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銅鋁復合母線的應用技術探討
時間：：2019-11-08
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由于銅資源的短缺和消費快速增長的矛盾，致使近幾年銅價在全球范圍內出現了前所未有的暴漲。從資源角度分析，未來銅價仍將持續上升，銅材持續的高價，使電控配電設備生產企業成本迅速上升，經營壓力迅速增大。在這種形勢下，促使了導體材料的升級換代。近幾年，市場上已出現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合母線。銅鋁復合母線是一種以鋁為芯體，外層包覆銅的雙金屬復合材料，它是將鋁的高導電性能、低成本資源和銅的高化學穩定性、較低的接觸電阻集于一體，實現低成本節能的一種新型導體材料，這種新型導體材料一進入市場，就受到了電控配電設備生產企業的廣泛關注和推廣應用。本文論述了銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的要求，銅鋁復合母線在電控配電設備中的應用案例以及選用原則。
1銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的要求
在電控配電設備中對載流導體的主要要求是它的載流量和機械強度，具體考核指標就是溫升極限和承受短路電流的能力。對復合材料還必須保證兩種材料的界面結合強度，在剪切、沖孔、折彎時不分層，還要能承受熱脹冷縮時產生的應力破壞。那么銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的這些要求值得研究。
溫升：溫升與導體的導電率（載流量）、截面積及設備散熱條件有關，在設備散熱條件不變的情況下，根據導體導電率選擇合適的截面即可。
動熱穩定：在三相系統中，滿足動穩定的條件是：電動力所產生的應力要小于材料的最大允許應力。
電動力所產生的應力б＝Ｍ/Ｗ
其中：Ｍ為短路電流所產生的力距。在線路結構不變的情況下，Ｍ與導電排兩支撐點之間的距離Ｌ的立方成正比，也就是說，減?。炭蓽p小電動力所產生的力距。Ｗ為導體截面系數，在導體立放時Ｗ＝ｂ２ｈ/６，ｂ為導體厚度，ｈ為導體寬度，增大導體截面，尤其是厚度，即增大了Ｗ，減小了電動力所產生的力距。
由此可見，減小導電排兩支撐點之間的距離，增大導體截面，尤其是厚度，都可滿足動穩定的要求。
至于熱穩定只與導體截面有關，按經濟電流密度選取截面Ｓ后，再校驗滿足熱穩定的最小截面都遠小于Ｓ.
在母線槽和低壓開關柜中，對不同額定電流規格的產品已做過３０kＡ、５０kＡ、６５kＡ、８０kＡ、１００kＡ短路試驗，動熱穩定都能滿足要求。
對于銅鋁復合導體，除了滿足溫升極限和動熱穩定之外，還必須滿足使用要求和壽命要求，具體來說，在進行沖孔、剪切、折彎時銅鋁不分層，在使用環境下熱脹冷縮應力不會破壞銅鋁之間的結合，銅鋁界面不會產生電化腐蝕等。這些問題都與銅鋁之間界面結合強度有關，而界面結合強度與其制造工藝有直接關系，制造工藝方法不同，其界面結合強度不同。
銅和鋁在固態下復合，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，形成原子鍵結合，再經過熱處理擴散，使點結合轉變為面結合，但這種擴散深度有限，復合層很薄，界面結合強度并不高。
銅和鋁固液熔合，即把液態的鋁澆鑄在固態的銅管中，通過銅、鋁接觸面上銅的熔化和銅與鋁之間的擴散實現復合，銅鋁界面形成一層較厚的復合層（約１０多微米），達到較高的界面結合強度。
在電力行業標準《輸變電設備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２中規定了銅鋁界面結合剪切強度不小于３５ＭＰａ，這是最低要求。通常固液復合的銅鋁復合母線在４０ＭＰａ以上。如達到標準要求，在加工時，不會破壞銅鋁結合，在正常使用環境下，熱脹冷縮產生的應力也不會破壞銅鋁界面。
上海理工大學對ＨＴ－ＴＬＭＹ銅鋁復合母線做了０~２００℃，１００次熱循環試驗，測試了試驗前后界面剪切強度，熱循環后，界面結合強度不但沒有下降，而稍有提高，這是因為在這個溫度范圍內，消除了界面由于銅、鋁線脹系數不同而產生的應力，同時也加強了銅鋁之間原子擴散（上海理工大學銅鋁復合母線技術研究報告）。
這說明在這個溫度范圍內使用，熱脹冷縮應力破壞不了銅鋁界面結合。在電控、配電設備中，正常使用溫度不會超出１１０℃．在短路瞬間，標準規定的短路電流在４ｓ之內經過試驗對銅鋁界面結合也沒有影響。
為了驗證長期熱疲勞對銅鋁復合母線的影響，上海電纜研究所對ＨＴ－ＴＬＭＹ銅鋁復合母線依據《額定電壓３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）ＧＢ/Ｔ９３２７及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》做了１０００次熱循環試驗，每次測試溫度達到平衡狀態時的電流、直流電阻、最高溫度，計算初始離散度和平均離散度，從２５０次循環末，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，完全符合標準要求。（機械工業電工材料及特種線纜產品質量監督檢驗中心，報告編號ＭＴＮ２０１０－０２４２）。這個試驗歷時６個多月，充分證實了銅鋁復合母線的使用可靠性。
