銅、鋁、鋁合金電纜的前世、今生、將來

人類對銅的使用歷史這可以追溯到10000年以前。在伊拉克的北部曾經(jīng)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(dǎo)體的應(yīng)用在18世紀(jì)末隨著電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用已經(jīng)走過了200多年的歷史。鋁做為一種年輕的金屬，在19世紀(jì)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(xué)家霍爾獨立研究出電解鋁法，才開始能夠后工業(yè)化生產(chǎn)。鋁用作導(dǎo)體從1896年開始，英國人科利在博爾頓架設(shè)了世界上第一根架空鋁絞線。1910年美國鋁業(yè)協(xié)會胡普斯發(fā)明了鋼芯鋁絞線，架設(shè)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(yè)發(fā)達國家于1910年開始使用鋁導(dǎo)體替代銅導(dǎo)體作為配電線?，F(xiàn)在，全世界生產(chǎn)的鋁約14%用作電工材料。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(dǎo)體的比例低于5%。使用銅或者鋁做為導(dǎo)體受歷史、國情、資源狀況等等因素的影響。

上世紀(jì)五十年代，銅價高速攀升，世界電線電纜行業(yè)提出以鋁代銅，要達到同樣的電氣性能，鋁導(dǎo)體的截面積需要比銅導(dǎo)體大一至兩個規(guī)格等級或者增大50%。上世紀(jì)六、七十年代，我國同樣受國情、資源狀況、政治因素等原因提出以鋁代銅，由于材料技術(shù)原因，未能普及鋁導(dǎo)體。多年來，國人一直期望能開發(fā)出一種可利用鋁資源的導(dǎo)體，能繼續(xù)推行以鋁代銅，但始終未能從技術(shù)上取得突破，因而一直未能實現(xiàn)這歷史性的革命。針對純鋁作為電纜導(dǎo)體存在的眾多不足，美國、澳大利亞和加拿大等發(fā)達國家率先在這方面做了大量的研究。于20世紀(jì)60年末開發(fā)出了鋁合金[有色商機:ADC12]導(dǎo)體，鋁合金導(dǎo)體在北美地區(qū)至今已運用近50年的時間，得到美國、澳大利亞和加拿大等發(fā)達國家廣大用戶的一致認(rèn)可，北美地區(qū)90%的民用及商業(yè)建筑使用的都是鋁合金電纜。2005年迄今我國再次提出以鋁代銅，隨著科技的進步，這次的以鋁代銅應(yīng)該理解為主要是以鋁合金代銅。以鋁合金代銅的前景如何呢？我們需要對鋁合金、銅和鋁的性能有更多的了解。

一、鋁、鋁合金作為導(dǎo)體材料有其自身優(yōu)勢

1、鋁合金、鋁和銅一樣，一直是IEC和GB規(guī)定的導(dǎo)體材料。

2、鋁、鋁合金做為導(dǎo)體資源豐富

鋁和銅相比有其獨特優(yōu)勢,鋁在地殼中的分布量在全部化學(xué)元素中僅次于氧和硅，占第三位，在全部金屬元素中占第一位。

3、重量較輕

在電阻值大致相同時，鋁、鋁合金線芯的質(zhì)量僅為銅線芯的一半。

4、價格低廉

鋁在國際上被廣泛應(yīng)用于電纜、母排、母線槽、變壓器等產(chǎn)品領(lǐng)域，據(jù)收集資料如下：高壓線纜國際上幾乎100％使用鋁或鋁合金導(dǎo)體。而低壓鋁線纜在北美已基本由鋁合金電纜取代。

二、我國曾經(jīng)有過一段以鋁代銅的短暫歷史

回顧歷史，中國在50——70年代曾經(jīng)推行過“以鋁代銅”的政策。但由于當(dāng)時的純鋁導(dǎo)體及產(chǎn)品質(zhì)量的限制，發(fā)生事故的概率很大，導(dǎo)致80年代以后，中國的中低壓電纜幾乎全部使用銅導(dǎo)體。

棄用鋁電纜的原因

中國當(dāng)時所使用的純鋁電纜，被棄用的原因正是純鋁導(dǎo)體的一些物理性能導(dǎo)致故障的概率增大。

1、純鋁導(dǎo)體的抗拉強度、延伸率、柔韌性等機械性能較低，往往會承受不起在安裝過程中的牽、拉、彎、折，導(dǎo)致不同程度的損傷，埋下事故隱患。

2、接頭易引發(fā)火災(zāi)，原因不外如下幾條：

（1）鋁熱膨脹率比銅大39％，在與連接器連接時，因長期的熱循環(huán)而容易產(chǎn)生蠕變、進而產(chǎn)生很大的電阻而引發(fā)火災(zāi)。

