趙正樹，王炳燕，戴雅康

(大連通發(fā)復(fù)合線纜科技發(fā)展有限公司，遼寧 大連116600)

0 引言

我國自從1997年開發(fā)、生產(chǎn)銅包鋁線以來，在十多年的使用中，充分顯示出銅包鋁線可節(jié)省我國稀缺的銅資源，在線纜行業(yè)實(shí)現(xiàn)“以鋁節(jié)銅”;是降低線纜成本、促進(jìn)線纜行業(yè)持續(xù)發(fā)展的新型導(dǎo)體產(chǎn)品。

近年來，銅包鋁線除應(yīng)用于三網(wǎng)建設(shè)的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體外，國內(nèi)部分電線電纜生產(chǎn)廠家還積極探索將其用于傳輸?shù)皖l電流的各種電線電纜的導(dǎo)體，同樣滿足國家線纜行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求，具有優(yōu)良的電氣特性及使用性能，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有著廣闊的市場前景。

銅包鋁導(dǎo)體與純銅或純鋁導(dǎo)體不同，它是由銅和鋁兩種金屬材料復(fù)合而成，其復(fù)合結(jié)構(gòu)和特性對線纜的使用性能有很大影響。本文著重介紹銅包鋁線復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及在選購和使用現(xiàn)場對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)的方法;并對人們使用銅包鋁導(dǎo)體線纜時的某些顧慮，引用試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行論述和解惑，供選購和使用銅包鋁導(dǎo)體線纜的有關(guān)人員參考。

1 對銅包鋁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的要求及現(xiàn)場檢驗(yàn)方法

銅包鋁導(dǎo)體由純銅和純鋁兩種金屬構(gòu)成，但其結(jié)構(gòu)不是“銅套鋁”，而是銅層與鋁芯界面上的銅、鋁原子在加工過程中依靠原子間的引力及相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合而形成一個整體。這是保證導(dǎo)體在使用過程中具有單一特性的前提，是對銅包鋁線質(zhì)量最基本的要求。

銅包鋁線的生產(chǎn)方法有多種，國內(nèi)最常用的生產(chǎn)方法是包覆焊接－拉拔法。包覆焊接后的銅包鋁線坯要經(jīng)過多道次拉拔，使界面上的銅、鋁原子逐漸靠近。當(dāng)兩者的間距達(dá)到原子間引力所能作用的范圍時，便依靠原子間鍵合力使界面上的銅與鋁原子牢固地結(jié)合在一起。拉拔后的銅包鋁線硬度很高，塑性較差。為了使其軟化，往往要將其加熱到300～350℃、保溫半小時左右進(jìn)行退火處理。在退火加熱過程中，銅、鋁原子動能增加，相互擴(kuò)散，進(jìn)一步提高了界面冶金結(jié)合的強(qiáng)度;同時在界面上形成銅與鋁的脆性化合物層，如圖1所示。在正常退火工藝下，化合物層的厚度約為2～4μm，對銅包鋁線的性能不致產(chǎn)生不良影響。但若退火溫度超過400℃，并且在高溫下保持很長時間，化合物層厚度便很快增加，當(dāng)達(dá)到4μm以上時，將使銅包鋁線的抗拉強(qiáng)度降低，電阻率增大，甚至破壞銅鋁界面的冶金結(jié)合而成為廢品［1］。

圖1 銅鋁界面的化合物層

為了檢驗(yàn)銅包鋁線的冶金結(jié)合的質(zhì)量，GB/T 29197—2012［2］規(guī)定，采用扭轉(zhuǎn)或反復(fù)彎曲的方法將銅包鋁線試樣扭斷或彎斷，從斷口上看銅層與鋁芯線的界面上有沒有分層現(xiàn)象。

在釆購或使用銅包鋁導(dǎo)體線纜時，可從線纜中截取一小段銅包鋁線，用手或手鉗將其反復(fù)彎曲使之折斷，觀察斷口形貌。如果斷口上銅層與鋁芯剝離(如圖2a所示)，表明未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合;如果銅層緊密包覆鋁芯(如圖2b所示)，則表明冶金結(jié)合良好。未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的銅包鋁線是廢品，是不能用于線纜導(dǎo)體的。

