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铜、铝、铝合金电缆的前世、今生、将来

作者:销售部来源:原创 日期:2018-06-26

                           铜、铝、铝合金电缆的前世、今生、将来

 人类对铜的使用历史这可以追溯到10000年以前。在伊拉克的北部曾经出土一件8700年前的文物——铜耳杯,中国在4000多年前的夏禹时代就有了青铜器。铜作为导体的应用在18世纪末随着电的发现和应用已经走过了200多年的历史。铝做为一种年轻的金属,在19世纪中期,它被称作“银色的金子”,比黄金还珍贵,直到1886年由美国科学家霍尔独立研究出电解铝法,才开始能够后工业化生产。铝用作导体从1896年开始,英国人科利在博尔顿架设了世界上第一根架空铝绞线。1910年美国铝业协会胡普斯发明了钢芯铝绞线,架设于尼亚加拉大瀑布上空。此后,架空高压输电线逐步被钢芯铝绞线取代。另外,欧美工业发达国家于1910年开始使用铝导体替代铜导体作为配电线。现在,全世界生产的铝约14%用作电工材料。我国电工部门的用铝量约占全国铝消耗总量的三分之一,主要用于高压输电,而配电使用铝导体的比例低于5%。使用铜或者铝做为导体受历史、国情、资源状况等等因素的影响。

 上世纪五十年代,铜价高速攀升,世界电线电缆行业提出以铝代铜,要达到同样的电气性能,铝导体的截面积需要比铜导体大一至两个规格等级或者增大50%。上世纪六、七十年代,我国同样受国情、资源状况、政治因素等原因提出以铝代铜,由于材料技术原因,未能普及铝导体。多年来,国人一直期望能开发出一种可利用铝资源的导体,能继续推行以铝代铜,但始终未能从技术上取得突破,因而一直未能实现这历史性的革命。针对纯铝作为电缆导体存在的众多不足,美国、澳大利亚和加拿大等发达国家率先在这方面做了大量的研究。于20世纪60年末开发出了铝合金[有色商机:ADC12]导体,铝合金导体在北美地区至今已运用近50年的时间,得到美国、澳大利亚和加拿大等发达国家广大用户的一致认可,北美地区90%的民用及商业建筑使用的都是铝合金电缆。2005年迄今我国再次提出以铝代铜,随着科技的进步,这次的以铝代铜应该理解为主要是以铝合金代铜。以铝合金代铜的前景如何呢?我们需要对铝合金、铜和铝的性能有更多的了解。

一、铝、铝合金作为导体材料有其自身优势

1、铝合金、铝和铜一样,一直是IEC和GB规定的导体材料。

2、铝、铝合金做为导体资源丰富

铝和铜相比有其独特优势,铝在地壳中的分布量在全部化学元素中仅次于氧和硅,占第三位,在全部金属元素中占第一位。

3、重量较轻

在电阻值大致相同时,铝、铝合金线芯的质量仅为铜线芯的一半。

4、价格低廉

铝在国际上被广泛应用于电缆、母排、母线槽、变压器等产品领域,据收集资料如下:高压线缆国际上几乎100%使用铝或铝合金导体。而低压铝线缆在北美已基本由铝合金电缆取代。

二、我国曾经有过一段以铝代铜的短暂历史

回顾历史,中国在50——70年代曾经推行过“以铝代铜”的政策。但由于当时的纯铝导体及产品质量的限制,发生事故的概率很大,导致80年代以后,中国的中低压电缆几乎全部使用铜导体。
弃用铝电缆的原因

中国当时所使用的纯铝电缆,被弃用的原因正是纯铝导体的一些物理性能导致故障的概率增大。

1、纯铝导体的抗拉强度、延伸率、柔韧性等机械性能较低,往往会承受不起在安装过程中的牵、拉、弯、折,导致不同程度的损伤,埋下事故隐患。

2、接头易引发火灾,原因不外如下几条:

(1)铝热膨胀率比铜大39%,在与连接器连接时,因长期的热循环而容易产生蠕变、进而产生很大的电阻而引发火灾。
(2)容易在与铜连接器连接处产生电化学腐蚀。
(3)纯铝抗蠕变性能极低

纯铝在受热和受压下容易变形,导致在接头处不能压紧或热循环过程中蠕变、接头产生氧化膜,电阻加急剧增大,这是导致纯铝电缆不安全的重要原因。

如前所述,纯铝由于其机械性能的缺陷,使其无法应用于中低压电缆。所幸的是,铝的最显著特点是它的多功能性,采用不同的合金配方和加工工艺,可以得到物理性能迥异的铝合金材料。铝合金电缆正是解决了上述铝电缆存在的安全隐患,而成为一种理想的解决方案。

三、导体铝合金新材料的解决方案

1、机械性能大幅提高 
抗拉强度约是纯铝的150%,延伸率较纯铝提高约10倍,自重承载力比铜高44%,柔韧性能高于铜的25%,而弯曲半径仅为电缆外径的7倍,连接端子采用先进的铝合金铜摩擦焊接工艺,可解决电化学腐蚀问题,铝合金导体抗蠕变性能较纯铝导体提高300%。

