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無錫通偉電力設(shè)備有限公司
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| 銅鋁復(fù)合母線的應(yīng)用技術(shù)探討 | | 發(fā)布者：admin 發(fā)布時間：2013/3/1 14:22:26 點擊：12038 | 由于銅資源的短缺和消費(fèi)快速增長的矛盾，致使近幾年銅價在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了前所未有的暴漲。從資源角度分析，未來銅價仍將持續(xù)上升，銅材持續(xù)的高價，使電控配電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)成本迅速上升，經(jīng)營壓力迅速增大。在這種形勢下，促使了導(dǎo)體材料的升級換代。近幾年，市場上已出現(xiàn)了用不同工藝方法制造的鍍銅鋁母線，覆銅鋁母線，銅包鋁母線等銅鋁復(fù)合母線。銅鋁復(fù)合母線是一種以鋁為芯體，外層包覆銅的雙金屬復(fù)合材料，它是將鋁的高導(dǎo)電性能、低成本資源和銅的高化學(xué)穩(wěn)定性、較低的接觸電阻集于一體，實現(xiàn)低成本節(jié)能的一種新型導(dǎo)體材料，這種新型導(dǎo)體材料一進(jìn)入市場，就受到了電控配電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用。本文論述了銅鋁復(fù)合母線能否滿足電控配電設(shè)備的要求，銅鋁復(fù)合母線在電控配電設(shè)備中的應(yīng)用案例以及選用原則。
1銅鋁復(fù)合母線能否滿足電控配電設(shè)備的要求
在電控配電設(shè)備中對載流導(dǎo)體的主要要求是它的載流量和機(jī)械強(qiáng)度，具體考核指標(biāo)就是溫升極限和承受短路電流的能力。對復(fù)合材料還必須兩種材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，在剪切、沖孔、折彎時不分層，還要能承受熱脹冷縮時產(chǎn)生的應(yīng)力破壞。那么銅鋁復(fù)合母線能否滿足電控配電設(shè)備的這些要求值得研究。
溫升：溫升與導(dǎo)體的導(dǎo)電率（載流量）、截面積及設(shè)備散熱條件有關(guān)，在設(shè)備散熱條件不變的情況下，根據(jù)導(dǎo)體導(dǎo)電率選擇合適的截面即可。
動熱穩(wěn)定：在三相系統(tǒng)中，滿足動穩(wěn)定的條件是：電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力要小于材料的允許應(yīng)力。
電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力б＝Ｍ/Ｗ
其中：Ｍ為短路電流所產(chǎn)生的力距。在線路結(jié)構(gòu)不變的情況下，Ｍ與導(dǎo)電排兩支撐點之間的距離Ｌ的立方成正比，也就是說，減小Ｌ可減小電動力所產(chǎn)生的力距。Ｗ為導(dǎo)體截面系數(shù)，在導(dǎo)體立放時Ｗ＝ｂ２ｈ/６，ｂ為導(dǎo)體厚度，ｈ為導(dǎo)體寬度，增大導(dǎo)體截面，尤其是厚度，即增大了Ｗ，減小了電動力所產(chǎn)生的力距。
由此可見，減小導(dǎo)電排兩支撐點之間的距離，增大導(dǎo)體截面，尤其是厚度，都可滿足動穩(wěn)定的要求。
至于熱穩(wěn)定只與導(dǎo)體截面有關(guān)，按經(jīng)濟(jì)電流密度選取截面Ｓ后，再校驗滿足熱穩(wěn)定的小截面都遠(yuǎn)小于Ｓ.
