铜包铝材料的实际应用探讨

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　　摘要：随着铜价的不断攀升，在保证载流相同的情况下，选择铝芯复合材料这样的廉价金属代替价格高昂的纯铜金属，有效降低生产成本，使得电缆企业避免了因生产成本提高而带来的商业风险，同时对铜金属的过分消耗起到了保护作用。铜包铝产品应用效果甚好，可大力推广。
　　关键词：铜包铝材料；铝芯复合材料；电缆企业；电线电缆；铜金属 文献标识码：A
　　中图分类号：TB331 文章编号：1009-2374（2015）19-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.033
　　我国现有的电线电缆材料所选用的内导体主要有铜、铝两种金属。目前大部分企业还是以铜做内导体，但是我国的铜资源相对匮乏，而铝资源却很丰富。20世纪50～70年代中期，在全国范围内推广铝芯线缆，当时铝芯产品的使用量达到了线缆市场份额一半以上，但是到了80年代和90年代，铜铝差价又逐渐缩小。由于铜本身的导电性能就比铝好，使铝芯电缆的推广使用受到
　　阻碍。
　　改革开放以后，特别是近15年来，中国工业基础建设飞速发展，使得发展过程中消耗了大量的铜材，主要应用在输、配、变电设施，家用电器、工业设备、军工产品等方面。因国内铜资源稀缺，其40%～50%的铜材依赖于进口，致使铜价在5年内上涨了4倍，最高时达到了83000元/吨，铜价格的过高给电缆行业带来巨大的压力，企业生产利润骤减，一些企业不得停产、改行，为了适应市场竞争，很大一部分企业竞相偷工减料，给工程用户造成了用电隐患。
　　铜铝间价差的迅速拉大，使铜电缆的经济性失去价格优势，以2008年4月份铜铝价格为例计算，用1万元资金生产铝芯电缆的长度是同规格铜芯电缆长度的10倍之多，可见当今铝芯电缆的经济性相对铜优势非常明显。
　　1 国内外铜包铝线的发展
　　铜包铝线与铜线相比，铝线生产成本低，相对铜生产成本下降20%～40%，市场价格相当稳定，具有良好的腐蚀性，其与锡的可焊性和铜相同，在传输性能上，载流量要比铜好，线损要比铜低；另外连接容易，可靠性好，重量轻，易于安装和运输，克服了铜成本高、价格大起大落等弊端，因此可成为可靠的铜线代替品。在电力行业使用铝芯线缆，可有效降低生产成品，合理规避行业风险。
　　欧美国家早在20世纪60年代就开始研究和应用铜包铝材料，使铜包铝成为继铜铝后的第三种导体。铝本身裸露在空气中极易氧化，产生的氧气膜不易消去，从而严重影响了铝代铜制品的普及率。铜包铝产品开发，带来了铝代铜制品的转机。开发早期，铜包铝制品主要应用在建筑电线和广播电视电缆上。近十来年其产品才在我国开始推广应用，生产技术也日趋成熟，主要用于信号传输线，通讯行业的CATV同轴线缆，铜包铝在电力电缆中的应用不断扩大，为铜包铝电缆的普及起到重要的作用。铜、铝、铜包铝三种导体性能参数对照表如表1所示：
　　表1
　　品名
　　抗拉强度
　　（MPa） 直流电阻率
　　（Ωmm2/m） 延伸率
　　（%） 密度
　　（g/mm3） 比热
　　（AJ/kg℃）
　　铜 205～270 ≤0.018 12%～20% 8.90 0.39×103
　　铝 100～125 ≤0.0285 8%～15% 2.70 0.88×103
　　铜包铝 120～140 ≤0.0268 15% 3.63 0.79×103
　　2 主要生产工艺中的处理方法
　　由于铝金属存在不少力学性能和电学性能缺陷，为了克服这些缺陷，一些大的研发公司开发生产了铜包铝导体（CCA），该导体采用了“包覆焊接拉拔”方法，将高纯度铜带同心地包覆在铝杆线的外表面，通过多道次拉拔及热处理，制成电缆所需要的线径及力学和电学性能技术要求。该导体兼具铜的导电性好、强度高、可焊性强、易加工等优点，具有密度小、铜层密度均匀、高致密性、高延展性等特点，其较之纯铜导体具有重量轻、线质柔软、成本低廉、节约铜资源等明显优势。铜包铝导体可广泛应用于有线电视信号传输线、大容量通讯、网络信号传输线、低压电力电缆产品；将该导体深加工成铜包铝漆包线（CCAW）后，可应用于电感线圈、镇流器线圈、音频线圈、电视机激励偏转线圈等方面；还可以将该导体挤压成铜包铝扁排，可应用于配电柜汇流排、母线槽、大型变压器、电焊机等方面。铜包铝导体的诞生为铜、铝资源的合理搭配利用开创了新纪元，符合国家提倡资源内节约型社会的大政策，由此可见铜包铝具有广泛的市场发展前景。
