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铝合金导体和铜、铝导体的机能比照

 

1 引 言

人类对铜的利用汗青这能够追溯到10000年从前。在伊拉克的北部已经出土一件8700年前的文物——铜耳杯,国外在4000多年前的夏禹时期就有了青铜器。铜作为导体的使用在18世纪末跟着电的发明和使用曾经走过了200多年的汗青。铝做为一种年青的金属,在19世纪中期,它被称作“银色的金子”,比黄金还贵重,直到1886年由美国科学家霍尔自力研讨出电解铝法,才开端可以后工业化消费。铝用作导体从1896年开端,英国人科利在博尔顿架设了世界上第一根排挤铝绞线。1910年美国铝业协会胡普斯发清楚明了钢芯铝绞线,架设于尼亚加拉大瀑布上空。尔后,排挤高压输电线逐渐被钢芯铝绞线代替。另外,西欧产业发达国家於1910年开端利用铝导体替换铜导体作为配电线。如今,全世界消费的铝约14%用作电工材料,世界上在电线中,利用铝比例最高的是美国,到达35%阁下。我国电工部分的用铝量约占天下铝耗损总量的三分之一,次要用于高压输电,而配电利用铝导体的比例低于5%。利用铜大概是铝做为导体受汗青、国情、资本情况等等身分的影响。

上世纪五十年月,铜价高速爬升,世界电线电缆行业提出以铝代铜,要到达一样的电气机能,铝导体的截面积需求比铜导体大两个品级大概增大50%。上世纪六、七十年代,一样缘故原由提出以铝代铜。2005年迄今再次提出以铝代铜,跟着科技的进步,此次的以铝代铜次要是以铝合金代铜。以铝代铜的远景如何呢?我们需求对铝合金、铜和铝的机能有更多的理解。

2 铜铝的比照

2.1 铝与铜的机能比力(20

注:数据来源于《铝合金及其加工手册》第二版

2.2 铜铝导体在电力电缆中的使用

从电缆消费尺度来讲,所有电力电缆制造顺从GB12706.1-2008«额定电压lkV(Um=1.2kV)35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件:1部门:额定电压1kV(Um=1.2kV)3kV(Um=3.6kV)电缆澳门葡亰娱乐网站www.3523.com,此中电缆的导体根据GB/T3956-2008消费。GB/T3956-2008<电缆的导体>中有明白的划定,能够接纳第1种或第2种镀金属层或不镀金属层退火铜导体、铝或铝合金导体。

注:数据来源于《铝合金及其加工手册》第二版

2.3 铝导体在电力电缆使用中的成绩

六、七十年代,全球铜价高速爬升,因为政治身分,铜材作为战略物资遭到商业管束,海内大量接纳铝作为输电电缆的次要导体质料,以铝代铜成为电气行业遍及遵照的手艺政策,选用铜导体电缆需求陈述申请。以是民用建筑的支线,干线都接纳纯铝线缆。纯铝导体(AA1350)的缺陷次要表现在以下几个方面:

1)机器强度差,简单折断,

2)易蠕变,需求常常紧固螺丝

3)简单过载发烧,存在安全隐患

4)没有很好的处理铜铝过渡毗连成绩

  这些成绩不单单是海内面对的成绩,世界电缆行业也面对一样的成绩。跟着国际形势的好转,国外改革开放的施行,我们可以便利的从外洋大量进口铜资本,并且铜铝之间的价差不大,以铝代铜在海内逐渐淡化;与此同时,外洋主动研发新的铝合金导体,处理合金导体和端子的毗连成绩,终极美国以及欧洲在配电线路上大量使用铝合金导体。在美国国度电气标准[5]NEC330.14划定:“81012AWG截面(相当于海内8.37mm2,5.26mm2,3.332mm2)的实心导体应由AA8000系列电工级铝合金质料制造。绞合型导体从8AWG (相当于海内8.37mm2)到1000kcmil(相当于海内506.7mm2)标识为Type RHH, RHW, XHHW, THW, THHW, THWN, THHN, service-entrance Type SE Style U and SE Style R 应由AA-8000系列电工级铝合金导体质料制造。”

3. 铝合金导体

 

