銅與鋁合金導體連接可靠性研究及相關替代
2014-12-26 11:48:52
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銅、鋁導體的選擇對我國民用建筑來說,是一個與生命和財產(chǎn)安全息息相關的命題,因此它不容輕視。我國的民用建筑配電電纜每年產(chǎn)值近750億元。每年新增的民用建筑資產(chǎn)逾40000億元。這些建筑物關系到近7億人的生活、工作和用電安全。
有關銅鋁導體的舊話題再次被熱議,是因為近年來出現(xiàn)的鋁合金電纜正嘗試著改變業(yè)內對銅鋁導體性能差異的認識。幾年前銅鋁差價的增大和國外鋁合金電纜進入中國,引發(fā)了以鋁代/節(jié)銅的持續(xù)升溫。通常,產(chǎn)品在市場擴張階段的利潤較高,所以一些本土廠商推出了類似的鋁合金電纜產(chǎn)品。
正值國內“以鋁代銅”、“以鋁節(jié)銅”升溫之際,本文介紹了北美的一項連接可靠性試驗,分析了中國的實際情況,并提出應當理性、謹慎地對待我國民用建筑配電領域的導體選擇。提供更多信息以便設計院和甲方單位參考。
1、試驗概要
2005年,加拿大英屬哥倫比亞電力實驗室負責進行了一項試驗,在同等環(huán)境條件下比較AA8xxx系列鋁合金導體、純銅導體的連接性能。試驗將銅和銅、鋁和銅、鋁和鋁連接的接頭暴露在腐蝕環(huán)境,以大電流短時間試驗2000小時,使其加速老化。
結果表明,鋁合金導體的連接可靠性與全銅連接的可靠性相差甚遠。銅的連接在試驗期間的電阻變化很小,沒有出現(xiàn)報廢的樣本,在本次試驗中表現(xiàn)最好。40%的鋁合金的連接在試驗中因電阻超過設定標準而報廢。
該試驗的英文原文是2005年IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會)發(fā)布的論文。
2、試驗樣本
試驗樣本包括美國線規(guī)19股AWG2/0(接近公制70mm2)銅纜,加拿大的AA8xxx系列18股AWG4/0(接近公制95mm2)鋁合金纜。二者的載流量比較接近。
試驗采用的電纜、接頭及抗氧化劑均為標準的商業(yè)化產(chǎn)品。
3、接頭的安裝
采用壓接及機械式螺栓單孔連接,所有的鋁合金導體的壓接都鍍錫并填充抗氧化劑。接頭安裝在50厘米長的一段導體上,并采取下列安裝程序:
?安裝接頭之前,所有的導體立即擦凈;
?安裝機械接頭的鋁合金導體使用Thomas&BettsContaxCTB8抗氧化劑;
?銅導體和銅接頭不用抗氧化劑;
?壓接式接頭采用Thomas&Betts(Blackburn)TBM5型壓接工具;
?機械式接頭的安裝采用的力矩;
?在每根導體的另一端以焊接方式安裝補償器,使導體的電流試驗和電阻試驗的電流分配更好。
4、試驗內容
試驗包括腐蝕循環(huán)試驗和大電流的猝發(fā)試驗,將腐蝕環(huán)境作用于接頭,呈現(xiàn)接觸電阻隨著試驗進程升高的情景。循環(huán)試驗按下列程序進行:
?在500小時的時間段內進行鹽霧腐蝕循環(huán)試驗;
?在每個500小時時間段內進行電流猝發(fā)試驗;
?腐蝕試驗期間每隔約170小時,以及在每組電流猝發(fā)試驗的前后,讀取每個接頭的直流電阻;
?在總計約2000小時的鹽霧試驗中進行總計4組的鹽霧和電流猝發(fā)試驗。
4.1腐蝕循環(huán)試驗
各組樣本放置在環(huán)境實驗室中的3個PVC架上。導體和接頭按水平排列。接頭部位懸于空氣中。各組樣本的位置定期調換,使其獲得幾近相同的外界條件。每4小時的腐蝕試驗周期包括下列步驟:
?。?)噴放含有用PH值為5.5的硝酸沖淡的風干3%氯化鈉溶液的鹽霧,持續(xù)1小時45分鐘;
?。?)在2小時內將其加熱達到最高700℃,使其變干;
(3)以清潔水清洗15分鐘;
在腐蝕循環(huán)試驗期間,上述步驟不斷重復。
4.2電流猝發(fā)試驗
采用電流猝發(fā)試驗的目的是研究接頭與導體連接的老化。為此,對AWG4/0鋁合金導體采用的電流等級是1750A,對AWG2/0銅導體的采用的是1800A。每次試驗的電流保持在以上等級,使導體的溫度在規(guī)定時間內達到2500℃根據(jù)處于控制導體中央位置的熱電偶試驗,從接近室溫時開始升高到2500℃通常需要施加約50秒的電流。
樣本要通過下列電流猝發(fā)試驗:
?每組10個接頭串聯(lián)起來同時進行電流猝發(fā)試驗;
?控制導體和組裝的接頭串聯(lián)起來。熱電偶裝在每根控制導體的中央,監(jiān)測在電流猝發(fā)試驗期間導體的溫度。
?連續(xù)5次短時間大電流猝發(fā)。每次猝發(fā)間隔中,允許樣本冷卻到400℃。
在每組5次電流猝發(fā)試驗前后,每個樣本的電阻(從補償器到接頭)是在室溫條件下用微歐姆表試驗得出的。