圖2 銅包線彎曲斷裂的斷口形貌

2 銅包鋁線的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其現(xiàn)場測試方法

銅包鋁線中銅和鋁所占的體積百分比，是一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般用銅層體積(VCu)占整個銅包鋁線體積(VCCA)的百分比來表示，稱為“銅層體積比”，常用符號r來表示。在GB/T 29197—2012中用“銅層體積比”對銅包鋁線進(jìn)行的分類，分為10%、15%和20%三個檔次。但在實(shí)際生產(chǎn)中由于所選用的原材料尺寸很難正好符合上述三種數(shù)值的要求，因而標(biāo)準(zhǔn)中又對各檔次的銅層體積比數(shù)值規(guī)定了一定的偏差:10%檔次的銅層體積比允許在8%～12%范圍內(nèi)，15%及20%檔次的銅層體積比，分別允許在13%～17%及18%～22%范圍內(nèi)。

由于銅層體積比對銅包鋁線的載流量、力學(xué)性能以及成本和售價有很大影響，因此，在選購和使用銅包鋁導(dǎo)體線纜時，必須檢測銅包鋁線的銅層體積比，看其是否滿足該線纜標(biāo)志中所標(biāo)明的數(shù)值。

在生產(chǎn)廠檢測銅層體積比時，首先測量銅包鋁線的直徑d，然后將銅包鋁線的橫截面磨制成十分平整的“金相試樣”，在足夠放大倍率的讀數(shù)顯微鏡或金相顯微鏡下測量銅層厚度t，然后按下式計(jì)算銅層體積比r值［1］。

但在選購和使用銅包鋁導(dǎo)體線纜的現(xiàn)場，要求用上述方法精確測量銅層厚度，是難以實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，可采用簡易的“溶銅檢測法”來測定。試驗(yàn)方法是:在銅包鋁導(dǎo)體線纜中截取一段長度約為150 mm左右的樣品，扒去絕緣層，取出銅包鋁導(dǎo)體。若導(dǎo)體為絞線，可取其中的一根經(jīng)校直后作為試樣。首先，用精度為0.01 mm的千分尺測量試樣的外徑d，然后將試樣端頭約20 mm處浸入硝酸溶液中。由于銅能溶于硝酸中而鋁不能溶解，因此浸入幾分鐘后就可使銅層全部溶解而將鋁芯線暴露出來。經(jīng)清洗后用千分尺測量鋁芯線的直徑，用以計(jì)算銅層厚度t。根據(jù)所測量的銅包鋁線直徑d及銅層厚度t，用式(1)可計(jì)算出該銅包鋁線的銅層體積比r，以確定銅包鋁導(dǎo)體的檔次。

用“溶銅檢測法”測量銅層厚度較為簡單，但不能反映銅層在導(dǎo)體圓周上的厚度是否均勻。目前我國銅包鋁線大多采用銅帶包覆焊接法生產(chǎn)，可保證銅層厚度的均勻性。因此，用此法測定的銅層體積比不致產(chǎn)生較大的誤差。

3 使用銅包鋁導(dǎo)體線纜幾個顧慮的解惑

3.1 銅包鋁導(dǎo)體線纜在使用過程中溫度發(fā)生變化時，是否會產(chǎn)生銅層與鋁芯伸縮不一致的現(xiàn)象?

眾所周知，金屬受溫度的影響會產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。其伸縮量的大小可用線膨脹系數(shù)來表示。已知銅和鋁的線膨脹系數(shù)分別為17×10－6(1/℃)和24×10－6(1/℃)，兩者相差較大。因此，人們往往對溫度的變化是否會導(dǎo)致銅層與鋁芯長度不相一致而影響使用性能有所顧慮。

對于這個問題，關(guān)鍵在于銅包鋁線的銅和鋁界面是否實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合而形成一個整體。在結(jié)合良好的情況下，銅鋁之間不會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。因此，當(dāng)溫度變化時，銅與鋁的不同伸縮變形量可相互制約與協(xié)調(diào)。例如，銅層體積比為15%的銅包鋁線，其線膨脹系數(shù)為21.9×10－6(1/℃)，介于銅和鋁的線膨脹系數(shù)之間，不會出現(xiàn)兩種金屬伸縮量不一致而產(chǎn)生錯動現(xiàn)象。

3.2 線纜溫度升高是否會使銅包鋁界面上金屬化合物層厚度增加而影響力學(xué)和電學(xué)性能?

