鋁合金導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

吳振江

摘要：

綜述了國內(nèi)外鋁合金導(dǎo)體的發(fā)展歷程，從資源和經(jīng)濟背景、技術(shù)、工藝和裝備、性能優(yōu)勢、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支持等方面，綜合分析了我國導(dǎo)體材料由銅向鋁合金過渡的原因，闡述了鋁合金導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀并提出了建議。

關(guān)鍵詞：

鋁合金; 導(dǎo)體; 發(fā)展歷程; 銅鋁過渡; 研究現(xiàn)狀

中圖分類號： TG 146.2+1 文獻標(biāo)志碼： A

Development and Situation of Aluminum Alloy Conductor

WU Zhenjiang

（Chuanye Electronic Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201506， China）

Abstract：

Recently，the aluminum alloy conductor is widely used.This paper summarizes the development of the aluminum alloy conductor at home and abroad.Besides，the reasons for the transition from copper to aluminum alloy in our country are comprehensively analyzed from the aspects of resources and economic background，technology，technology and equipment，performance advantages，corresponding standards and regulations support.This paper also describes current research situation of the aluminum alloy conductor and putsforward relevant suggestions.

Keywords：

aluminum alloy; conductor; development; transition from copper to aluminum alloy; current research situation

金屬導(dǎo)體是電線電纜產(chǎn)品的重要組成部分，銅和鋁作為電線電纜導(dǎo)體基礎(chǔ)材料，一直以來都廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的電力工業(yè)[1]。導(dǎo)體材料不僅應(yīng)在性能上滿足應(yīng)用要求，還應(yīng)降低產(chǎn)品成本，從而順應(yīng)資源綜合利用、節(jié)能環(huán)保的時代背景。由于國情不同、工業(yè)技術(shù)水平和科學(xué)研究進程不一，世界各國“以鋁節(jié)銅”的導(dǎo)體材料應(yīng)用趨勢有所不同，但總體上是呈漸進式向前發(fā)展的[2-3]。本文針對電線電纜用鋁合金導(dǎo)體的應(yīng)用發(fā)展歷程及現(xiàn)狀進行綜述。

1 導(dǎo)體材料應(yīng)用發(fā)展歷程

1.1 國外導(dǎo)體材料應(yīng)用發(fā)展歷程

早在19世紀(jì)30年代，美國和加拿大的民用建筑領(lǐng)域就已開始在電力電纜中應(yīng)用純鋁導(dǎo)體，由于純鋁的物理性能、力學(xué)性能和電氣性能存在一定的不足，且當(dāng)時的安裝敷設(shè)工藝尚不完善，應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生事故。二戰(zhàn)后，美國線纜企業(yè)、美國保險商實驗室及有關(guān)研究機構(gòu)開始致力于研發(fā)鋁合金導(dǎo)體。

1968年第一條以8000系鋁合金為導(dǎo)體的電纜研制成功，隨后在美國、加拿大等國家開始推廣，主要應(yīng)用于軍事基地、住宅、公共建筑和風(fēng)電場等場合，生產(chǎn)已經(jīng)規(guī)范化。

1.2 我國導(dǎo)體材料應(yīng)用發(fā)展歷程

建國初期，我國導(dǎo)體制造技術(shù)落后，制造裝備陳舊。改革開放前，銅作為戰(zhàn)略資源被控制使用，民用建筑中所用導(dǎo)體幾乎全部由純鋁制得[4]。鑒于國際和國內(nèi)環(huán)境及國策的要求，我國自1957年提出了“以鋁代銅”的方針，開始對電線電纜行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和改革。從1957年至1973年，開發(fā)了鋁絞線和鋁芯絕緣電線電纜等鋁導(dǎo)體產(chǎn)品，鋁導(dǎo)體的用量占金屬導(dǎo)體總用量的比例超過60%[5]。19世紀(jì)70年代，我國成功研發(fā)了第一條鋁連鑄連軋生產(chǎn)線，為之后開發(fā)新的導(dǎo)體提供了裝備基礎(chǔ)。此后，電線電纜和冶金行業(yè)的研究者共同開發(fā)了稀土優(yōu)化綜合處理生產(chǎn)電工鋁導(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)很好地解決了我國鋁礦含硅量高不利于后續(xù)應(yīng)用的問題，為導(dǎo)體新品種開發(fā)所需的基礎(chǔ)桿材的獲得創(chuàng)造了有利的條件[6-8]。

