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                铝合金导体和㊣铜、铝导体的性能『对比

                2013-09-22 11:38:52 阅读次数:(9660) 返回列表
                1 引 言

                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Ψ 业发达国家於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,世界上在电线中,使用铝比例最高的是美国◣▃,达到35%左右。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%。使用铜或者是铝做为导体受历史、国情、资源状况等等因卐素的影响。

                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两个等级或ζ 者增大50%。上世纪六、七十年代,同样原因提出↑以铝代铜。2005年迄今再次提出以铝代铜,随着科技的【进步,这次的以铝代铜主要是以铝合金代铜。以铝代铜的前景如何呢?我们需⌒要对铝合金、铜和铝的性能有更多的了解。

                2 铜铝的●对比

                2.1 铝与铜的性能比较(20

                注:数据来源于◆《铝合金█及其加工手册№》第二版

                2.2 铜铝导体在电力电缆中的应用

                从电︽缆生产标准来说,所有电∑ 力电缆制造遵从GB12706.1-2008?额定电压lkV(Um=1.2kV)35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件:1部分:额定电压1kV(Um=1.2kV)3kV(Um=3.6kV)电缆?,其中电缆的导体按照GB/T3956-2008生产。GB/T3956-2008<电缆的导体>中有明确的规定,可以采用⊙第1种或第2种镀金属层或不镀金属层退火∩铜导体、铝或铝合金导体。

                注:数据来源于《铝合金〒及其加工手册》第二版

                2.3 铝导体在电力电缆应用中的问题

                六、七十年代,全球铜价高速攀▅升,由于政治①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报告申请。所以民用建筑的干线,支线都采用①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Ψ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

                  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。在美国国家电气⌒ 规范[5]NEC330.14规定:“81012AWG截面(相当于☆国内8.37mm2,5.26mm2,3.332mm2)的实心导体应由AA8000系列电工级铝合金材料制造。绞合型导体从8AWG (相当于国内8.37mm2)到1000kcmil(相当于国内506.7mm2)标识为Type RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, service-entrance Type SE Style U and SE Style R 应由AA-8000系列电工级铝合金导体材ζ 料制造。”

                 

                3. 铝合金导体

                  3.1 铝合金导体的发展

                用作导体ω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;AA6000 Al-Mg-Si(铝镁〓硅合金)系列ω 导体主要用在高压架空线和铝母排;这两类导体都ω是以硬态导体存在,接头的连接以焊接为主。AA8000 Al-Mg-Cu-Fe(铝镁铜铁合金)系列是真正用在配电线路上的软质铝合金。

                AA8000系列铝合金在六、七〓十年代获得一系列专利①。

                铝合金

                合金名称

                美ぷ国专利权号

                ANSI-H35.1

                8017

                8030

                8076

                8130

                8176

                8177

                UNS

                A98017

                A98030

                A98076

                A98130

                A98176

                A98177

                ……

                3711339

                3697260

                ……

                RE28419

                RE30465

                ……

                3.2 AA8000系列导体主要化学成份如下:

                铝合金

                以质量为基础的化学成份百分比%

                ANSI

                UNS

                其它

                (合计)

                其它

                (合计)

                8017

                8030

                8076

                8130

                8176

                8177

                A98017

                A98030

                A98076

                A98130

                A98176

                A98177

                残余

                残余

                残余

                残余

                残余

                残余

                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最大锂含量为0.03

                B:最大硅和铁的←含量为1.0

                C:最大镓含】量为0.03

                注:数据来源于Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition

                3.3 AA8000系列导体与纯铝▅(AA1350)导体比较

                由于增加了铜//镁元素,这些元素在合金中起到非常关键的作用:

                铜:增加合金在」高温时候的电阻稳定性;

                铁:抗蠕变性与压紧↑性提高了280%,避免了由于蠕变引起◤的松弛问题

                镁:在同样的界面压力下,能够提高接触点而具有更高的抗拉强度。

                注:数据来源于《铝合金及其加工手册》第二版

                1)机械强度,从表上可以看出,和AA1350纯铝导『体相比,AA8000系列导体的抗拉强度约是纯铝的150%,屈服强度约为纯铝的200%

                2)抗蠕变性能□

                在通过500小时的蠕变试验中,可以看到,和AA1350纯铝∑ 导体相比,AA8000系列合金的抗蠕变性能约是纯铝的280%,基本达到了和铜导体同样的水平。

                3.4 铝合金和铜导体的对比

                导体特性

                密度    (g/mm3)

                熔点    ()