前已述及，銅包鋁線在退火加熱過程中，在銅和鋁的界面上會形成硬而脆的銅鋁化合物層?；衔飳拥暮穸戎饕c加熱溫度有關(guān)。圖3所示為加熱溫度與化合物層厚度的關(guān)系［3］。由圖3可見，當(dāng)加熱溫度低于200℃時，界面上幾乎不形成化合物層(或原有化合物層不會增厚)。從200℃開始，溫度愈高，化合物層形成愈快、愈厚。試驗(yàn)表明，化合物層厚度＜4μm時，對銅包鋁線的性能不致產(chǎn)生不良影響。由于銅包鋁導(dǎo)體線纜所允許的長期最高工作溫度，與一般線纜一樣，小于90℃，所以不會增加界面上金屬化合物層的厚度，可放心使用。

圖3 2.0銅包鋁線加熱溫度對化合物層厚度的影響

3.3 銅包鋁導(dǎo)體線纜的連接特性問題

由于鋁的接觸電阻很大，因此，人們往往擔(dān)心銅包鋁導(dǎo)體連接時，是否會增大接觸電阻?圖4所示為各種導(dǎo)體連接時，接觸載荷與接觸電阻關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可見，由于鋁的表面易氧化，鋁/鋁、鋁/銅的接觸電阻較大。銅包鋁線表面是銅，因此，銅包鋁/銅包鋁連接時，大體上與銅/銅連接相似，接觸電阻都較小。這也是銅包鋁導(dǎo)體電纜優(yōu)于鋁導(dǎo)體線電纜的一個重要特點(diǎn)。

銅包鋁線與卷繞式、插入式或螺栓緊固式等銅用連接器長期連接時，其接頭在經(jīng)受冷熱不同溫度的更迭變換會不會喪失穩(wěn)定性?這是人們使用銅包鋁導(dǎo)體線纜的又一顧慮。

圖4 各種導(dǎo)體的接觸載荷與接觸電阻的關(guān)系

對于這個問題，日本早在20世紀(jì)70年代，就將銅包鋁線與不同類型的配線器具連接，并采用不同的連接方式，在規(guī)定電流下進(jìn)行200次通電熱循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，銅包鋁線與所有配線器具連接都具有穩(wěn)定的特性［4］。

近年來我國對銅包鋁母排在用螺栓搭接的情況下，按照GB/T 9327—2010《額定電壓35kV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(yàn)方法和要求》，進(jìn)行了1000次通/斷電熱循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其電阻比率和離散度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求［5］。充分顯示了在鋁芯表面包覆銅層的接觸連接效果，也表明銅包鋁導(dǎo)體采用機(jī)械方式連接是滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求的。

3.4 電化學(xué)腐蝕問題

從銅包鋁橫截面看，銅包鋁線是由一圈銅層包圍鋁芯所形成的，這樣在銅包鋁端面上有銅和鋁兩種金屬，它們具有不同的電極電位。當(dāng)其處于電解質(zhì)溶液中(如溶有CO2或SO2的潮濕介質(zhì))時，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，使鋁遭受腐蝕［6］。這是在敷設(shè)和安裝銅包鋁導(dǎo)體線纜時應(yīng)重視的一個問題。

為了防止線纜端頭由于銅和鋁裸露產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，必須在導(dǎo)體端頭部位涂一層快干漆或?qū)щ娔z加以保護(hù)。

4 結(jié)束語

銅包鋁導(dǎo)體線纜具有優(yōu)良的電氣特性及使用性能，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是市場前景十分廣闊的線纜產(chǎn)品。

銅包鋁導(dǎo)體是由銅和鋁兩種金屬通過界面可靠結(jié)合形成的復(fù)合材料，人們在選購和使用銅包鋁線纜時，一方面應(yīng)掌握銅包鋁導(dǎo)體的銅與鋁界面是否實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合以及銅層體積比檔次的簡易檢測方法;另一方面應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評價銅包鋁線纜的使用性能，采取有效措施解決其在使用中的問題。使銅包鋁導(dǎo)體在線纜行業(yè)中健康有序地發(fā)展。

［1］趙正樹，戴雅康.銅包鋁線退火工藝的試驗(yàn)研究［J］.電線電纜，2011(6):6-8.

［2］GB/T 29197—2012銅包鋁線［S］.

［3］星井清，伊藤吉左右，山口哲夫，等.銅クラツドアルミ線の開発(第2報 電気機(jī)器用導(dǎo)體)［J］.日本藤倉電線技報，1973(48):51-60.

［4］石下がほか.銅被アルミニゥム線の屋內(nèi)配電缐への適用［J］.日立評論，1974(3):85-90.

［5］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.銅鋁復(fù)合母線參考圖集［M］.北京:中國計(jì)劃出版社，2013.

［6］戴雅康，劉丕家，王玉凱.冷壓焊接頭對銅包鋁線使用性能的影響［J］.電線電纜，2009(1):6-9.