行業也面臨同樣的問題。隨著國際形勢的好轉,中國改革開放的實施,我們能夠方便的從國外大量進口銅資源,而且銅鋁之間的價差不大,以鋁代銅在國內逐步淡化;與此同時,國外積極研發新的鋁合金導體,解決合金導體和端子的連接問題,最終美國以及歐洲在配電線路上大量應用鋁合金導體。在美國國家電氣規范[5]NEC330.14規定:“8,10,12AWG截面(相當于國內8.37mm2,5.26mm2,3.332mm2)的實心導體應由AA8000系列電工級鋁合金材料制造。絞合型導體從8AWG (相當于國內8.37mm2)到1000kcmil(相當于國內506.7mm2)標識為Type RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, service-entrance Type SE Style U and SE Style R 應由AA-8000系列電工級鋁合金導體材料制造?!?/span>

 

3. 鋁合金導體

  3.1 鋁合金導體的發展

用作導體的鋁合金在六、七十年代由于銅價的高速攀升迎來飛速的發展。在國際鋁行業協會的鋁合金牌號中,用作導體的鋁合金主要有AA1000系列即純鋁,AA6000系列導體,和AA8000系列導體。AA1000系列導體主要用在高壓架空線;AA6000 Al-Mg-Si(鋁鎂硅合金)系列導體主要用在高壓架空線和鋁母排;這兩類導體都是以硬態導體存在,接頭的連接以焊接為主。AA8000 Al-Mg-Cu-Fe(鋁鎂銅鐵合金)系列是真正用在配電線路上的軟質鋁合金。

AA8000系列鋁合金在六、七十年代獲得一系列專利。

鋁合金

合金名稱

美國專利權號

ANSI-H35.1

8017

8030

8076

8130

8176

8177

UNS

A98017

A98030

A98076

A98130

A98176

A98177

……

3711339

3697260

……

RE28419

RE30465

……

3.2 AA8000系列導體主要化學成份如下:

鋁合金

以質量為基礎的化學成份百分比%

ANSI

UNS

其它

(合計)

其它

(合計)

8017

8030

8076

8130

8176

8177

A98017

A98030

A98076

A98130

A98176

A98177

殘余

殘余

殘余

殘余

殘余

殘余

0.10

0.10

0.10

0.15B

0.03-0.15

0.10

0.55-0.8

0.30-0.8

0.6-0.9

0.40-1.0B

0.40-1.0

0.25-0.45

0.10-0.20

0.15-0.30

0.04

0.05-0.15

……

0.04

0.01-0.05

0.05

0.08-0.22

0.04-0.12

0.05

0.05

0.05

0.10

0.10

0.05

0.04

0.001-0.04

0.04

0.04

0.03A

0.03

0.03

0.03

0.05C

0.03

0.10

0.10

0.10

0.10

0.15

0.10

A最大鋰含量為0.03

B:最大硅和鐵的含量為1.0

C:最大鎵含量為0.03

注:數據來源于Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition

3.3 AA8000系列導體與純鋁(AA1350)導體比較

由于增加了銅//鎂元素,這些元素在合金中起到非常關鍵的作用:

銅:增加合金在高溫時候的電阻穩定性;

鐵:抗蠕變性與壓緊性提高了280%,避免了由于蠕變引起的松弛問題

鎂:在同樣的界面壓力下,能夠提高接觸點而具有更高的抗拉強度。

注:數據來源于《鋁合金及其加工手冊》第二版

1)機械強度,從表上可以看出,和AA1350純鋁導體相比,AA8000系列導體的抗拉強度約是純鋁的150%,屈服強度約為純鋁的200%。

2)抗蠕變性能

在通過500小時的蠕變試驗中,可以看到,和AA1350純鋁導體相比,AA8000系列合金的抗蠕變性能約是純鋁的280%,基本達到了和銅導體同樣的水平。

3.4 鋁合金和銅導體的對比

導體特性

密度    (g/mm3)

熔點    ()

線膨脹系數

電阻率

(Ω*mm2/m)

導電率 IACS%

抗拉強度(MPa)

屈服強度(MPa)

伸長率(%

電工銅(Cu)

8.89

1083

17*10-6

0.017241

100

220-270

60-80

30-45

AA8000鋁合金

2.7

660

23*10-6

0.0279

61.8

113.8

53.9

30

對比AA8000鋁合金導體和銅導體,發現由于電阻率的不同,它們的IACS不同,AA8000鋁合金是銅的61.8%,當我們將鋁合金導體的截面積增大兩檔或者提高到銅導體截面積的150%時,其電氣性能一致。

抗拉強度,鋁合金導體只有銅導體的一半(113.8220MPa),由于AA8000鋁合金的密度只有銅導體的30.4%,因而即使鋁合金導體截面積提高到銅導體截面積的150%,鋁合金導體的重量也只有銅導體的45%,這使得鋁合金導體的抗拉強度相對于銅導體還有一定的優勢。

