铜铝复合母线的应用技术探讨

核心提示：文章论述了电控配电设备对铜铝复合母线的要求，铜铝复合母线的应用案例及选用原则。由于铜资源的短缺和消费快速增长的矛盾，致使近几年铜价在全球范围内出现了前所未有的暴涨。从资源角度分析，未来铜价仍将持续上升，铜材持续的高价，使电控配电设备生产企业成本迅速上升，经营压力迅速增大。在这种形势下，促使了导体材料的升级换代。近几年，市场上已出现了用不同工艺方法制造的镀铜铝母线，覆铜铝母线，铜包铝母线等铜铝复合母线。铜铝复合母线是一种以铝为芯体，外层包覆铜的双金属复合材料，它是将铝的高导电性能、低成本资源和铜的高化学稳定性、较低的接触电阻集于一体，实现低成本节能的一种新型导体材料，这种新型导体材料一进入市场，就受到了电控配电设备生产企业的广泛关注和推广应用。本文论述了铜铝复合母线能否满足电控配电设备的要求，铜铝复合母线在电控配电设备中的应用案例以及选用原则。
1 铜铝复合母线能否满足电控配电设备的要求
在电控配电设备中对载流导体的主要要求是它的载流量和机械强度，具体考核指标就是温升极限和承受短路电流的能力。对复合材料还必须保证两种材料的界面结合强度，在剪切、冲孔、折弯时不分层，还要能承受热胀冷缩时产生的应力破坏。那么铜铝复合母线能否满足电控配电设备的这些要求值得研究。
温升：温升与导体的导电率（载流量）、截面积及设备散热条件有关，在设备散热条件不变的情况下，根据导体导电率选择合适的截面即可。
动热稳定：在三相系统中，满足动稳定的条件是：电动力所产生的应力要小于材料的最大允许应力。
电动力所产生的应力б＝Ｍ/Ｗ
其中：Ｍ为短路电流所产生的力距。在线路结构不变的情况下，Ｍ与导电排两支撑点之间的距离Ｌ的立方成正比，也就是说，减小Ｌ可减小电动力所产生的力距。Ｗ为导体截面系数，在导体立放时Ｗ＝ｂ２ｈ/６，ｂ为导体厚度，ｈ为导体宽度，增大导体截面，尤其是厚度，即增大了Ｗ，减小了电动力所产生的力距。
由此可见，减小导电排两支撑点之间的距离，增大导体截面，尤其是厚度，都可满足动稳定的要求。
至于热稳定只与导体截面有关，按经济电流密度选取截面Ｓ后，再校验满足热稳定的最小截面都远小于Ｓ.
在母线槽和 低压开关柜中，对不同额定电流规格的产品已做过３０kＡ、５０kＡ、６５kＡ、８０kＡ、１００kＡ短路试验，动热稳定都能满足要求。
对于铜铝复合导体，除了满足温升极限和动热稳定之外，还必须满足使用要求和寿命要求，具体来说，在进行冲孔、剪切、折弯时铜铝不分层，在使用环境下热胀冷缩应力不会破坏铜铝之间的结合，铜铝界面不会产生电化腐蚀等。这些问题都与铜铝之间界面结合强度有关，而界面结合强度与其制造工艺有直接关系，制造工艺方法不同，其界面结合强度不同。
铜和铝在固态下复合，如包覆焊接工艺，轧制压接工艺，穿套轧制工艺等都是用机械压力将铜、铝压接在一起，通过压力激活界面原子，形成原子键结合，再经过热处理扩散，使点结合转变为面结合，但这种扩散深度有限，复合层很薄，界面结合强度并不高。
铜和铝固液熔合，即把液态的铝浇铸在固态的铜管中，通过铜、铝接触面上铜的熔化和铜与铝之间的扩散实现复合，铜铝界面形成一层较厚的复合层（约１０多微米），达到较高的界面结合强度。
在电力行业标准《输变电设备用铜包铝母线》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２中规定了铜铝界面结合剪切强度不小于３５ＭＰａ，这是最低要求。通常固液复合的铜铝复合母线在４０ＭＰａ以上。如达到标准要求，在加工时，不会破坏铜铝结合，在正常使用环境下，热胀冷缩产生的应力也不会破坏铜铝界面。
上海理工大学对ＨＴ－ＴＬＭＹ铜铝复合母线做了０~２００℃，１００次热循环试验，测试了试验前后界面剪切强度，热循环后，界面结合强度不但没有下降，而稍有提高，这是因为在这个温度范围内，消除了界面由于铜、铝线胀系数不同而产生的应力，同时也加强了铜铝之间原子扩散（上海理工大学铜铝复合母线技术研究报告）。
这说明在这个温度范围内使用，热胀冷缩应力破坏不了铜铝界面结合。在电控、配电设备中，正常使用温度不会超出１１０℃．在短路瞬间，标准规定的短路电流在４ｓ之内经过试验对铜铝界面结合也没有影响。
为了验证长期热疲劳对铜铝复合母线的影响，上海电缆研究所对ＨＴ－ＴＬＭＹ铜铝复合母线依据《额定电压３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）ＧＢ/Ｔ９３２７及以下 电力电缆导体用压接式和机械式连接金具试验方法和要求》做了１０００次热循环试验，每次测试温度达到平衡状态时的电流、直流电阻、最高温度，计算初始离散度和平均离散度，从２５０次循环末，每隔７５次计算电阻比率比值，直至１０００次末。合格要求：初始离散度和平均离散度≤０．３，电阻比率比值≤２．
