銅鋁復(fù)合母線在低壓成套設(shè)備中的應(yīng)用分析

竇愛林 朱立國 趙亭

摘要：銅鋁復(fù)合材料作為一種新興的電工材料，正在引發(fā)一場(chǎng)由單種金屬向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變的材料革命。從銅鋁復(fù)合母線對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素，關(guān)鍵技術(shù)性能，加工工藝，應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益等方面展開分析。

關(guān)鍵詞：銅鋁復(fù)合；技術(shù)性能；加工工藝

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）13019502

1銅鋁復(fù)合母線對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素

在低壓成套設(shè)備中對(duì)載流導(dǎo)體的主要要求是它的載流量和機(jī)械強(qiáng)度，具體考核指標(biāo)就是溫升和承受短路電流的能力。對(duì)復(fù)合材料還必須保證兩種材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，在剪、沖、折彎工藝加工時(shí)不分層，同時(shí)還要保證復(fù)合材料能承受熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。

導(dǎo)體材料主要影響設(shè)備的溫升和承受短路電流的能力，不同的導(dǎo)體材料，其直流電阻率不同，在相同電流下，達(dá)到所要求的溫升其截面積不同。因此，在相同電流情況下，應(yīng)研究在溫升相同情況下銅鋁復(fù)合母線和銅母線的截面對(duì)應(yīng)關(guān)系。

溫升與導(dǎo)體的直流電阻率、截面及設(shè)備散熱條件有關(guān)，在設(shè)備散熱條件不變的情況下，根據(jù)導(dǎo)體導(dǎo)電率選擇合適的截面即可。下面以銅母線為例，通過牛頓熱計(jì)算公式（PS=KTAτ）計(jì)算在相同的電流等級(jí)相同溫升下，銅鋁復(fù)合母線和銅母線的截面對(duì)應(yīng)關(guān)系。

導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升通過下式計(jì)算：

τ=i2KfRKA=i2KfρLSKA

i2KfR是導(dǎo)體電阻損耗產(chǎn)生的熱量，τKA是通過輻射和對(duì)流散發(fā)的熱量，當(dāng)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量和通過輻射、對(duì)流散發(fā)的熱平衡時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定溫升。

式中：i-試驗(yàn)電流峰值（A）；L-導(dǎo)體長度（m）；

S-導(dǎo)體截面積（m2）；

A-導(dǎo)體表面積（m2）；

Kf-趨膚系數(shù)；

K-總散熱系數(shù)（是輻射和對(duì)流散熱系數(shù)及導(dǎo)體散熱系數(shù)的總和）。

計(jì)算銅母線和銅鋁復(fù)合母線截面比例時(shí)，溫升相同，電流相同，導(dǎo)體長度相同。趨膚系數(shù)Kf，截面較小時(shí)，銅鋁復(fù)合母線與銅母線之間的差異可以不考慮，這里作為常數(shù)進(jìn)行計(jì)算?？偵嵯禂?shù)K是輻射和對(duì)流散熱系數(shù)及導(dǎo)體散熱系數(shù)的總和，銅母線和銅鋁復(fù)合母線的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件相同，輻射和對(duì)流散熱系數(shù)相同，在計(jì)算時(shí)視為常數(shù)。此時(shí)i2KfL/K視為常數(shù)，用F來代表。

導(dǎo)體厚度設(shè)為a，寬度設(shè)為b，截面積S=a×b，散熱表面積A=2（a+b）L，單位長度散熱表面積A=2（a+b）（L=1m）。因此，溫升取決于導(dǎo)體直流電阻率ρ和導(dǎo)體尺寸a和b。

設(shè)銅母線溫升為τT，銅鋁復(fù)合母線溫升為τF，則

τT=FρT2ab（a+b）τF=FρF[2ab（a+b）]F

[ab（a+b）]F為銅鋁復(fù)合母線截面參數(shù)，ab（a+b）為銅母線截面參數(shù)。其中：ρT=001777，ρF=002554，分別是銅母線和銅鋁復(fù)合母線20℃時(shí)的直流電阻率。

通過以上公式，令τT=τF可以計(jì)算出單片母線在同等溫升下、電流相同、導(dǎo)體長度相同的銅母線和銅鋁復(fù)合母線的截面對(duì)應(yīng)關(guān)系：

當(dāng)銅鋁復(fù)合母線與銅母線寬度相同，厚度增加33%；銅鋁復(fù)合母線與銅母線厚度相同，寬度增加20%。

應(yīng)用示例如表1。

表1厚度規(guī)格

序號(hào)TMY規(guī)格（mm×mm）TLMY規(guī)格（mm×mm）

12

16×608×606×80

28×6010.6×608×80

1.寬度相同，厚度增加33%；2.厚度相同，寬度增加20%.