銅和鋁因電位差大，直接接觸會產生電化腐蝕，銅鋁復合母線會不會產生電化腐蝕，這也是用戶最關心的問題。會不會產生電化腐蝕，取決于銅鋁之間是否存在產生電解質的條件，固液復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，沒有產生和接觸空氣、水汽的條件，因此，不會產生電化腐蝕。
大量應用案例也證實了銅鋁復合母線完全滿足電控、配電設備的要求。
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合排。因此，銅鋁復合母線是成套電氣設備的最佳選擇。
2銅鋁復合母線的應用案例
（1）在全國聯合設計產品中的應用
在中國電器工業協會電控、配電分會組織的全國聯合設計的ＧＣＫ２－４０００Ａ三面樣機中全部采用了北京華北華銅電氣有限公司生產的銅鋁復合母線，通過了型式試驗，試驗全部合格并取得了中國國家強制性產品認證（ＣＣＣ）證書。２００８年６月１６日，中國電器工業協會組織專家對ＧＣＫ２進行了科技成果鑒定，專家們對采用銅鋁復合母線做載流導體給予了高度肯定和評價。在進線柜、饋電柜、抽屜柜中選用的銅鋁復合母線導體截面、重量、成本與銅母線對比如下表。
Ｎ線、ＰＥ線，水平母線選用的銅鋁復合母線與銅母線相同，垂直母線２５００Ａ及以下銅鋁復合母線比銅母線截面選大一個標準規格，４０００Ａ以上需增大５０％，三面柜子載流導體總重量減輕了４４％，成本下降了３８．３１％.
２０１０年在全國聯合設計的２４ＫＶ箱式變電站試驗樣機中導電排采用了北京華北華銅電氣公司的銅鋁復合排。試驗合格。
２０１１年全國聯合設計的母線槽產品中，空氣型６３０Ａ－２０００Ａ，密集型２５００Ａ－７２００Ａ試驗樣機全部由北京華北長城母線槽公司采用蘇州華銅復合材料有限公司生產的銅鋁復合排制作，且試驗全部合格。２０１１年１０月，在中國電器工業協會組織的專家鑒定會上評價為達到“國際先進水平”。
（2）在其它試驗項目中應用
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合母線做導體，在４００Ａ、１０００Ａ、２５００Ａ、５０００Ａ上全系列做了型式試驗，取得了ＣＣＣ證書。銅鋁復合母線選用規格比銅母線大了一個標準規格，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等低壓開關柜上已做了２００多面３Ｃ安全型式試驗。
（3）在工程項目上的運行
從２００８年起，華北長城母線槽公司相繼做了一百多個銅鋁復合排母線槽工程，如北京鳳凰城、廣州林俊汽車內飾廠（日資）、中冶陜西軋輥公司等，中國建設銀行青島支行、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、長春一汽技術中心擴建工程等等都采用了長城公司的銅鋁復合排母線槽。大部分已運行已近五年，沒有出現任何故障，且客戶反映良好。
3銅鋁復合排的選用原則
（1）產品標準
按照國家能源局的計劃，由國網電力科學研究院牽頭，蘇州華銅等企業參加，制訂了電力行業標準《輸變電設備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２。該標準由國家能源局頒布，２０１２年７月１日實施。該標準規定了產品的技術要求、試驗方法、檢驗規則等，為產品的生產、銷售、制定了規范。
（2）選用原則
在選用銅鋁復合母線時必須選用符合標準的產品，否則會帶來風險。
1）沒有按標準進行試驗，產品質量沒有保障；
2）用于３Ｃ認證的產品，不符合認證要求，一經發現，會罰款，甚至拆除。
在國家認可的檢驗機構（ＣＮＡＳ）按照標準要求進行了檢驗的產品，才可以選用中國質量認證中心關于銅鋁復合排的規定。
各檢測機構：對于目前使用銅鋁復合排的低壓成套開關設備，按以下要求實施。
提供的資料要求：由于銅鋁復合排的加工工藝不同、產品的質量也不同，因此需讓企業提供以下資料：
ＣＮＡＳ認可的檢測試驗室一年之內的銅鋁復合排型式試驗報告，報告應符合《輸變電設備用銅包鋁母線》ＤＬ/Ｔ２４７—２０１２電力行業標準。
按《額定電壓３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》ＧＢ/Ｔ９３２７做的１０００次熱循環試驗報告。
滿足以上要求的可將銅鋁復合排用于低壓成套開關設備中。這兩個試驗報告能夠證明銅鋁復合排各項性能、參數符合電力行業標準的要求，而且，使用可靠性有保證。
綜上所述，銅鋁復合母線的研發成功，“以鋁節銅”為國家節約大量緊缺銅材，為電控配電設備生產企業大幅降低成本，是一項利國利民的低成本節能新材料，通過試驗及大量工程運行證明了它的可靠性，在替代銅母線方面存著很大的優勢，并可充分應用于電控配電設備。