中國加入WTO后，電解銅進口瓶頸逐漸得以解除。而且，受制于材料特性和相對落后的裝備和生產(chǎn)工藝，純鋁導(dǎo)體在應(yīng)用過程中暴露出諸多不足。首先，純鋁導(dǎo)體的強度低，在安裝敷設(shè)時，反復(fù)彎曲易使其折斷損傷，甚至減少導(dǎo)體的有效截面。其次，電線電纜在應(yīng)用中需要完成大量的中間連接和終端連接，銅和鋁的連接處（如鋁導(dǎo)體與終端的銅連接樁頭）在服役運行過程中極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，鋁線表面生成的白色氧化物，使得連接處接觸電阻增大[9]。當(dāng)時，國內(nèi)的銅鋁過渡接線端子技術(shù)尚不過關(guān)，線路接續(xù)不夠可靠，容易發(fā)生過熱，引發(fā)火災(zāi)。

改革開放后，電力需求增長，線路過載問題日趨突出。而且當(dāng)時絕緣材料的質(zhì)量較差，安裝方法也相對落后，這些因素都增加了短路等供電故障發(fā)生的概率和電氣火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險。由于受當(dāng)時工藝的限制，電纜導(dǎo)體絞合截面最大只能做到240 mm 為了解決不斷增加的用電負(fù)荷帶來的線路容量不足問題，新建工程回路中只能采用多根并聯(lián)的方式，敷設(shè)安裝和運行維護極其不便。隨著對安全問題的日趨重視，國家開始引導(dǎo)采用銅質(zhì)導(dǎo)體，GB 50096—1999《住宅設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定“電氣線路應(yīng)采用符合安全和防火要求的敷設(shè)方式配線，導(dǎo)線應(yīng)采用銅線”[10]。在此背景下，工業(yè)與民用配電中又改用銅質(zhì)導(dǎo)體芯線纜。

近年來，受制于銅資源的儲量和價格，電線電纜的制造成本居高不下。隨著鋁質(zhì)導(dǎo)體制造工藝的不斷完善，生產(chǎn)裝備的不斷改良，銅鋁過渡端子質(zhì)量的大幅提高，鋁質(zhì)導(dǎo)體得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)今，電線電纜行業(yè)在導(dǎo)體材料選擇上提倡“以鋁節(jié)銅”，不再是20世紀(jì)60～80年代在線路中進行“以鋁代銅”，而是指在必須使用銅質(zhì)導(dǎo)體的場合使用銅質(zhì)導(dǎo)體線纜產(chǎn)品，而在既可以使用銅質(zhì)導(dǎo)體又可以使用鋁質(zhì)導(dǎo)體的場合下，推廣使用鋁合金導(dǎo)體[11]。

2 導(dǎo)體材料由銅向鋁合金過渡的原因

2.1 鋁合金導(dǎo)體應(yīng)用是資源節(jié)約和經(jīng)濟發(fā)展的客觀要求

我國每年用于電線電纜行業(yè)的銅高達(dá)500萬t，約占國內(nèi)銅消耗總量的60%[12]。但我國銅資源匱乏，為滿足應(yīng)用需求，每年要進口的銅約占國內(nèi)總消耗量的70%。銅的價格是鋁的3倍以上，銅材占電線電纜產(chǎn)品成本的70%以上，直接導(dǎo)致電線電纜制造業(yè)成本的提高。而近年來，我國原鋁產(chǎn)量始終維持在精銅產(chǎn)量的3倍以上。銅和鋁都具有良好的物理和力學(xué)性能（表1和表2），鋁的熔點和密度比銅低，使其具有更好的可加工性能;通過成分設(shè)計和工藝控制，可使其具有優(yōu)良的綜合性能。在滿足應(yīng)用要求的前提下，利用鋁替代銅，符合資源節(jié)約的時代背景，具有重要意義。

表1 銅和鋁的主要物理性能[13]

Tab.1 Main physical properties of copper and aluminum[13]

表2 銅和鋁的主要力學(xué)性能[14]

Tab.2 Main mechanical properties of

copper and aluminum[14]

2.2 鋁合金導(dǎo)體成分優(yōu)化

以稀土優(yōu)化綜合處理技術(shù)為基礎(chǔ)，國內(nèi)導(dǎo)體制造領(lǐng)域消化吸收美國ASTM B 800—05《電氣用退火及中溫回火8000系鋁合金導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中鋁合金導(dǎo)體成分配比（表3），對導(dǎo)體金屬進行了成分與組織結(jié)構(gòu)的深入研究，使鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電率、力學(xué)性能達(dá)到國際同等水平。

