鋁合金導(dǎo)體和銅、鋁導(dǎo)體的性能對(duì)比

1 引　言

人類對(duì)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(shí)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(dú)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(huì)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(dá)國家於1910年開始使用鋁導(dǎo)體替代銅導(dǎo)體作為配電線。現(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(dá)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(jià)高速攀升，世界電線電纜行業(yè)提出以鋁代銅，要達(dá)到同樣的電氣性能，鋁導(dǎo)體的截面積需要比銅導(dǎo)體大兩個(gè)等級(jí)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(jìn)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(duì)鋁合金、銅和鋁的性能有更多的了解。

2 銅鋁的對(duì)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(cè)》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)體按照GB/T3956-2008生產(chǎn)。GB/T3956-2008<電纜的導(dǎo)體>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(cè)》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(jià)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(bào)告申請(qǐng)。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(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)械強(qiáng)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

  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(shí)施，我們能夠方便的從國外大量進(jìn)口銅資源，而且銅鋁之間的價(jià)差不大，以鋁代銅在國內(nèi)逐步淡化；與此同時(shí)，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^[5]NEC330.14規(guī)定：“8，10，12AWG截面（相當(dāng)于國內(nèi)8.37mm²,5.26mm²,3.332mm²）的實(shí)心導(dǎo)體應(yīng)由AA8000系列電工級(jí)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)506.7mm²）標(biāo)識(shí)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(jí)鋁合金導(dǎo)體材料制造?！?/span>

 

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(jià)的高速攀升迎來飛速的發(fā)展。在國際鋁行業(yè)協(xié)會(huì)的鋁合金牌號(hào)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

3.2 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%
ANSI	UNS	鋁	硅	鐵	銅	鎂	鋅	硼	其它 （合計(jì)）	其它 （合計(jì)）
8017 8030 8076 8130 8176 8177	A98017 A98030 A98076 A98130 A98176 A98177	殘余 殘余 殘余 殘余 殘余 殘余	0.10 0.10 0.10 0.15B 0.03-0.15 0.10	0.55-0.8 0.30-0.8 0.6-0.9 0.40-1.0B 0.40-1.0 0.25-0.45	0.10-0.20 0.15-0.30 0.04 0.05-0.15 …… 0.04	0.01-0.05 0.05 0.08-0.22 … … 0.04-0.12	0.05 0.05 0.05 0.10 0.10 0.05	0.04 0.001-0.04 0.04 … … 0.04	0.03A 0.03 0.03 0.03 0.05C 0.03	0.10 0.10 0.10 0.10 0.15 0.10

A：最大鋰含量為0.03

B：最大硅和鐵的含量為1.0

C：最大鎵含量為0.03

注：數(shù)據(jù)來源于Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition

3.3 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(shí)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(diǎn)而具有更高的抗拉強(qiáng)度。

注：數(shù)據(jù)來源于《鋁合金及其加工手冊(cè)》第二版

（1）機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度約是純鋁的150%，屈服強(qiáng)度約為純鋁的200%。

（2）抗蠕變性能

在通過500小時(shí)的蠕變?cè)囼?yàn)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(dá)到了和銅導(dǎo)體同樣的水平。

3.4 鋁合金和銅導(dǎo)體的對(duì)比

導(dǎo)體特性	密度    (g/mm3)	熔點(diǎn)    (℃)	線膨脹系數(shù)	電阻率 (Ω*mm2/m)	導(dǎo)電率 IACS%	抗拉強(qiáng)度(MPa)	屈服強(qiáng)度（MPa)	伸長率（%）
電工銅(Cu)	8.89	1083	17*10-6	0.017241	100	220-270	60-80	30-45
AA8000鋁合金	2.7	660	23*10-6	0.0279	61.8	113.8	53.9	30

對(duì)比AA8000鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)由于電阻率的不同，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(shí)，其電氣性能一致。

抗拉強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)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(shí)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(shí)，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按照IEC61238-2008或者GB9327-2008做1000次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)都表明合金電纜的連接時(shí)安全可靠的，實(shí)驗(yàn)報(bào)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(fèi)量，年均增長率 3 ％計(jì)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(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)有鋁土礦儲(chǔ)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(yán)重過剩。與此同時(shí)，國家發(fā)展改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì)：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(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，2007年我國銅礦及精銅進(jìn)口452萬噸，銅及其制品進(jìn)口額為271億美元。我國銅金屬市場已經(jīng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，中國對(duì)銅材的不竭需求，導(dǎo)致國際銅價(jià)不斷上揚(yáng)，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(jià)，歷經(jīng)的辛酸，國人歷歷在目。從2004年初至今，銅價(jià)已經(jīng)上漲超過200%，鋁價(jià)波動(dòng)并沒有銅價(jià)劇烈。改變對(duì)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、保證電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

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(jī)械性能，改善了鋁導(dǎo)體的連接不可靠、機(jī)械強(qiáng)度差、易蠕變等缺點(diǎn)，在機(jī)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(huì)使國家節(jié)約大量的銅資源，減少國家對(duì)國外銅資源的依賴度，節(jié)約大量的外匯，同時(shí)讓用戶在經(jīng)濟(jì)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)體在低壓電力電纜中的應(yīng)用將會(huì)深入人心，以鋁代銅將是一個(gè)趨勢，同時(shí)在電纜行業(yè)中引起一場變革。

參考文獻(xiàn)：

1、  鋁合金及其加工手冊(cè) 第二冊(cè) 2008

2、  IEC60228-2004，GB3956-2008

3、  GB14315-2008

4、  IEC60502-2004，GB12706-2008

5、  IEC61238-2003， GB9327-2008

6、  銅鋁導(dǎo)體應(yīng)用的回顧與現(xiàn)狀 北京市建筑設(shè)計(jì)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(qiáng)

8、  銅、鋁導(dǎo)體生產(chǎn)的發(fā)展趨向及有關(guān)問題的探討 <<電線電纜>>2004 （03） 黃崇祺,

9、  JGJ16-2008 ?民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范?

10、 ASTM B 800-05  AA8000系列鋁合金導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)

11、NEC330 美國國家電氣規(guī)范

12、Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition 1989 Larry Kirkpatrick

13、Metal Economics Group-Strategic Report , 2004 , Vol . 17 , No . 4

14、 World Metal Statistics , 1992 , 2004

15、Alcan history