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:(7433) 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

  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料制造。”

 

3. 铝合金导体

  3.1 铝合金导体的发展

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;AA6000 Al-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 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。

铝合金

合金名称

美国专利权号

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。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,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

8、  铜、铝导体生产的发展趋向及有关问题的探讨 <<电线电缆>>2004 03 黄崇祺,

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

11、NEC330 美国国家电气规范

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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