                线膨胀系数

                电阻率

                (Ω*mm2/m)

                导电率 IACS%

                抗拉强度(MPa)

                屈服强度(MPa)

                伸长率(%

                电工铜(Cu)

                8.89

                1083

                17*10-6

                0.017241

                100

                220-270

                60-80

                30-45

                AA8000铝合金

                2.7

                660

                23*10-6

                0.0279

                61.8

                113.8

                53.9

                30

                对比AA8000铝合金导体和铜导☆体,发现由于电阻率的不□ 同,它们的IACS不同,AA8000铝合金是铜的▼61.8%,当我们将↙铝合金导体的截面积增大两档或者提高到铜导体截面积的150%时,其电气性能一致。

                抗拉强度,铝合金导体只有◣铜导体的一半(113.8220MPa),由于AA8000铝合金的密度只有铜导ㄨ体的30.4%,因而即使铝合金导体●截面积提高到铜导体截面积的150%,铝合金导体的重量也只有铜导体的45%,这使得铝合金导体的抗拉强度相对于铜导体还有♀一定的优势。

                AA8000铝合金导体的屈服¤接近于铜导体,从而使得铝合金导体的蠕变性能接近铜导体的蠕◤变性能。在断裂伸长率上,铝合金导体和铜导※体基本相同。

                由于铝√合金导体和铜导体的膨胀系数不一样,使得铜导体和铝合金导体不宜直接连接。我们ぷ通过如下方式,保证连接的可靠性。

                3.5 连接可靠性

                电力电缆导体用压接型铜、铝接线端子和连接管标准GB14315-2008已【经正式实施,在▓该标准中,也已经正式将铜铝过渡端▼子写入标准,为合金电①缆和铜排以及铜的电气设备连接提供了理论依据。目前铜铝过渡采用主要有如下种方式,

                (1)合金电缆+铜铝过渡端子(端子直接和铜排连接)。

                (2)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是保持铜铝的有■效连接)。

                (3)合金电缆+铝端子+双金属垫◇圈(垫圈的铝部分和铝端子连接,铜部分和铜排连接)。

                这些连接方式均需要按照IEC61238-2008或者GB9327-20081000次热循环实验,模拟30年的应用,保证电缆】连接的可靠性。合金导体无论是在美国佐治亚州供电局还是上海电〗缆研究所的热循环实验都表明合金∑ 电缆的连接时安全可靠的,实验报告数据显示,其连接的可靠性甚至比铜导体的还要稳定。

                4 铜、铝资源状况

                4.1从世界范∩围看铜铝资源

                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% ,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。

                4.2 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①。与此同时,国@家发展改革委员会统计:2004年至2006年,我ㄨ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,中国对铜材的不〓竭需求,导致国际铜价不断上扬,中国企业也以前所未有的热情走出国门,并购国外矿企,开采国外矿山,付出≡的代价,历经的辛酸,国人历历在目。从2004年初至今,铜价已经上涨超过200%,铝价波动并没有铜价剧烈。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、保证电力行▲业可持续发展的关键。

                5 结束语:

                由于铝合金导体具有的良好的导电性能和优异的机械性能,改善了铝导体的连接不可靠、机械强度差、易蠕变等缺点●,在机械性能上和铜导体相近〇,电气性能通◤过增大截面积和铜导体具有同样的导电能力,在低压配电系统中将得到广泛的应用。铝合金导体在国内市场的推广应用将会使国家节约大量的铜资●源,减少国家对国外铜资〒源的依赖度,节约大量的外汇,同时让用户在经济上有一定的节省,让安装商能够更轻松方便的安装。诸多的优势,让我们有理由相信铝ω合金导体在低压电力电缆中的应用将会深入人心,以铝代铜将是ξ一个趋势,同时在电缆行业中引起一场变革。

                参考文献:

                1、  铝合金及其加工手册 第二册 2008

                2、  IEC60228-2004GB3956-2008

                3、  GB14315-2008

                4、  IEC60502-2004GB12706-2008

                5、  IEC61238-2003 GB9327-2008

                6、  铜铝导♀体应用的回顾与现状 北京市建筑设计研究院电气副总工  杨维迅  

                7、  电线电缆♀行业应重提以铝代铜 上海电缆◆研究所信息中心2008电线电缆论坛——聚焦市场与技术(电力与新能源)印永福 吴士敏 蒋强

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                9、  JGJ16-2008 ?民用↘建筑电气设计规范?

                10、 ASTM B 800-05  AA8000系列铝『合金导体的标准

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