表4為GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》與ASTM B 800-05—2011《電氣用退火及中溫回火8000系鋁合金導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》對于電纜用鋁合金導(dǎo)體力學(xué)性能與電氣性能的規(guī)范要求。由于不同應(yīng)用場合的實際應(yīng)用需求不同，國內(nèi)與國外關(guān)于鋁合金導(dǎo)體力學(xué)性能的要求略有差異。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軟態(tài)導(dǎo)體的抗拉強度為98～159 MPa、伸長率≥10%，該性能指標(biāo)包含了美國標(biāo)準(zhǔn)所述軟態(tài)和硬態(tài)導(dǎo)體的性能指標(biāo);還規(guī)定了強度>185 MPa、伸長率≥1.0%的硬態(tài)導(dǎo)體。

值得注意的是，ASTM B800-05—2011對于鋁合金導(dǎo)體電阻率的要求低于GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》，在力學(xué)性能相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，其規(guī)定的20 ℃時最大電阻率為平均值，與國內(nèi)水平相同，但其單個試驗值要求為2.845 0×10-8 Ω·m（60.6%IACS），低于國內(nèi)水平。而實際生產(chǎn)制造中，我國鋁合金導(dǎo)體的20 ℃電阻率水平普遍已達(dá)到不大于2.758 6×10-8 Ω·m（導(dǎo)電率≥62.5%IACS）的水平。

2.3 鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)工藝和裝備優(yōu)化

為了使鋁合金導(dǎo)體性能更好地滿足應(yīng)用需求，國內(nèi)電線電纜行業(yè)對鋁合金導(dǎo)體制造工藝不斷探究，對生產(chǎn)設(shè)備不斷改良，并積極引進國外先進生產(chǎn)設(shè)備，在優(yōu)化導(dǎo)體材料成分的基礎(chǔ)上配合工藝裝備，初步實現(xiàn)了高性能鋁合金導(dǎo)體的大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)。

為了改善合金熔體質(zhì)量，國內(nèi)鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)廠家綜合考慮熔煉工藝特性和設(shè)備性能，嚴(yán)格控制合金成分和雜質(zhì)含量，合理選擇熔煉溫度、熔煉時間、保溫溫度和保溫時間，并進行在線成分調(diào)整。

熔煉裝備方面，傾動式保溫爐逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保溫精煉爐（圖1）。傾動爐的受熱面積大，熱交換效率高，爐料熔化速度快，可以減少鋁錠氧化和氣體融入鋁液中，從而保證鋁合金熔體的純凈，同時減少鋁合金熔體的燒損，并可以按生產(chǎn)節(jié)奏調(diào)整熔體流量。利用惰性氣體精煉除氣，不僅可以提高精煉效果，且能縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率。

此外，不斷改進優(yōu)化的連鑄連軋生產(chǎn)線（圖2）、分電機傳動式高速鋁合金大拉機（圖3）、輥壓成型單絞機生產(chǎn)線和框式絞線機（圖4）等裝備生產(chǎn)線，為高質(zhì)量鋁合金導(dǎo)體的生產(chǎn)制造提供了裝備基礎(chǔ)，為優(yōu)化的工藝實施創(chuàng)造了有利的條件。

非滑動式鋁合金大拉機主要用于將9.5 mm鋁合金桿拉制成2.2～5.0 mm的鋁合金圓線、各種截面形狀的型線或異形線，其每項拉絲鼓輪配用獨立電機和減速器，采用多電機驅(qū)動技術(shù)，各道傳動比由電氣控制，可調(diào)節(jié)各道拉絲的延伸系數(shù)。表5為非滑動式鋁合金拉絲機主要參數(shù)。表6為電工鋁、鋁合金導(dǎo)體性能對比。

絞線工序是將拉絲工序得到的鋁合金導(dǎo)體單絲經(jīng)過絞線裝備制得具有一定截面積的絞合導(dǎo)線，因此絞線裝備需要具備高生產(chǎn)率、短生產(chǎn)周期、低廢線率、低能耗等特點。

2.4 鋁合金導(dǎo)體性能優(yōu)勢

電工鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電率為61%IACS，力學(xué)性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能差，表面易氧化。

表5 非滑動式鋁合金拉絲機主要參數(shù)

Tab.5 Main parameters of the non-slip aluminum alloy

wire drawing machine

表6 電工鋁及鋁合金導(dǎo)體性能對比[16]

Tab.6 Comparison of performance between electrical

aluminum and aluminum alloy[16]

鋁合金導(dǎo)體與電工鋁導(dǎo)體相比，抗蠕變性強、耐疲勞性好、不易折斷、高溫情況下電阻穩(wěn)定，且退火后具有更高的伸長率，保證了導(dǎo)體服役的安全性。