导体铝合金的特殊合金配方与热处理工艺大大提高了金属在受热、受压下的抗蠕变性能,保证了电缆本身连接的稳定性。事实上,这是合金电缆在北美40多年应用中未发生任何故障的重要原因。在美国国家规范中规定中、低压电缆必须采用AA8000系列铝合金而不能采用纯铝电缆。

2、正在研发之中的铝合金电缆应用技术——接头处理技术:

在与所选用的铝合金电缆相同化学成分、电气性能、机械性能、抗压蠕变性能的铝合金铜连接端子产品技术突破、面市之前,国内的铝合金电缆应用,作为过渡解决办法,通常是向用户提供原用于铝电缆连接的铜铝过渡端子和近来某些国内厂家仅为了提高端子导电性能或其它性能而推出的所谓的微合金化合金铜过渡端子(该种微合金铜过渡端子的化学成分、电气性能、机械性能、抗压蠕变性能等与连接的铝合金电缆性能不能匹配)。另外,还要提供专用压接工具来解决目前没有与铝合金电缆性能一致的铝合金铜连接端子的难题。当前明知错误但又无奈而采用的原来用于连接铝电缆的铜铝过渡端子及所谓的高导电或其它性能的微合金化合金铜过渡端子连接方案,即使通过专业检测机构的端子连接1000次热循环测试,并严格按照规范施工,也不能保证解决连接安全问题。因为端子连接1000次热循环测试毕竟是在实验室端子进行规范压接后的实验,且试验时间短,该检测其实无法真正反映铝材料蠕变倾向等特性。若铜铝过渡端子和微合金化合金铜过渡端子连接方案没有经过专业检测机构严格的端子连接1000次热循环测试,没有严格按照规范施工,则安全隐患问题就更严重。

我们知道,铝合金电缆因解决了铝电缆存在的致命安全问题,才体现了铝合金电缆的优势和价值,但目前连接方案中的铜铝连接端子中的铝及微合金化合金铜过渡端子中与铝合金电缆性能不匹配的所谓合金的存在,实际上使铝合金电缆的优势和价值难以体现,这与直接用铝电缆有何区别?毕竟电缆的应用,众所周知,安全问题通常主要都出在连接上。据悉,现针对适用于中国市场亟待解决的与铝合金电缆性能相同的铝合金铜连接端子相关应用技术问题,据一位来自美国铝合金电缆巨头的中国工厂负责人透露,其北美的研发中心正在研究试制之中,近期有望获得技术突破。若技术突破后,铝合金电缆在应用中使用与铝合金电缆性能一致的铝合金铜连接端子,则连接就能安全、稳定、完美。

3、防腐性能 
有时会听到铝耐腐蚀性较差的说法,但这不是事实。在大多数环境条件下,包括在空气、盐水、石油化学和很多化学体系中,铝能显示比铜更优良的抗腐蚀性,其原因是铝表面与空气接触时立即形成的薄、致密、坚固而耐受各种形式腐蚀的氧化膜。这也能解释为什么在许多恶劣环境中,铝比其他金属如铜、钢更耐腐蚀。经合金化处理后的导体铝合金防腐性能更优于纯铝。

四、当新材料导体铝合金解决了原来纯铝的致命性问题之后,它的优势就显现出来:
1、与铜导体一样安全可靠。
2、电缆本体较铜电缆更为经济。
3、由于其重量较轻、柔韧性高等因素,减少了安全施工和运输等费用。

五、资源节约型社会的选择
1、从世界范围看铜铝资源状况
据美国地质调查局资料(USGS)显示,铜元素含量占地壳中元素的含量少于0.01%,而铝元素占地壳元素含量的7.73%以上,在地壳中,铝元素的含量是铜元素含量的1000倍以上。全球铜资源按照目前的消费量,年均增长率3%计算,可供全球再使用32年。而铝资源按目前开采规模(1.4亿吨/年左右)进行计算,现有铝土矿储量可满足世界铝工业近180年的开采需要。
2、国内铜、铝资源状况
2004年至今,我国每年10%左右的铝需要出口,产能严重过剩。与此同时,国家发展改革委员会统计:2004年至2006年,我国每年铜材的缺口超过130万吨。根据2008年中国统计年鉴的数据,2007年我国铜矿及精铜进口452万吨,铜及其制品进口额为271亿美元。我国铜金属市场已经严重依赖进口,中国铜资源严重短缺,目前国内资源供给率不足20%,有目前铜开采数据统计显示,20年内中国铜资源将处于枯竭状态。改变对铜材的严重依赖,成为改变国际供求关系、节约外汇、充分利用国内资源、成为保证电力行业可持续发展的关键。
2005年7月,国务院发出《关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》,特别提出,要积极推进原材料节约,完善资源节约标准。国家发改委、建设部等部门也将资源节约、新材料、新技术推广作为其重要工作。2013年12月,国家工信部已将“以铝(铝合金)代铜”上升为国家战略,明确表态将支持铝合金电缆产业的发展,将其纳入新材料范畴,列入国家《产业调整指导目录》。作为电气工程技术成员,在用铜量占比例巨大的电力传输领域,推广技术成熟的新型合金材料,无疑对建设资源节约型社会具有重大的现实意义。