AA8000鋁合金導體的屈服接近于銅導體,從而使得鋁合金導體的蠕變性能接近銅導體的蠕變性能。在斷裂伸長率上,鋁合金導體和銅導體基本相同。

由于鋁合金導體和銅導體的膨脹系數不一樣,使得銅導體和鋁合金導體不宜直接連接。我們通過如下方式,保證連接的可靠性。

3.5 連接可靠性

電力電纜導體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管標準GB14315-2008已經正式實施,在該標準中,也已經正式將銅鋁過渡端子寫入標準,為合金電纜和銅排以及銅的電氣設備連接提供了理論依據。目前銅鋁過渡采用主要有如下種方式,

(1)合金電纜+銅鋁過渡端子(端子直接和銅排連接)。

(2)合金電纜+鋁端子(鋁端子和鍍錫銅排連接時,按照國標提供的力矩值緊固螺絲,并增加碟式墊圈,以便銅鋁金屬在熱脹冷縮是保持銅鋁的有效連接)。

(3)合金電纜+鋁端子+雙金屬墊圈(墊圈的鋁部分和鋁端子連接,銅部分和銅排連接)。

這些連接方式均需要按照IEC61238-2008或者GB9327-20081000次熱循環實驗,模擬30年的應用,保證電纜連接的可靠性。合金導體無論是在美國佐治亞州供電局還是上海電纜研究所的熱循環實驗都表明合金電纜的連接時安全可靠的,實驗報告數據顯示,其連接的可靠性甚至比銅導體的還要穩定。

4 銅、鋁資源狀況

4.1從世界范圍看銅鋁資源

據美國地質調查局資料(USGS)顯示, 銅元素含量占地殼中元素的含量少于0.01%,而鋁元素占地殼元素含量的7.73% ,在地殼中,鋁元素的含量是銅元素含量的1000倍以上。全球銅資源按照目前的消費量,年均增長率 3 %計算,可供全球再使用32年。

而鋁資源按目前開采規模(1.4億噸/年左右)進行計算,現有鋁土礦儲量可滿足世界鋁工業近180年的開采需要。

4.2 國內銅鋁資源狀況

2004年至今,我國每年10%左右的鋁需要出口,產能嚴重過剩。與此同時,國家發展改革委員會統計:2004年至2006年,我國每年銅材的缺口超過130萬噸。根據2008年中國統計年鑒的數據,2007年我國銅礦及精銅進口452萬噸,銅及其制品進口額為271億美元。我國銅金屬市場已經嚴重依賴進口,中國對銅材的不竭需求,導致國際銅價不斷上揚,中國企業也以前所未有的熱情走出國門,并購國外礦企,開采國外礦山,付出的代價,歷經的辛酸,國人歷歷在目。從2004年初至今,銅價已經上漲超過200%,鋁價波動并沒有銅價劇烈。改變對銅材的嚴重依賴,成為改變國際供求關系、節約外匯、充分利用國內資源、保證電力行業可持續發展的關鍵。

5 結束語:

由于鋁合金導體具有的良好的導電性能和優異的機械性能,改善了鋁導體的連接不可靠、機械強度差、易蠕變等缺點,在機械性能上和銅導體相近,電氣性能通過增大截面積和銅導體具有同樣的導電能力,在低壓配電系統中將得到廣泛的應用。鋁合金導體在國內市場的推廣應用將會使國家節約大量的銅資源,減少國家對國外銅資源的依賴度,節約大量的外匯,同時讓用戶在經濟上有一定的節省,讓安裝商能夠更輕松方便的安裝。諸多的優勢,讓我們有理由相信鋁合金導體在低壓電力電纜中的應用將會深入人心,以鋁代銅將是一個趨勢,同時在電纜行業中引起一場變革。

參考文獻:

1、  鋁合金及其加工手冊 第二冊 2008

2、  IEC60228-2004,GB3956-2008

3、  GB14315-2008

4、  IEC60502-2004,GB12706-2008

5、  IEC61238-2003, GB9327-2008

6、  銅鋁導體應用的回顧與現狀 北京市建筑設計研究院電氣副總工  楊維迅  

7、  電線電纜行業應重提以鋁代銅 上海電纜研究所信息中心2008電線電纜論壇——聚焦市場與技術(電力與新能源)印永福 吳士敏 蔣強

8、  銅、鋁導體生產的發展趨向及有關問題的探討 <<電線電纜>>2004 03 黃崇祺,

9、  JGJ16-2008 ?民用建筑電氣設計規范?

10、 ASTM B 800-05  AA8000系列鋁合金導體的標準

11、NEC330 美國國家電氣規范

12、Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition 1989 Larry Kirkpatrick

13、Metal Economics Group-Strategic Report , 2004 , Vol . 17 , No . 4

14、 World Metal Statistics , 1992 , 2004

15、Alcan history

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