鋁合金導(dǎo)體和銅鋁導(dǎo)體的性能對比

1、鋁合金導(dǎo)體和銅、鋁導(dǎo)體的對比摘要：隨著科技的發(fā)展，社會的需要，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，在低壓電力電纜中的應(yīng)用中廣泛代替銅導(dǎo)體。關(guān)鍵詞：鋁合金導(dǎo)體，銅導(dǎo)體，鋁導(dǎo)體，低壓電力電纜，銅、鋁資源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(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

2、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)達國家於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，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(dǎo)體的比例低于5%。使用銅或者是鋁做為導(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

3、積需要比銅導(dǎo)體大兩個等級或者增大50%。上世紀(jì)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(shù)據(jù)來源于鋁合金及其加工手冊第二版2.2 銅鋁導(dǎo)體在電力電纜中的應(yīng)用從電纜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來說，所有電力電纜制造遵從gb12706.1-2008額定電壓lkv(um=1.2kv)到35kv(um=40.5kv)擠包絕緣電力電纜及附件:第1部分:額定電壓1kv(um=1.2kv)和3kv(um=3.6kv)電纜，其中電纜的導(dǎo)體按

4、照gb/t3956-2008生產(chǎn)。gb/t3956-2008中有明確的規(guī)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(dǎo)體、鋁或鋁合金導(dǎo)體。注：數(shù)據(jù)來源于鋁合金及其加工手冊第二版2.3 鋁導(dǎo)體在電力電纜應(yīng)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(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）

5、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(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。在美國國家電氣規(guī)范5nec330.14規(guī)定：“8，10，12awg截面（相當(dāng)于國內(nèi)8.37mm2,5.26mm2,3.332mm2）的實心導(dǎo)體應(yīng)由aa8000系列電工級鋁合金材料制造。絞合型導(dǎo)體從8awg （相當(dāng)于國內(nèi)8.37mm2）到1000kcmil（相當(dāng)于國內(nèi)

6、506.7mm2）標(biāo)識為type rhh, rhw, xhhw, thw, thhw, thwn, thhn, service-entrance type se style u and se style r 應(yīng)由aa-8000系列電工級鋁合金導(dǎo)體材料制造。”3. 鋁合金導(dǎo)體 3.1 鋁合金導(dǎo)體的發(fā)展用作導(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；aa6000 al-mg-si（鋁鎂硅合金）系列導(dǎo)體主要用在高壓架空線和

7、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 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(zhì)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(quán)號ansi-h35.1801780308076813081768177unsa98017a98030a98076a98130a98176a9817737113393697260re28419re304653.2 aa8000系列導(dǎo)體主要化學(xué)成份如下：鋁合金以質(zhì)量為基礎(chǔ)的化學(xué)成份百分比%ansiuns鋁硅鐵銅鎂鋅硼其它（合計）其它（合計）801780308076813081

8、768177a98017a98030a98076a98130a98176a98177殘余殘余殘余殘余殘余殘余0.100.100.100.15b0.03-0.150.100.55-0.80.30-0.80.6-0.90.40-1.0b0.40-1.00.25-0.450.10-0.200.15-0.300.040.05-0.150.040.01-0.050.050.08-0.220.04-0.120.050.050.050.100.100.050.040.001-0.040.040.040.03a0.030.030.030.05c0.030.100.100.100.100.150.10a：最大鋰

9、含量為0.03b：最大硅和鐵的含量為1.0c：最大鎵含量為0.03注：數(shù)據(jù)來源于aluminum electrical conductor handbook third edition3.3 aa8000系列導(dǎo)體與純鋁（aa1350）導(dǎo)體比較由于增加了銅/鐵/鎂元素，這些元素在合金中起到非常關(guān)鍵的作用：銅：增加合金在高溫時候的電阻穩(wěn)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(shù)據(jù)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(dǎo)體相比，aa8000系列導(dǎo)體的抗拉強度約是純鋁