在母線槽和低壓開關(guān)柜中，對不同額定電流規(guī)格的產(chǎn)品已做過３０kＡ、５０kＡ、６５kＡ、８０kＡ、１００kＡ短路試驗，動熱穩(wěn)定都能滿足要求。
對于銅鋁復(fù)合導(dǎo)體，除了滿足溫升極限和動熱穩(wěn)定之外，還必須滿足使用要求和壽命要求，具體來說，在進(jìn)行沖孔、剪切、折彎時銅鋁不分層，在使用環(huán)境下熱脹冷縮應(yīng)力不會破壞銅鋁之間的結(jié)合，銅鋁界面不會產(chǎn)生電化腐蝕等。這些問題都與銅鋁之間界面結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)，而界面結(jié)合強(qiáng)度與其制造工藝有直接關(guān)系，制造工藝方法不同，其界面結(jié)合強(qiáng)度不同。
銅和鋁在固態(tài)下復(fù)合，如包覆焊接工藝，軋制壓接工藝，穿套軋制工藝等都是用機(jī)械壓力將銅、鋁壓接在一起，通過壓力激活界面原子，形成原子鍵結(jié)合，再經(jīng)過熱處理擴(kuò)散，使點結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼Y(jié)合，但這種擴(kuò)散深度有限，復(fù)合層很薄，界面結(jié)合強(qiáng)度并不高。
銅和鋁固液熔合，即把液態(tài)的鋁澆鑄在固態(tài)的銅管中，通過銅、鋁接觸面上銅的熔化和銅與鋁之間的擴(kuò)散實現(xiàn)復(fù)合，銅鋁界面形成一層較厚的復(fù)合層（約１０多微米），達(dá)到較高的界面結(jié)合強(qiáng)度。
在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２中規(guī)定了銅鋁界面結(jié)合剪切強(qiáng)度不小于３５ＭＰａ，這是要求。通常固液復(fù)合的銅鋁復(fù)合母線在４０ＭＰａ以上。如達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在加工時，不會破壞銅鋁結(jié)合，在正常使用環(huán)境下，熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力也不會破壞銅鋁界面。
上海理工大學(xué)對ＨＴ－ＴＬＭＹ銅鋁復(fù)合母線做了０~２００℃，１００次熱循環(huán)試驗，測試了試驗前后界面剪切強(qiáng)度，熱循環(huán)后，界面結(jié)合強(qiáng)度不但沒有下降，而稍有提高，這是因為在這個溫度范圍內(nèi)，消除了界面由于銅、鋁線脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力，同時也加強(qiáng)了銅鋁之間原子擴(kuò)散（上海理工大學(xué)銅鋁復(fù)合母線技術(shù)研究報告）。
這說明在這個溫度范圍內(nèi)使用，熱脹冷縮應(yīng)力破壞不了銅鋁界面結(jié)合。在電控、配電設(shè)備中，正常使用溫度不會超出１１０℃．在短路瞬間，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短路電流在４ｓ之內(nèi)經(jīng)過試驗對銅鋁界面結(jié)合也沒有影響。
為了驗證長期熱疲勞對銅鋁復(fù)合母線的影響，上海電纜研究所對ＨＴ－ＴＬＭＹ銅鋁復(fù)合母線依據(jù)《額定電壓３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）ＧＢ/Ｔ９３２７及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接金具試驗方法和要求》做了１０００次熱循環(huán)試驗，每次測試溫度達(dá)到平衡狀態(tài)時的電流、直流電阻、溫度，計算初始離散度和平均離散度，從２５０次循環(huán)末，每隔７５次計算電阻比率比值，直至１０００次末。合格要求：初始離散度和平均離散度≤０．３，電阻比率比值≤２．
華銅銅鋁復(fù)合排ＨＴ－ＴＬＭＹ初始離散度≤０．，２３，平均離散度≤０．１５，電阻比率比值≤１．２９，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。（機(jī)械工業(yè)電工材料及特種線纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，報告編號ＭＴＮ２０１０－０２４２）。這個試驗歷時６個多月，充分證實了銅鋁復(fù)合母線的使用可靠性。
銅和鋁因電位差大，直接接觸會產(chǎn)生電化腐蝕，銅鋁復(fù)合母線會不會產(chǎn)生電化腐蝕，這也是用戶關(guān)心的問題。會不會產(chǎn)生電化腐蝕，取決于銅鋁之間是否存在產(chǎn)生電解質(zhì)的條件，固液復(fù)合工藝在銅鋁之間有一層過渡層，過渡層由銅鋁固溶體和微量化合物組成，沒有產(chǎn)生和接觸空氣、水汽的條件，因此，不會產(chǎn)生電化腐蝕。
大量應(yīng)用案例也證實了銅鋁復(fù)合母線完全滿足電控、配電設(shè)備的要求。
在銅價大幅漲價之后，鋁排母線槽又開始增多，鋁排鍍鋅、鎳、錫之后，表面氧化問題解決了，但鍍層很薄，而且硬度軟的問題沒有解決，使用壽命短，使用可靠性及壽命差，整體效益不如銅鋁復(fù)合排。因此，銅鋁復(fù)合母線是成套電氣設(shè)備的選擇。
2銅鋁復(fù)合母線的應(yīng)用案例
（1）在全國聯(lián)合設(shè)計產(chǎn)品中的應(yīng)用
在中國電器工業(yè)協(xié)會電控、配電分會組織的全國聯(lián)合設(shè)計的ＧＣＫ２－４０００Ａ三面樣機(jī)中全部采用了北京華北華銅電氣有限公司生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合母線，通過了型式試驗，試驗全部合格并取得了中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（ＣＣＣ）證書。２００８年６月１６日，中國電器工業(yè)協(xié)會組織專家對ＧＣＫ２進(jìn)行了科技成果鑒定，專家們對采用銅鋁復(fù)合母線做載流導(dǎo)體給予了高度肯定和評價。在進(jìn)線柜、饋電柜、抽屜柜中選用的銅鋁復(fù)合母線導(dǎo)體截面、重量、成本與銅母線對比如下表。
由表可見，
Ｎ線、ＰＥ線，水平母線選用的銅鋁復(fù)合母線與銅母線相同，垂直母線２５００Ａ及以下銅鋁復(fù)合母線比銅母線截面選大一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，４０００Ａ以上需增大５０％，三面柜子載流導(dǎo)體總重量減輕了４４％，成本下降了３８．３１％.