設(shè)備承受短路電流動(dòng)穩(wěn)定的能力，主要取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、絕緣緊固件的材質(zhì)和固定導(dǎo)體的絕緣支撐件間距離L，在三相系統(tǒng)中，滿足動(dòng)熱穩(wěn)定的條件為電動(dòng)力所產(chǎn)生的應(yīng)力要小于材料的最大允許應(yīng)力。

短路電流通過硬母線產(chǎn)生的應(yīng)力σ=M/W

M-短路電流所產(chǎn)生的力距（N·M），當(dāng)跨數(shù)為2時(shí)，M=FL/8，當(dāng)跨數(shù)大于2時(shí)，M=FL/10；

F-中間相最大作用力，F(xiàn)=0.173KX（ip3）2L/D；

KX-導(dǎo)體的形狀系數(shù)；

ip3-三相短路峰值電流（kA）；

W-導(dǎo)體截面系數(shù)（m3），在導(dǎo)體立放時(shí)W=0167a2b（水平放時(shí)W=0167b2a）；

a-導(dǎo)體厚度（m）；

b-導(dǎo)體寬度（m）；

當(dāng)跨數(shù)大于2時(shí)，σ=0.0173KX（ip3）2L2/DW（pa）

通過上式得出導(dǎo)體的電動(dòng)力與導(dǎo)電排兩支撐點(diǎn)之間的距離L的平方成正比，與導(dǎo)體厚度平方成反比。因此在開關(guān)柜中減小導(dǎo)電排兩支撐點(diǎn)之間的距離，用增大導(dǎo)體截面，尤其是加大導(dǎo)體的厚度，可大大提高導(dǎo)電排抗動(dòng)穩(wěn)定的能力。

熱穩(wěn)定只與導(dǎo)體截面有關(guān)。一般情況下，按經(jīng)濟(jì)電流密度選取導(dǎo)體截面后，其熱穩(wěn)定均能滿足要求。

銅鋁復(fù)合導(dǎo)體除了滿足溫升極限和動(dòng)熱穩(wěn)定之外，其銅、鋁之間的界面結(jié)合強(qiáng)度還必須滿足沖孔、折彎加工和克服熱脹冷縮產(chǎn)生應(yīng)力的要求，而界面結(jié)合強(qiáng)度與其制造工藝有直接關(guān)系。制造工藝方法不同，其界面結(jié)合強(qiáng)度不同。

2銅鋁復(fù)合母線的關(guān)鍵技術(shù)性能

2.1銅鋁復(fù)合母線的性能參數(shù)

作為載流導(dǎo)體，銅鋁復(fù)合母線性能參數(shù)有電氣性能和機(jī)械性能。電氣性能可以用20℃時(shí)直流電阻率或載流量來表達(dá)，機(jī)械性能可用抗拉強(qiáng)度、伸長率、彎曲性能和界面結(jié)合強(qiáng)度來表達(dá)。

目前市場(chǎng)上推出的銅鋁復(fù)合母線其技術(shù)性能如表2所示，這些性能參數(shù)界于銅排和鋁排之間。

表2導(dǎo)電材料性能對(duì)比

性能指標(biāo)銅排TMY鋁排LMY銅鋁復(fù)合排TLMY

密度（g/cm3）8.892.73.94

20℃時(shí)電阻率（Ωmm2/m）0.017770.0290.02554

導(dǎo)電率（%IACS）≥97≥59.5≥86

表面性能接觸電阻小，氧化后仍具有導(dǎo)電性，不影響供電安全。表面極易氧化，氧化后形成絕緣層，接頭處易出現(xiàn)故障，即使表面鍍一層金屬，鍍層易脫落，壽命也有限，尤其插接處壽命更短。銅層占整個(gè)截面的20%，表面性能與銅相同，導(dǎo)電率接近于銅排，可以替代銅排。

2.2關(guān)銅鋁復(fù)合母線的關(guān)鍵參數(shù)

銅鋁復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度，是銅鋁復(fù)合排最核心的關(guān)鍵參數(shù)，要大于DL/T247標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（35MPa），如果小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)破壞銅鋁界面結(jié)合，造成電化腐蝕，運(yùn)行中存在嚴(yán)重的故障隱患，發(fā)生擊穿短路，甚至引起電氣火災(zāi)。