六、铝导体在电力电缆应用中的问题
60-70年代,全球铜价高速攀升,由于政治因素,铜材作为战略物资受到贸易管制,国内大量采用铝作为输电电缆的主要导体材料,“以铝代铜”成为电气行业普遍遵循的技术政策,选用铜导体电缆需要向政府主管部门报告申请。所以民用建筑的干线,支线都采用纯铝线缆。纯铝导体(AA1350)的缺点主要体现在如下几个方面:
(1)机械强度差,容易折断,
(2)易蠕变,需要经常紧固螺丝
(3)容易过载发热,存在安全隐患
(4)没有很好的解决铜铝过渡连接问题,特别在布电线上。
这些问题不仅仅是国内面临的问题,世界电缆行业也面临同样的问题。随着国际形势的好转,中国改革开放的实施,我们能够方便的从国外大量进口铜资源,而且铜铝之间的价差不大,以铝代铜在国内逐步淡化;与此同时,国外积极研发新的铝合金导体,解决铝合金导体和端子的连接问题,最终美国以及欧洲在配电线路上大量应用铝合金导体。

七、铝合金导体
1、铝合金导体的发展和现状
用作导体的铝合金在六、七十年代由于铜价的高速攀升迎来飞速的发展。在国际铝行业协会的铝合金牌号中,用作导体的铝合金主要有AA1000系列即纯铝,AA6000系列导体,和AA8000系列导体。AA1000系列导体主要用在高压架空线;AA6000Al-Mg-Si(铝镁硅合金)系列导体主要用在高压架空线和铝母排;这两类导体都是以硬态导体存在,接头的连接以焊接为主。AA8000中8176(铝铁锌硅合金)和8030(铝镁铜铁合金)系列是真正用在配电线路上的铝合金。AA8000铝合金配方是核心技术,AA8000铝合金材料的生产要求铝合金电缆制造厂家具备自己有AA8000铝合金配方的自主知识产权,导体铝合金材料熔炼、连铸连轧生产能力,以保证导体铝合金杆材的品质可控,导体铝合金杆材的品质是铝合金电缆产品品质保证的前提。
AA8000系列铝合金技术在不断进步和创新,在六、七十年代及近年来获得一系列专利。
AA8000系列铝合金导体
目前国内五花八门所谓稀土铝合金(研究表明,采用合格的纯铝做基材,添加稀土毫无意义),高导电率铝合金(这种铝合金抗拉强度不合格,以损失抗拉强度来提高导电率)等都非真正正宗的美国技术AA8000铝合金。这些所谓铝合金的技术成熟否?产品能否达已安全运行近50年的AA8000铝合金的真正要求?还需要时间的验证。
AA8000系列合金导体适用于制造10kV(成熟的技术是10KV)及以下电压等级挤包绝缘电力电缆。因制造技术及材质等原因,在10kV以上电压等级,国外也无制造和安全使用经验。故不建议将AA8000系列合金导体用于制造高于10kV以上电压等级挤包绝缘电力电缆。国内有些厂家在未真正了解AA8000系列合金导体技术情况下,盲目制造10kV以上电压等级挤包绝缘电力电缆,这可能在电缆的使用中留下安全隐患。

2、铝合金电缆连接方法 
由于铝合金导体和铜导体的膨胀系数、材料性能不一样,使得铜导体和铝合金导体不宜直接连接。通常采用如下方式,来达到连接的目的。
(1)合金电缆+铝端子(铝端子和镀锡铜排连接时,按照国标提供的力矩值紧固螺丝,并增加碟式垫圈,以便铜铝金属在热胀冷缩时保持铜铝的有效连接),这种连接方案可靠性差。
(2)合金电缆+铜铝过渡端子(端子的铝部分和合金连接,铜部分和铜排连接)或合金电缆+微合金铜过渡端子(因该合金只考虑端子导电或其它性能,与连接的铝合金电缆的化学成分、电气性能、机械性能、抗压蠕变性能等不匹配)。上述连接方式是在无法取得与连接的铝合金电缆性能相匹配的铝合金铜过渡端子的情况下采用的过渡解决方案,但这些方案因为铝或所谓与连接的铝合金电缆性能不匹配的合金存在,即使按照IEC61238-2003或者GB9327-2008做1000次热循环实验,模拟30年的应用(毕竟是实验室的模拟,是在实验室进行端子规范压接后的实验,且试验时间短,其实无法真正反映铝材料蠕变倾向等特性)等,并严格按照规范施工,也无法保证电缆连接和使用的安全性,因为连接端子铝或与电缆性能不匹配的所谓合金材料的存在,所有铝的机械性能、抗蠕变等性能差的问题依然存在,所以这种连接方案可靠性差。
(3)铝合金电缆+与连接的铝合金电缆性能一致的铝合金铜过渡端子(端子的铝合金部分和合金电缆连接,铜部分和终端铜排连接)这种连接是铝合金电缆应用时真正最正确、合理、可靠、最完善的连接方案。

      

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