２０１０年在全國聯(lián)合設(shè)計的２４ＫＶ箱式變電站試驗樣機(jī)中導(dǎo)電排采用了北京華北華銅電氣公司的銅鋁復(fù)合排。試驗合格。
２０１１年全國聯(lián)合設(shè)計的母線槽產(chǎn)品中，空氣型６３０Ａ－２０００Ａ，密集型２５００Ａ－７２００Ａ試驗樣機(jī)全部由北京華北長城母線槽公司采用蘇州華銅復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合排制作，且試驗全部合格。２０１１年１０月，在中國電器工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定會上評價為達(dá)到“國際水平”。
（2）在其它試驗項目中應(yīng)用
２００８年北京華北長城母線槽有限公司在ＣＣＸ１６８ＳＪ系列母線槽上采用銅鋁復(fù)合母線做導(dǎo)體，在４００Ａ、１０００Ａ、２５００Ａ、５０００Ａ上全系列做了型式試驗，取得了ＣＣＣ證書。銅鋁復(fù)合母線選用規(guī)格比銅母線大了一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，但２５００Ａ以下溫升比銅母線槽降低了８~１０Ｋ.
２０１０－２０１２年，天津試驗站、山東試驗站在ＧＧＤ、ＧＣＫ、ＧＣＳ、ＭＮＳ等低壓開關(guān)柜上已做了２００多面３Ｃ安全型式試驗。
（3）在工程項目上的運(yùn)行
從２００８年起，華北長城母線槽公司相繼做了一百多個銅鋁復(fù)合排母線槽工程，如北京鳳凰城、廣州林俊汽車內(nèi)飾廠（日資）、中冶陜西軋輥公司等，中國建設(shè)銀行青島支行、深圳萬景塑料制品廠（意大利獨資）、重慶科技公司生產(chǎn)廠房、北京十里堡西單商城、長春一汽巴勒特鍛造車間、長春一汽技術(shù)中心擴(kuò)建工程等等都采用了長城公司的銅鋁復(fù)合排母線槽。大部分已運(yùn)行已近五年，沒有出現(xiàn)任何故障，且客戶反映良好。
3銅鋁復(fù)合排的選用原則
（1）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)
按照能源局的計劃，由國網(wǎng)電力科學(xué)研究院牽頭，蘇州華銅等企業(yè)參加，制訂了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２。該標(biāo)準(zhǔn)由能源局頒布，２０１２年７月１日實施。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了產(chǎn)品的技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等，為產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售、制定了規(guī)范。
（2）選用原則
在選用銅鋁復(fù)合母線時必須選用符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，否則會帶來風(fēng)險。
1）沒有按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，產(chǎn)品質(zhì)量沒有保障；
2）用于３Ｃ認(rèn)證的產(chǎn)品，不符合認(rèn)證要求，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，會罰款，甚至拆除。
在認(rèn)可的檢驗機(jī)構(gòu)（ＣＮＡＳ）按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了檢驗的產(chǎn)品，才可以選用中國質(zhì)量認(rèn)證中心關(guān)于銅鋁復(fù)合排的規(guī)定。
各檢測機(jī)構(gòu)：對于目前使用銅鋁復(fù)合排的低壓成套開關(guān)設(shè)備，按以下要求實施。
提供的資料要求：由于銅鋁復(fù)合排的加工工藝不同、產(chǎn)品的質(zhì)量也不同，因此需讓企業(yè)提供以下資料：
ＣＮＡＳ認(rèn)可的檢測試驗室一年之內(nèi)的銅鋁復(fù)合排型式試驗報告，報告應(yīng)符合《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７—２０１２電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
按《額定電壓３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接金具試驗方法和要求》ＧＢ/Ｔ９３２７做的１０００次熱循環(huán)試驗報告。
滿足以上要求的可將銅鋁復(fù)合排用于低壓成套開關(guān)設(shè)備中。這兩個試驗報告能夠證明銅鋁復(fù)合排各項性能、參數(shù)符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且，使用可靠性有。
綜上所述，銅鋁復(fù)合母線的研發(fā)成功，“以鋁節(jié)銅”為節(jié)約大量緊缺銅材，為電控配電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)大幅降低成本，是一項利國利民的低成本節(jié)能新材料，通過試驗及大量工程運(yùn)行證明了它的可靠性，在替代銅母線方面存著很大的優(yōu)勢，并可充分應(yīng)用于電控配電設(shè)備。
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