（2）容易在與銅連接器連接處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

（3）純鋁抗蠕變性能極低

純鋁在受熱和受壓下容易變形，導(dǎo)致在接頭處不能壓緊或熱循環(huán)過程中蠕變、接頭產(chǎn)生氧化膜，電阻加急劇增大，這是導(dǎo)致純鋁電纜不安全的重要原因。

如前所述，純鋁由于其機械性能的缺陷，使其無法應(yīng)用于中低壓電纜。所幸的是，鋁的最顯著特點是它的多功能性，采用不同的合金配方和加工工藝，可以得到物理性能迥異的鋁合金材料。鋁合金電纜正是解決了上述鋁電纜存在的安全隱患，而成為一種理想的解決方案。

三、導(dǎo)體鋁合金新材料的解決方案

1、機械性能大幅提高

抗拉強度約是純鋁的150%，延伸率較純鋁提高約10倍，自重承載力比銅高44％，柔韌性能高于銅的25％，而彎曲半徑僅為電纜外徑的7倍，連接端子采用先進的鋁合金銅摩擦焊接工藝，可解決電化學(xué)腐蝕問題，鋁合金導(dǎo)體抗蠕變性能較純鋁導(dǎo)體提高300％。

導(dǎo)體鋁合金的特殊合金配方與熱處理工藝大大提高了金屬在受熱、受壓下的抗蠕變性能，保證了電纜本身連接的穩(wěn)定性。事實上，這是合金電纜在北美40多年應(yīng)用中未發(fā)生任何故障的重要原因。在美國國家規(guī)范中規(guī)定中、低壓電纜必須采用AA8000系列鋁合金而不能采用純鋁電纜。

2、正在研發(fā)之中的鋁合金電纜應(yīng)用技術(shù)——接頭處理技術(shù)：

在與所選用的鋁合金電纜相同化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能的鋁合金銅連接端子產(chǎn)品技術(shù)突破、面市之前，國內(nèi)的鋁合金電纜應(yīng)用，作為過渡解決辦法，通常是向用戶提供原用于鋁電纜連接的銅鋁過渡端子和近來某些國內(nèi)廠家僅為了提高端子導(dǎo)電性能或其它性能而推出的所謂的微合金化合金銅過渡端子（該種微合金銅過渡端子的化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能等與連接的鋁合金電纜性能不能匹配）。另外，還要提供專用壓接工具來解決目前沒有與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子的難題。當(dāng)前明知錯誤但又無奈而采用的原來用于連接鋁電纜的銅鋁過渡端子及所謂的高導(dǎo)電或其它性能的微合金化合金銅過渡端子連接方案，即使通過專業(yè)檢測機構(gòu)的端子連接1000次熱循環(huán)測試，并嚴(yán)格按照規(guī)范施工，也不能保證解決連接安全問題。因為端子連接1000次熱循環(huán)測試畢竟是在實驗室端子進行規(guī)范壓接后的實驗，且試驗時間短，該檢測其實無法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性。若銅鋁過渡端子和微合金化合金銅過渡端子連接方案沒有經(jīng)過專業(yè)檢測機構(gòu)嚴(yán)格的端子連接1000次熱循環(huán)測試，沒有嚴(yán)格按照規(guī)范施工，則安全隱患問題就更嚴(yán)重。


我們知道，鋁合金電纜因解決了鋁電纜存在的致命安全問題，才體現(xiàn)了鋁合金電纜的優(yōu)勢和價值，但目前連接方案中的銅鋁連接端子中的鋁及微合金化合金銅過渡端子中與鋁合金電纜性能不匹配的所謂合金的存在，實際上使鋁合金電纜的優(yōu)勢和價值難以體現(xiàn)，這與直接用鋁電纜有何區(qū)別？畢竟電纜的應(yīng)用，眾所周知，安全問題通常主要都出在連接上。據(jù)悉，現(xiàn)針對適用于中國市場亟待解決的與鋁合金電纜性能相同的鋁合金銅連接端子相關(guān)應(yīng)用技術(shù)問題，據(jù)一位來自美國鋁合金電纜巨頭的中國工廠負(fù)責(zé)人透露，其北美的研發(fā)中心正在研究試制之中，近期有望獲得技術(shù)突破。若技術(shù)突破后，鋁合金電纜在應(yīng)用中使用與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子，則連接就能安全、穩(wěn)定、完美。