由于AA8000鋁合金的導(dǎo)電率是銅的61.8%，當(dāng)將鋁合金導(dǎo)體的截面積增大至銅導(dǎo)體截面積的150%時，它們的電氣性能一致，可以實現(xiàn)相同的載流量、電阻和壓損。鋁合金導(dǎo)體的抗拉強度只有銅導(dǎo)體的50%，但其密度只為銅的30.4%，因而即使增大鋁合金導(dǎo)體的截面積至銅導(dǎo)體的150%，其質(zhì)量只是銅導(dǎo)體的45%，優(yōu)勢明顯。

鋁合金導(dǎo)體自2007年進入中國后，越來越多的工程項目開始使用鋁合金導(dǎo)體電纜。至今已有數(shù)千個項目使用到鋁合金導(dǎo)體電纜，經(jīng)濟效益顯著。其中有影響力的項目包括上海世博會配套項目和深圳大運會配套項目等，使得鋁合金電纜在國內(nèi)的應(yīng)用進入了起步階段。

2.5 關(guān)于應(yīng)用鋁合金導(dǎo)體的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)支持

對于鋁合金導(dǎo)體的應(yīng)用，國外，除特殊場所外，IEC標(biāo)準(zhǔn)并未對銅、鋁導(dǎo)體線纜的應(yīng)用場所作出特別規(guī)定，他們更關(guān)注場所使用者是否具有足夠的電氣知識和操作能力。比如，在建筑電氣領(lǐng)域中，絕大多數(shù)的居住者不懂電，也不懂電氣的操作，因此在住宅內(nèi)選用銅導(dǎo)體作為配電支線是必要的。而建筑物外的普通配電主干線通常設(shè)置在電氣豎井或橋架內(nèi)，并由專業(yè)電工管理和操作，在這種場合使用鋁合金導(dǎo)體電纜，是更為理想的選擇?！睹绹鴩译姎庖?guī)范》NEC 2011版中310.106規(guī)定：導(dǎo)體材料除非另有規(guī)定，本規(guī)范中的導(dǎo)體應(yīng)為鋁、銅包鋁或者銅。規(guī)格為8，10和12 A WG的實心鋁導(dǎo)線應(yīng)采用AA-8000系列電工級鋁合金導(dǎo)線材料制作。標(biāo)記為RHH，RHW，XHHW，THW，THHW，THWN，THHN，進戶SE Style U型以及SE Style R型的8AWG至1 000 kcmil絞合鋁導(dǎo)線，應(yīng)采用AA-8000系列電工級鋁合金導(dǎo)線材料制作[17]。

在國內(nèi)，無論是制造規(guī)范還是設(shè)計規(guī)范，對于鋁合金導(dǎo)體的應(yīng)用都做出了明確的規(guī)定。GB/T 3956—2008 IEC 60228：2004，IDT《電纜的導(dǎo)體》中4.1引言：“導(dǎo)體應(yīng)包含以下類型之一：不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線;鋁或鋁合金線?！盙B/T 12706—2008《額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件》中第5條“導(dǎo)體”規(guī)定：“導(dǎo)體應(yīng)是符合GB/T 3956—2008的第1種或第2種鍍金屬層或不鍍金屬層退火銅導(dǎo)體或是鋁或鋁合金導(dǎo)體。或者第5種裸銅導(dǎo)體或鍍金屬層退火銅導(dǎo)體?！盙B/T 31840—2015《額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》中5.1“導(dǎo)體”規(guī)定：“導(dǎo)體應(yīng)是符合GB/T 3956—2008的第2種鋁合金導(dǎo)體?！盙B 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》3.1條“電纜導(dǎo)體材質(zhì) ”中3.1.3規(guī)定：除限于產(chǎn)品僅有銅導(dǎo)體和3.1.1和3.1.2確定應(yīng)選用銅導(dǎo)體的情況外，電纜導(dǎo)體材質(zhì)可選用銅或鋁導(dǎo)體。JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》6.4條“導(dǎo)體及線纜選擇”中6.4.2規(guī)定：“敷設(shè)在電氣豎井內(nèi)的封閉母線、預(yù)制分支電纜、電纜及電源線等供電干線，可選用銅、鋁或合金材質(zhì)的導(dǎo)體?！盌B 11/687—2009《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》6.3.4規(guī)定：“一般場所普通用電負(fù)荷固定安裝的大規(guī)格配電母線或電纜，可選用銅、鋁或合金導(dǎo)體?！?/p>