3.1 铝合金导体的开展

用作导体的铝合金在六、七十年代因为铜价的高速爬升迎来飞速的开展。在国际铝行业协会的铝合金商标中,用作导体的铝合金次要有AA1000系列即纯铝,AA6000系列导体,和AA8000系列导体。AA1000系列导体次要用在高压排挤线;AA6000 Al-Mg-Si(铝镁硅合金)系列导体次要用在高压排挤线和铝母排;这两类导体都是以硬态导体存在,讨论的毗连以焊接为主。AA8000 Al-Mg-Cu-Fe(铝镁铜铁合金)系列是真正用在配电线路上的软质铝合金。

AA8000系列铝合金在六、七十年代得到一系列专利。

铝合金

合金称号

美国专利权号

ANSI-H35.1

8017

8030

8076

8130

8176

8177

UNS

A98017

A98030

A98076

A98130

A98176

A98177

……

3711339

3697260

……

RE28419

RE30465

……

3.2 AA8000系列导体次要化学成份以下:

铝合金

以质量为根底的化学成份百分比%

ANSI

UNS

其它

(合计)

其它

(合计)

8017

8030

8076

8130

8176

8177

A98017

A98030

A98076

A98130

A98176

A98177

残存

残存

残存

残存

残存

残存

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最大锂含量为0.03

B:最大硅和铁的含量为1.0

C:最大镓含量为0.03

注:数据来源于Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition

3.3 AA8000系列导体与纯铝(AA1350)导体比力

因为增长了铜//镁元素,这些元素在合金中起到十分枢纽的感化:

铜:增长合金在高温时分的电阻稳定性;

铁:抗蠕变性与压紧性提高了280%,制止了因为蠕变惹起的松懈成绩

镁:在一样的界面压力下,可以提高打仗点而具有更高的抗拉强度。

注:数据来源于《铝合金及其加工手册》第二版

1)机器强度,从表上能够看出,和AA1350纯铝导体比拟,AA8000系列导体的抗拉强度约是纯铝的150%,屈从强度约为纯铝的200%

2)抗蠕变性能

在经由过程500小时的蠕变实验中,能够看到,和AA1350纯铝导体比拟,AA8000系列合金的抗蠕变性能约是纯铝的280%,根本到达了和铜导体一样的程度。

3.4 铝合金和铜导体的比照

导体特性

密度    (g/mm3)

熔点    ()

线膨胀系数

电阻率

(Ω*mm2/m)

导电率 IACS%

抗拉强度(MPa)

屈从强度(MPa)

伸长率(%

电工铜(Cu)

8.89

1083

17*10-6

0.017241

100

220-270

60-80

30-45

AA8000铝合金

2.7

660

23*10-6

0.0279

61.8

113.8

53.9

30

比照AA8000铝合金导体和铜导体,发明因为电阻率的差别,它们的IACS差别,AA8000铝合金是铜的61.8%,当我们将铝合金导体的截面积增大两档大概提高到铜导体截面积的150%时,其电气机能分歧。

抗拉强度,铝合金导体只要铜导体的一半(113.8220MPa),因为AA8000铝合金的密度只要铜导体的30.4%,因此即便铝合金导体截面积提高到铜导体截面积的150%,铝合金导体的重量也只要铜导体的45%,这使得铝合金导体的抗拉强度相对铜导体还有必然的优势。

AA8000铝合金导体的屈从靠近于铜导体,从而使得铝合金导体的蠕变性能靠近铜导体的蠕变性能。在断裂伸长率上,铝合金导体和铜导体根本不异。

因为铝合金导体和铜导体的膨胀系数不一样,使得铜导体和铝合金导体不宜间接毗连。我们经由过程以下方法,包管毗连的可靠性。

3.5 毗连可靠性

电力电缆导体用压接型铜、铝接线端子和连接收尺度GB14315-2008曾经正式施行,在该尺度中,也曾经正式将铜铝过渡端子写入尺度,为合金电缆和铜排以及铜的电气设备毗连供给了理论依据。今朝铜铝过渡接纳次要有如下种方法,