10、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(dǎo)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(dǎo)體同樣的水平。3.4 鋁合金和銅導(dǎo)體的對比導(dǎo)體特性密度 (g/mm3)熔點 ()線膨脹系數(shù)電阻率(*mm2/m)導(dǎo)電率 iacs%抗拉強度(mpa)屈服強度（mpa)伸長率（%）電工銅(cu)8.89108317*10-60.017241100220-27060-8030-45aa8000鋁合金2.766023*10-60.027961.8113.853.930對比aa8000鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)由于

11、電阻率的不同，它們的iacs不同，aa8000鋁合金是銅的61.8%，當(dāng)我們將鋁合金導(dǎo)體的截面積增大兩檔或者提高到銅導(dǎo)體截面積的150%時，其電氣性能一致。抗拉強度，鋁合金導(dǎo)體只有銅導(dǎo)體的一半（113.8：220mpa），由于aa8000鋁合金的密度只有銅導(dǎo)體的30.4%，因而即使鋁合金導(dǎo)體截面積提高到銅導(dǎo)體截面積的150%，鋁合金導(dǎo)體的重量也只有銅導(dǎo)體的45%，這使得鋁合金導(dǎo)體的抗拉強度相對于銅導(dǎo)體還有一定的優(yōu)勢。aa8000鋁合金導(dǎo)體的屈服接近于銅導(dǎo)體，從而使得鋁合金導(dǎo)體的蠕變性能接近銅導(dǎo)體的蠕變性能。在斷裂伸長率上，鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體基本相同。由于鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)不一樣，使得

12、銅導(dǎo)體和鋁合金導(dǎo)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(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管標(biāo)準(zhǔn)gb14315-2008已經(jīng)正式實施，在該標(biāo)準(zhǔn)中，也已經(jīng)正式將銅鋁過渡端子寫入標(biāo)準(zhǔn)，為合金電纜和銅排以及銅的電氣設(shè)備連接提供了理論依據(jù)。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(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

13、按照iec61238-2008或者gb9327-2008做1000次熱循環(huán)實驗，模擬30年的應(yīng)用，保證電纜連接的可靠性。合金導(dǎo)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(huán)實驗都表明合金電纜的連接時安全可靠的，實驗報告數(shù)據(jù)顯示，其連接的可靠性甚至比銅導(dǎo)體的還要穩(wěn)定。4 銅、鋁資源狀況4.1從世界范圍看銅鋁資源據(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% ，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/

14、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。4.2 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)嚴重依賴進口，中國對銅材的不竭需求，導(dǎo)致國際銅價不斷上揚，中國企業(yè)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(jīng)的辛酸，國人歷歷在目。從2004年初至今，銅價已經(jīng)上漲超過200%，鋁價波動并沒有銅價劇烈

15、。改變對銅材的嚴重依賴，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、保證電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。國際鋁價近六年走勢（單位：美元/噸） 來源：倫敦期貨交易所國際銅價近六年走勢（單位：美元/噸） 來源：倫敦期貨交易所5 結(jié)束語：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，在機械性能上和銅導(dǎo)體相近，電氣性能通過增大截面積和銅導(dǎo)體具有同樣的導(dǎo)電能力，在低壓配電系統(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

16、方便的安裝。諸多的優(yōu)勢，讓我們有理由相信鋁合金導(dǎo)體在低壓電力電纜中的應(yīng)用將會深入人心，以鋁代銅將是一個趨勢，同時在電纜行業(yè)中引起一場變革。參考文獻：1、 鋁合金及其加工手冊 第二冊 20082、 iec60228-2004，gb3956-20083、 gb14315-20084、 iec60502-2004，gb12706-20085、 iec61238-2003， gb9327-20086、 銅鋁導(dǎo)體應(yīng)用的回顧與現(xiàn)狀 北京市建筑設(shè)計研究院電氣副總工 楊維迅7、 電線電纜行業(yè)應(yīng)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(shù)（電力與新能源）印永福 吳士敏 蔣強8、 銅、鋁導(dǎo)體生產(chǎn)的發(fā)展趨向及有關(guān)問題的探討 2004 （03） 黃崇祺,9、 jgj16-2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范10、