3 鋁合金導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀

3.1 鋁合金導(dǎo)體力學(xué)性能和導(dǎo)電性能

作為傳輸電能的載體，鋁合金導(dǎo)體追求的最基本的性能是導(dǎo)電性及一定的強度和柔韌性，因此，目前對于鋁合金導(dǎo)體的研究大多集中在如何提高其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能上，而影響這些性能的主要因素是合金的組織。

研究者和制造商主要通過優(yōu)化材料的成分配比和加工工藝來控制合金的組織結(jié)構(gòu)。首先，鋁合金的晶粒不能太細(xì)小;其次，鋁合金組織中，固溶粒子要盡可能少，要有適量的彌散強化相，加工硬化盡可能小。這樣的組織可以保證鋁合金導(dǎo)體在滿足力學(xué)性能要求的同時，具有較高的導(dǎo)電性。鋁合金導(dǎo)體性能的提高是在合金成分優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上通過生產(chǎn)工藝控制來實現(xiàn)的。鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)工藝過程包括熔煉、連鑄連軋、拉拔和熱處理。熔煉工藝是保證導(dǎo)體成分的關(guān)鍵，鑄軋、拉拔、退火是控制變形和確保合金性能的關(guān)鍵。

通過優(yōu)化設(shè)計合金元素的配比，特別是優(yōu)化微合金化稀土元素的配比，配合工藝控制，可在獲得具有合理的抗拉強度的同時，將鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電率提高至63%IACS。

3.2 鋁合金導(dǎo)體的耐腐蝕性能和抗壓入蠕變性能

在實際服役過程中，鋁合金導(dǎo)體的抗壓入蠕變性能、耐腐蝕性能是決定其是否能在電纜中安全可靠應(yīng)用的重要因素，具有重要的研究意義。

當(dāng)前，國內(nèi)外對于金屬材料的抗壓入蠕變性能的研究和檢測尚處于起步階段。為了規(guī)范和引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展，上海電纜研究所組織行業(yè)力量，在全國裸電線標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的組織下，完成了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》的制定。確定以GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》附錄B“抗壓蠕變試驗方法”為檢查依據(jù)進行試驗。試驗方案首先對送檢的8030鋁合金桿進行化學(xué)成分檢測，確認(rèn)其是否符合GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》和ASTM B800-05—2011“8000 Series Aluminum Alloy Wire Electrical Purposes-Annealed and Intermediate Tempers”的標(biāo)準(zhǔn)要求。符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求后，再對8030鋁合金試樣、電工用圓鋁桿A4-1A60試樣、電工用銅線坯T2（R）試樣進行抗壓蠕變試驗，并結(jié)合蠕變曲線、線性擬合、數(shù)據(jù)分析等手段評價其蠕變性能。

關(guān)于鋁質(zhì)導(dǎo)體耐腐蝕性能的研究很多，但大多集中在架空線用鋁質(zhì)導(dǎo)線上，而關(guān)于電力電纜用鋁合金導(dǎo)體腐蝕性能的研究很少。GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》并未對鋁合金導(dǎo)體的連接性能和耐腐蝕性能給出明確的檢驗和評價方法。王建業(yè)等[18]采用鹽霧對鋁合金導(dǎo)線接頭進行循環(huán)腐蝕試驗，研究其導(dǎo)電性的變化。但相關(guān)研究人員對于該試驗看法不一，主要分歧在于試驗關(guān)于實際工況的模擬設(shè)置。在該試驗中，是將裸露的鋁導(dǎo)線與連接端子連接后置于腐蝕環(huán)境中，而電力電纜體在實際應(yīng)用中并非直接裸露于環(huán)境中。應(yīng)以實際運行條件為基礎(chǔ)，深入研究鋁合金導(dǎo)體的關(guān)鍵性能指標(biāo)，確定與實際運行相符、量化、切實可行的性能檢測和表征方法，行之有效地規(guī)范鋁合金導(dǎo)體市場。

圖5 銅鋁電力連接循環(huán)腐蝕電流猝擊試驗

Fig.5 Corrosion and current burst testing of copper

and aluminum electrical power connectors for use

with copper and aluminum conductor

4 結(jié) 語

鋁合金導(dǎo)體的應(yīng)用符合國情和時代背景。優(yōu)化的成分配比、技術(shù)工藝和裝備是制造優(yōu)良鋁合金導(dǎo)體的前提。應(yīng)繼續(xù)深入研究鋁合金導(dǎo)體的關(guān)鍵性能指標(biāo)，并確定檢測和表征方法。

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