3、防腐性能

有時會聽到鋁耐腐蝕性較差的說法，但這不是事實。在大多數(shù)環(huán)境條件下，包括在空氣、鹽水、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示比銅更優(yōu)良的抗腐蝕性，其原因是鋁表面與空氣接觸時立即形成的薄、致密、堅固而耐受各種形式腐蝕的氧化膜。這也能解釋為什么在許多惡劣環(huán)境中，鋁比其他金屬如銅、鋼更耐腐蝕。經(jīng)合金化處理后的導(dǎo)體鋁合金防腐性能更優(yōu)于純鋁。

四、當(dāng)新材料導(dǎo)體鋁合金解決了原來純鋁的致命性問題之后，它的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來：

1、與銅導(dǎo)體一樣安全可靠。

2、電纜本體較銅電纜更為經(jīng)濟。

3、由于其重量較輕、柔韌性高等因素，減少了安全施工和運輸?shù)荣M用。

五、資源節(jié)約型社會的選擇

1、從世界范圍看銅鋁資源狀況

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)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%以上，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(guī)模（1.4億噸/年左右）進行計算，現(xiàn)有鋁土礦儲量可滿足世界鋁工業(yè)近180年的開采需要。

2、國內(nèi)銅、鋁資源狀況

2004年至今，我國每年10%左右的鋁需要出口，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩。與此同時，國家發(fā)展改革委員會統(tǒng)計：2004年至2006年，我國每年銅材的缺口超過130萬噸。根據(jù)2008年中國統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)，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(jīng)嚴(yán)重依賴進口，中國銅資源嚴(yán)重短缺，目前國內(nèi)資源供給率不足20％，有目前銅開采數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，20年內(nèi)中國銅資源將處于枯竭狀態(tài)。改變對銅材的嚴(yán)重依賴，成為改變國際供求關(guān)系、節(jié)約外匯、充分利用國內(nèi)資源、成為保證電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2005年7月，國務(wù)院發(fā)出《關(guān)于做好建設(shè)節(jié)約型社會近期重點工作的通知》，特別提出，要積極推進原材料節(jié)約，完善資源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)。國家發(fā)改委、建設(shè)部等部門也將資源節(jié)約、新材料、新技術(shù)推廣作為其重要工作。2013年12月，國家工信部已將“以鋁（鋁合金）代銅”上升為國家戰(zhàn)略，明確表態(tài)將支持鋁合金電纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其納入新材料范疇，列入國家《產(chǎn)業(yè)調(diào)整指導(dǎo)目錄》。作為電氣工程技術(shù)成員，在用銅量占比例巨大的電力傳輸領(lǐng)域，推廣技術(shù)成熟的新型合金材料，無疑對建設(shè)資源節(jié)約型社會具有重大的現(xiàn)實意義。

六、鋁導(dǎo)體在電力電纜應(yīng)用中的問題

60-70年代，全球銅價高速攀升，由于政治因素，銅材作為戰(zhàn)略物資受到貿(mào)易管制，國內(nèi)大量采用鋁作為輸電電纜的主要導(dǎo)體材料，“以鋁代銅”成為電氣行業(yè)普遍遵循的技術(shù)政策，選用銅導(dǎo)體電纜需要向政府主管部門報告申請。所以民用建筑的干線，支線都采用純鋁線纜。純鋁導(dǎo)體（AA1350）的缺點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）機械強度差，容易折斷，

（2）易蠕變，需要經(jīng)常緊固螺絲

（3）容易過載發(fā)熱，存在安全隱患

（4）沒有很好的解決銅鋁過渡連接問題，特別在布電線上。

這些問題不僅僅是國內(nèi)面臨的問題，世界電纜行業(yè)也面臨同樣的問題。隨著國際形勢的好轉(zhuǎn)，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(nèi)逐步淡化；與此同時，國外積極研發(fā)新的鋁合金導(dǎo)體，解決鋁合金導(dǎo)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(yīng)用鋁合金導(dǎo)體。

七、鋁合金導(dǎo)體

1、鋁合金導(dǎo)體的發(fā)展和現(xiàn)狀

用作導(dǎo)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(fā)展。在國際鋁行業(yè)協(xié)會的鋁合金牌號中，用作導(dǎo)體的鋁合金主要有AA1000系列即純鋁，AA6000系列導(dǎo)體，和AA8000系列導(dǎo)體。AA1000系列導(dǎo)體主要用在高壓架空線；AA6000Al-Mg-Si（鋁鎂硅合金）系列導(dǎo)體主要用在高壓架空線和鋁母排；這兩類導(dǎo)體都是以硬態(tài)導(dǎo)體存在，接頭的連接以焊接為主。AA8000中8176（鋁鐵鋅硅合金）和8030（鋁鎂銅鐵合金）系列是真正用在配電線路上的鋁合金。AA8000鋁合金配方是核心技術(shù)，AA8000鋁合金材料的生產(chǎn)要求鋁合金電纜制造廠家具備自己有AA8000鋁合金配方的自主知識產(chǎn)權(quán)，導(dǎo)體鋁合金材料熔煉、連鑄連軋生產(chǎn)能力，以保證導(dǎo)體鋁合金桿材的品質(zhì)可控，導(dǎo)體鋁合金桿材的品質(zhì)是鋁合金電纜產(chǎn)品品質(zhì)保證的前提。