华铜铜铝复合排ＨＴ－ＴＬＭＹ初始离散度≤０．，２３，平均离散度≤０．１５，电阻比率比值≤１．２９，完全符合标准要求。（机械工业电工材料及特种线缆产品质量监督检验中心，报告编号ＭＴＮ２０１０－０２４２）。这个试验历时６个多月，充分证实了铜铝复合母线的使用可靠性。
铜和铝因电位差大，直接接触会产生电化腐蚀，铜铝复合母线会不会产生电化腐蚀，这也是用户最关心的问题。会不会产生电化腐蚀，取决于铜铝之间是否存在产生电解质的条件，固液复合工艺在铜铝之间有一层过渡层，过渡层由铜铝固溶体和微量化合物组成，没有产生和接触空气、水汽的条件，因此，不会产生电化腐蚀。
大量应用案例也证实了铜铝复合母线完全满足电控、配电设备的要求。
在铜价大幅涨价之后，铝排母线槽又开始增多，铝排镀锌、镍、锡之后，表面氧化问题解决了，但镀层很薄，而且硬度软的问题没有解决，使用寿命短，使用可靠性及寿命差，整体效益不如铜铝复合排。因此，铜铝复合母线是成套 电气设备的最佳选择。
2 铜铝复合母线的应用案例
（1）在全国联合设计产品中的应用
在中国电器工业协会电控、配电分会组织的全国联合设计的ＧＣＫ２－４０００Ａ三面样机中全部采用了北京华北华铜电气有限公司生产的铜铝复合母线，通过了型式试验，试验全部合格并取得了中国国家强制性产品认证（ＣＣＣ）证书。２００８年６月１６日，中国电器工业协会组织专家对ＧＣＫ２进行了科技成果鉴定，专家们对采用铜铝复合母线做载流导体给予了高度肯定和评价。在进线柜、馈电柜、抽屉柜中选用的铜铝复合母线导体截面、重量、成本与铜母线对比如下表。
由表可见，Ｎ线、ＰＥ线，水平母线选用的铜铝复合母线与铜母线相同，垂直母线２５００Ａ及以下铜铝复合母线比铜母线截面选大一个标准规格，４０００Ａ以上需增大５０％，三面柜子载流导体总重量减轻了４４％，成本下降了３８．３１％.
２０１０年在全国联合设计的２４ＫＶ箱式变电站试验样机中导电排采用了北京华北华铜电气公司的铜铝复合排。试验合格。
２０１１年全国联合设计的母线槽产品中，空气型６３０Ａ－２０００Ａ，密集型２５００Ａ－７２００Ａ试验样机全部由北京华北长城母线槽公司采用苏州华铜复合材料有限公司生产的铜铝复合排制作，且试验全部合格。２０１１年１０月，在中国电器工业协会组织的专家鉴定会上评价为达到“国际先进水平”。
（2）在其它试验项目中应用
２００８年北京华北长城母线槽有限公司在ＣＣＸ１６８ＳＪ系列母线槽上采用铜铝复合母线做导体，在４００Ａ、１０００Ａ、２５００Ａ、５０００Ａ上全系列做了型式试验，取得了ＣＣＣ证书。铜铝复合母线选用规格比铜母线大了一个标准规格，但２５００Ａ以下温升比铜母线槽降低了８~１０Ｋ.
２０１０－２０１２年，天津试验站、山东试验站在ＧＧＤ、ＧＣＫ、ＧＣＳ、ＭＮＳ等低压开关柜上已做了２００多面３Ｃ安全型式试验。
（3）在工程项目上的运行
从２００８年起，华北长城母线槽公司相继做了一百多个铜铝复合排母线槽工程，如北京凤凰城、广州林俊汽车内饰厂（日资）、中冶陕西轧辊公司等，中国建设银行青岛支行、深圳万景塑料制品厂（意大利独资）、重庆科技公司生产厂房、北京十里堡西单商城、长春一汽巴勒特锻造车间、长春一汽技术中心扩建工程等等都采用了长城公司的铜铝复合排母线槽。大部分已运行已近五年，没有出现任何故障，且客户反映良好。
3 铜铝复合排的选用原则
（1）产品标准
按照国家能源局的计划，由国网电力科学研究院牵头，苏州华铜等企业参加，制订了电力行业标准《输变电设备用铜包铝母线》ＤＬ/Ｔ２４７－２０１２。该标准由国家能源局颁布，２０１２年７月１日实施。该标准规定了产品的技术要求、试验方法、检验规则等，为产品的生产、销售、制定了规范。
（2）选用原则
在选用铜铝复合母线时必须选用符合标准的产品，否则会带来风险。
1）没有按标准进行试验，产品质量没有保障；
2）用于３Ｃ认证的产品，不符合认证要求，一经发现，会罚款，甚至拆除。
在国家认可的检验机构（ＣＮＡＳ）按照标准要求进行了检验的产品，才可以选用中国质量认证中心关于铜铝复合排的规定。
各检测机构：对于目前使用铜铝复合排的低压成套开关设备，按以下要求实施。
提供的资料要求：由于铜铝复合排的加工工艺不同、产品的质量也不同，因此需让企业提供以下资料：
ＣＮＡＳ认可的检测试验室一年之内的铜铝复合排型式试验报告，报告应符合《输变电设备用铜包铝母线》ＤＬ/Ｔ　２４７—２０１２电力行业标准。
按《额定电压３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具试验方法和要求》ＧＢ/Ｔ　９３２７做的１０００次热循环试验报告。
满足以上要求的可将铜铝复合排用于低压成套开关设备中。这两个试验报告能够证明铜铝复合排各项性能、参数符合电力行业标准的要求，而且，使用可靠性有保证。
综上所述，铜铝复合母线的研发成功，“以铝节铜”为国家节约大量紧缺铜材，为电控配电设备生产企业大幅降低成本，是一项利国利民的低成本节能新材料，通过试验及大量工程运行证明了它的可靠性，在替代铜母线方面存着很大的优势，并可充分应用于电控配电设备。