銅層體積比，是銅鋁復(fù)合排的關(guān)鍵參數(shù)，在銅鋁復(fù)合母線中銅層越厚，導(dǎo)電率越高，加工難度越大，成本越高。超過一定厚度時(shí)，導(dǎo)電率增加不多，但成本上升較大。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T247給出了體積比為20%，當(dāng)達(dá)到20%時(shí)，其載流量達(dá)到T2銅排的86%，如果小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，將導(dǎo)致載流量減小，增高成套電氣設(shè)備溫升，增大能耗，影響設(shè)備的使用安全。界面結(jié)合強(qiáng)度和銅層截面比例決定了銅鋁復(fù)合母線的各項(xiàng)性能參數(shù)，是銅鋁復(fù)合母線最關(guān)鍵的兩項(xiàng)參數(shù)。

3加工工藝要求

3.1銅鋁復(fù)合排的選用

（1）要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，銅鋁復(fù)合母線應(yīng)有相應(yīng)的有效檢測(cè)報(bào)告、有效的認(rèn)證結(jié)果（檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)必須是經(jīng)國家認(rèn)監(jiān)委認(rèn)可的權(quán)威檢驗(yàn)部門，報(bào)告上有CNAS標(biāo)志）。

（2）銅鋁復(fù)合排的關(guān)鍵參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，銅層截面比為18%-22%，界面結(jié)合強(qiáng)度不小于35MPa。

3.2加工工藝

為了保證在加工中不破壞界面結(jié)合強(qiáng)度，在加工中注意以下事項(xiàng)。

（1）切斷：采用設(shè)備切斷時(shí)不應(yīng)使工件截面中間或兩側(cè)嚴(yán)重變形，造成銅鋁分層。

（2）打孔：采用鉆床鉆孔時(shí)下部要墊板，決不允許懸空；在鉆時(shí)必須用乳液或肥皂水冷卻；在即將要鉆透或鉆透后向上回鉆頭時(shí)，要輕壓輕提，避免底部或頂部的銅鋁分層。

（3）折彎：銅包鋁排折彎時(shí)按下表要求的彎曲柱面直徑進(jìn)行折彎，或者比表內(nèi)尺寸更大，折彎模具的R角應(yīng)根據(jù)材料的厚度及時(shí)調(diào)整。

（4）焊接：

圖1焊接兩邊去掉銅皮情況

①復(fù)合排焊縫兩邊需要各去掉4-6毫米銅皮，使鋁的部分裸露。如圖1所示。

②用交流氬弧焊機(jī)焊接復(fù)合排裸露鋁的部分。

③對(duì)焊縫處進(jìn)行噴砂處理。

④用專用銅熱噴敷機(jī)進(jìn)行噴敷。

⑤對(duì)焊縫處噴敷的銅粉進(jìn)行打磨使其表面光滑平整。

（5）緊固：用螺栓緊固銅包鋁排時(shí)，要用加厚大平衡圈，有蝶簧時(shí)，蝶簧內(nèi)要墊一層2～3mm厚鋼板，以分散在銅包鋁排上的壓力，緊固力矩應(yīng)符合GBJ149-90要求。

4應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)分析

以全國聯(lián)合設(shè)計(jì)新產(chǎn)品-GCK低壓成套開關(guān)設(shè)備為例，在進(jìn)線柜為4000A的三面樣機(jī)中全部采用了華銅公司生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合母線。表3給出了GCK低壓成套開關(guān)設(shè)備中在進(jìn)線柜、饋電柜、抽屜柜中銅鋁復(fù)合母線與選用銅母線的對(duì)比情況。

表3配電柜單元中母線比較

配電柜單元TLMY規(guī)格長度（m）重量（kg）TLMY規(guī)格長度（m）重量（kg）

進(jìn)線柜

4000A

水平母線相線3×3×10×1202.4100.33×310×1202.4226.56

N線2×10×1002.412.342×10×1002.441.80

PE線10×1002.49.2510×1002.420.90

垂直母線相線3×6×10×1002.4194.323×4×10×1002.4250.82

N線2×10×1002.116.192×10×1002.136.58

饋電柜2500A垂直母線

相線3×2×10×1201.644.583×2×10×1001.683.61

N線10×1002.18.0910×1002.118.29

饋電柜1600A垂直母線相線3×2×10×801.425.773×2×10×601.443.25

饋電柜630A垂直母線相線3×10×601.46.483×10×501.417.89

抽屜柜1250A垂直母線

相線3×6×120216.843×6×100231.63

N線3×10×800.54.63×10×600.57.72

PE線10×602.25.0110×602.211.33

合計(jì)443.77790.38

成本2.44萬元3.48萬元

電解銅價(jià)格以4萬元/噸計(jì)算，三面柜子載流導(dǎo)體總重量減輕了44%，成本下降了30%。

參考文獻(xiàn)

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