(1)       合金电缆+铜铝过渡端子(端子间接和铜排毗连)。

(2)       合金电缆+铝端子(铝端子和镀锡铜排毗连时,根据国标供给的力矩值紧固螺丝,并增长碟式垫圈,以便铜铝金属在热胀冷缩是连结铜铝的有用毗连)。

(3)       合金电缆+铝端子+双金属垫圈(垫圈的铝部门和铝端子毗连,铜部门和铜排毗连)。

这些毗连方法均需求根据IEC61238-2008大概GB9327-20081000次热轮回尝试,模仿30年的使用,包管电缆毗连的可靠性。合金导体无论是在美国佐治亚州供电局仍是上海电缆研究所的热轮回尝试都表白合金电缆的毗连时安全可靠的,尝试陈述数据显现,其毗连的可靠性以至比铜导体的还要不变。

4 铜、铝资本情况

4.1从世界范畴看铜铝资本

据美国地质调查局资料(USGS)显现, 铜元素含量占地壳中元素的含量少于0.01%,而铝元素占地壳元素含量的7.73% ,在地壳中,铝元素的含量是铜元素含量的1000倍以上。全球铜资本根据今朝的消费量,年均增长率 3 %计较,可供全球再利用32年。

而铝资本按今朝开采范围(1.4亿吨/年阁下)停止计较,现有铝土矿储量可满意世界铝产业近180年的开采需求。

4.2 海内铜铝资本情况

2004年至今,我国每一年10%阁下的铝需求出口,产能严峻过剩。与此同时,国度开展变革委员会统计:2004年至2006年,我国每一年铜材的缺口超越130万吨。按照2008年中国统计年鉴的数据,2007年我国铜矿及精铜进口452万吨,铜及其成品进口额为271亿美圆。我国铜金属市场曾经严峻依靠进口,国外对铜材的不竭需求,招致国际铜价不竭上扬,中国企业也以史无前例的热忱走出国门,并购外洋矿企,开采外洋矿山,支出的价格,历经的酸楚,国人记忆犹新。从2004年头至今,铜价曾经上涨超越200%,铝价颠簸并没有铜价猛烈。改动对铜材的严峻依靠,成为改动国际供求关系、节省外汇、充分利用海内资本、包管电力行业可持续发展的枢纽。

国际铝价近六年走势(单元:美圆/吨)   滥觞:伦敦期货交易所


国际铜价近六年走势(单元:美圆/吨)   滥觞:伦敦期货交易所

5 结束语:

因为铝合金导体具有的优良的导电机能和优良的机械性能,改进了铝导体的毗连不可靠、机器强度差、易蠕变等缺陷,在机械性能上和铜导体附近,电气机能经由过程增大截面积和铜导体具有一样的导电才能,在低压配电体系中将获得普遍的使用。铝合金导体在国内市场的推行使用将会使国度节省大量的铜资本,削减国度对外洋铜资本的依赖度,节省大量的外汇,同时让用户在经济上有必然的节流,让安装商可以更轻松便利的安装。诸多的优势,让我们有理由信赖铝合金导体在高压电力电缆中的使用将会不得人心,以铝代铜将是一个趋向,同时在电缆行业中惹起一场变化。

参考文献:

1、  铝合金及其加工手册 第二册 2008

2、  IEC60228-2004GB3956-2008

3、  GB14315-2008

4、  IEC60502-2004GB12706-2008

5、  IEC61238-2003 GB9327-2008

6、  铜铝导体使用的回忆与近况 北京市建筑设计研究院电气副总工  杨维迅  

7、  电线电缆行业应重提以铝代铜 上海电缆研究所信息中心2008电线电缆论坛——聚焦市场与手艺(电力与新能源)印永福 吴士敏 蒋强

8、        铜、铝导体消费的开展趋势及有关成绩的讨论 <<>>2004 03 ,

9、  JGJ16-2008 «民用建筑电气设计规范»

10、              ASTM B 800-05  AA8000系列铝合金导体的尺度

11、    NEC330 美国国度电气标准

12、    Aluminum Electrical Conductor Handbook  Third Edition 1989 Larry Kirkpatrick

13、              澳门葡亰娱乐网站www.3523.com

14、              World Metal Statistics , 1992 , 2004

15、              Alcan history

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