AA8000系列鋁合金技術(shù)在不斷進步和創(chuàng)新，在六、七十年代及近年來獲得一系列專利。

AA8000系列鋁合金導(dǎo)體

目前國內(nèi)五花八門所謂稀土鋁合金（研究表明，采用合格的純鋁做基材，添加稀土毫無意義），高導(dǎo)電率鋁合金（這種鋁合金抗拉強度不合格，以損失抗拉強度來提高導(dǎo)電率）等都非真正正宗的美國技術(shù)AA8000鋁合金。這些所謂鋁合金的技術(shù)成熟否？產(chǎn)品能否達已安全運行近50年的AA8000鋁合金的真正要求？還需要時間的驗證。

AA8000系列合金導(dǎo)體適用于制造10kV(成熟的技術(shù)是10KV)及以下電壓等級擠包絕緣電力電纜。因制造技術(shù)及材質(zhì)等原因，在10kV以上電壓等級，國外也無制造和安全使用經(jīng)驗。故不建議將AA8000系列合金導(dǎo)體用于制造高于10kV以上電壓等級擠包絕緣電力電纜。國內(nèi)有些廠家在未真正了解AA8000系列合金導(dǎo)體技術(shù)情況下，盲目制造10kV以上電壓等級擠包絕緣電力電纜，這可能在電纜的使用中留下安全隱患。

2、鋁合金電纜連接方法

由于鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)、材料性能不一樣，使得銅導(dǎo)體和鋁合金導(dǎo)體不宜直接連接。通常采用如下方式，來達到連接的目的。

（1）合金電纜+鋁端子（鋁端子和鍍錫銅排連接時，按照國標(biāo)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時保持銅鋁的有效連接），這種連接方案可靠性差。

（2）合金電纜+銅鋁過渡端子（端子的鋁部分和合金連接，銅部分和銅排連接）或合金電纜+微合金銅過渡端子（因該合金只考慮端子導(dǎo)電或其它性能，與連接的鋁合金電纜的化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能等不匹配）。上述連接方式是在無法取得與連接的鋁合金電纜性能相匹配的鋁合金銅過渡端子的情況下采用的過渡解決方案，但這些方案因為鋁或所謂與連接的鋁合金電纜性能不匹配的合金存在，即使按照IEC61238-2003或者GB9327-2008做1000次熱循環(huán)實驗，模擬30年的應(yīng)用(畢竟是實驗室的模擬，是在實驗室進行端子規(guī)范壓接后的實驗，且試驗時間短，其實無法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性)等，并嚴(yán)格按照規(guī)范施工，也無法保證電纜連接和使用的安全性，因為連接端子鋁或與電纜性能不匹配的所謂合金材料的存在，所有鋁的機械性能、抗蠕變等性能差的問題依然存在，所以這種連接方案可靠性差。

（3）鋁合金電纜+與連接的鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅過渡端子（端子的鋁合金部分和合金電纜連接，銅部分和終端銅排連接）這種連接是鋁合金電纜應(yīng)用時真正最正確、合理、可靠、最完善的連接方案。

八、銅、鋁、鋁合金的將來

鋁作為導(dǎo)體材料將在電力中低壓配電各領(lǐng)域逐步淡出，銅導(dǎo)體在中、低壓配電領(lǐng)域也將逐步被導(dǎo)體鋁合金取代。由于鋁合金導(dǎo)體具有的良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機械性能，改善了鋁導(dǎo)體的連接不可靠、機械強度差、易蠕變等缺點，在機械性能上優(yōu)于銅導(dǎo)體，電氣性能通過增大截面積后和銅導(dǎo)體具有同樣的能力，在中、低壓配電系統(tǒng)中將得到廣泛的應(yīng)用。鋁合金導(dǎo)體在國內(nèi)市場的推廣應(yīng)用將會使國家節(jié)約大量的銅資源，減少國家對國外銅資源的依賴度，節(jié)約大量的外匯，同時讓用戶在經(jīng)濟上有一定的節(jié)省，讓安裝商能夠更輕松方便的安裝。諸多的優(yōu)勢，讓我們有理由相信鋁合金導(dǎo)體在中、低壓電力電纜中的應(yīng)用將會深入人心，以鋁合金代銅將是一個趨勢，同時必定在電纜行業(yè)中引起一場變革。
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