　　3 实际工程中的应用
　　3.1 影响输送电能的主要要素
　　电线电缆在输送电荷时能力主要取决于导体的材质、截面积大小、电压等级与工作环境温度。同等长度、规格的导体在相同时间内电压越高导体分子间传递的电荷越多即输电能力越强；同等电压不同材质导体的输电能力由材质分子间运动能力决定的，分子运动越活跃即导电能力越强，同等材质截面积越大输电能力越强，工作环境温度越高输电能力越弱，反之越强。研究表明，铜分子的活跃性比铝分子要强得多，由于铜包铝导体外圆是铜，所以在铜包铝导体上电流加大时铜就成了主要传递电荷的主要载体，内芯铝的电荷单位面积上比铜少得多，而且铜包铝电缆更加能体现出导体的集肤效应和邻近效应。
　　3.2 铝芯电缆（铜包铝芯）
　　铝芯电缆最早在英国、美国、日本研究并应用推广，据MBR预计，2015年北美铝线缆的发货量将提高8%～10%。然而在发展中国家还仅仅停留在文字的提倡层面上，在工程招标书中多有体现。在我国依然是铜芯电缆占据大部分市场份额，而铝芯电缆市场份额还不到20%，目前铜价不断飙升，企业为了节省成本引入铝芯线缆，在逐步的推广使用中，铝芯产品的优势越来越明显，这必然会形成铝制产品逐渐取代铜制产品。我国2000多家电机生产企业和7000余家电线电缆生产企业将为铝芯电缆创造一个庞大的市场。电力供应部门已经得到授权，指定在中低电压电缆业使用铝。 　　在这一领域，铜的总体消费量约60多万吨将被铝替代。据《中国电力报》报道：常州供电公司首次成功使用了铝芯电缆，此批规格为500平方毫米、长1640米的10千伏铝芯电缆替代铜芯电缆后，可节约工程投资189万元，只相当于铜芯电缆费用的23%。另外，从国外电缆行业的发展情况看，铝制电缆将应用于航空业，空中客车（Airbus）基于重量因素已经决定部分采用铝制电缆制造A380客机。汽车行业铝制电缆应用也正在研究
　　之中。
　　变压器绕组的铝材替代一个370kVA变压器约使用33吨铜。因为铝只有铜一半的导电性，但是同样只有其重量的1/3，只需要60%铝的重量能达到同样的导电性。在国外，铜和铝的变压器都有供应。然而在中国，目前只有铜变压器。如果铜铝价差继续保持目前的水平或进一步拉大，那么相关产业界将有足够的动力来研制铝变压器，实现对铜制变压器的替代，一旦这种替代变成现实，铝材在此领域的消费份额将较铜具有更大的发展潜力。电子材料行业的铝材将在功率模块中替代
　　铜材。
　　3.3 “铜包铝”使电缆盗贼“失业”
　　用铜包铝取代纯铜电线，可减少70%的铜耗，降低电缆总造价40%。由于“铜包铝”有良好的防盗性能，已成为光明工程的专用电缆。据了解，我国建设工程线缆用铜量占全国的20%，铜包铝电线电缆除了可全面用于建设工程外，其最突出的优势是用于高频通信（有线电视电缆）和电焊机等，因为有比纯铜更优越的性能，已成上述产品的专用电缆。此外，铜包铝电缆还有更为优异的防盗性。据不完全统计，某市每年被盗电缆价值几百万元，间接损失更为惨重，尤其是一些光明工程“屡换屡盗”令人头疼。换上铜包铝电缆，最近虽然也有被盗，但发案率大为降低。由于是铜铝复合材料，回收利用都需要专门设备加工，盗贼无处销赃。
　　事实也证明，铜包铝电缆在全国多处工程实例运用中已经完全代替了铜电缆的性能。全国已有30多家电缆企业在按照自己的企业标准制造铜包铝电力电缆，并且还有继续扩大的趋势。目前，郑州电缆公司、上海盛华电缆集团公司、武汉电缆集团公司、兴乐集团和青岛汉缆集团等都在批量制造铜包铝电力电缆，并且被用户
　　接受。
　　参考文献
　　[1] 龚建华.铜包铝线一种性能优异的CATV电缆内导体材料[A].95国际有线电视技术研讨会论文集[C].1995.
　　[2] 王晓林.铜包铝排包覆焊接的生产研究和质量控制
　　[J].民营科技，2009，（8）.
　　[3] 绝缘电缆的铜包铝导体（英国BS 4009-1973）[S].
　　[4] 戴雅康.通电铜包铝线的质量和性能[A].中电元协光电线缆协会大连“三丝”会议论文集[C].1998.
　　[5] 王跃华，刘吉普.包覆焊接铜包铝线铜带成形研究
　　[J].冶金丛刊，2008，（1）.
　　作者简介：陶君（1979-），女，山东蓬莱人，供职于沈阳理工大学，研究方向：原子与分子物理。
　　（责任编辑：秦逊玉）
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