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铝合金与铜导体恒温持久及常温力学拉伸性能的差异

发布于:2015-08-01 00:29:01 来自:电气工程/供配电技术 [复制转发]
导体的选择与电气安全非常相关。在建筑电气领域,安全问题因涉及到很多用户的生命、财产和用电可靠性而备受关注。自8000系列电工级铝合金导体电缆出现在中国市场以来,由于价格比铜缆低约20%但利润却大于生产铜缆,引发一些线缆厂投产和销售铝合金缆。一些推广铝合金导体的舆论宣称8000系列铝合金的蠕变、机械强度等物理性能达到了铜的水平。为了研究以电缆导体形式存在的铜与铝合金的物理性能是否存在差异,电气安全项目委托独立研究机构进行了针对两者的试验。

1 主要发现

根据一系列的试验结果显示,在相同条件下8000系列铝合金与纯铜相比,蠕变倾向非常明显,抗拉强度不及铜的1/2.这个结果完全不同于铝合金电缆的推广者所言。以此判断,市场上对铝合金导体优点的宣传存在着一些关键部分不全面和不真实的内容。

2 试验过程及对比分析

整个试验分为两部分:①恒温持久试验;②常温力学拉伸试验。

试验和检测的样本如下:试验定制的夹头被用于牢固夹持检测样本,分别适用于以上两种材质和规格的样本组(见图1和表1)。

以下将分别讲述每个试验部分。


2.1 恒温持久试验

首先简单解释一下恒温持久试验。恒温持久试验反映的是样本在一定条件下的持久强度。持久强度是指材料在一定的温度和规定的时间内,不发生蠕变断裂的最大应力。它是蠕变性能的一个指标,另外蠕变性能指标还包含蠕变极限和松弛稳定性。所以,持久强度可作为蠕变性能的一部分反映。

与蠕变试验相比,多芯绞合导体的恒温持久试验对于电缆产品的应用更具现实意义。蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢的产生塑性变形的现象。由这种变形而最后导致的断裂称为蠕变断裂(见《材料性能学》p124)。高温蠕变测试需要按照国标进行,即对实验试样的加工尺寸有规定(如图2所示)。而恒温持久试验可用于电缆成品中的多芯绞合导体,有助于研究导体材料在实际工况下的表现。

恒温持久试验相关设备及参数如表2所示。

夹持过程见图3(组)。

测试结果:

铜测试结果见图4.

铝合金测试结果见图5.


铜样本结果分析:

(1)97小时测试后总延伸长度和相应的延伸率

(2)11月23号19点至11月27号19点位移和时间的数据表

图6是试样在85℃、50Mpa作用下每隔24小时试样的伸长量。从图可以看出,不同试样每隔24小时最大的变形量为0.011,最小的为0.003。

虽然数据有所波动,但总的来说试样每隔24小时的延伸量保持恒定为0.01的范围内。也就是说,试样在应力的作用下会缓慢的伸长,但伸长速率不会因时间的延长而加速。


铝合金结果分析:

(1)97小时测试后总延伸长度和相应的延伸率

(2)11月19号19点至11月23号19点位移和时间的数据表

图7是铝试样在85℃、50Mpa作用下每隔24小时试样的伸长量。除了3号试样结果和其它试样相比略好外,其他试样从图可以看出每隔24小时最大的变形量为0.901,最小的为0.429.8000系列铝合金的持久强度远低于铜。由此可知,同等条件下,铝合金发生蠕变的几率和蠕变的程度与铜大不相同。


2.2 常温力学拉伸试验

常温力学拉伸试验被用来检测样本的屈服强度和抗拉强度。试验采用的设备是电子拉伸试验机(型号DNS100)。接受测试的铜、铝合金样本各一个。试验结果显示,同等条件下,铜导体没有出现明显的屈服,其抗拉强度接近铝合金导体的2.5倍;铝合金导体在79Mpa压力下发生明显屈服。

(1)铜绞合导体的测试结果

(2)铝合金绞合导体的测试结果:


3 总结

上述试验数据说明8000系列铝合金导体的一些关键物理性能还有待研究。

笔者从北美了解到一些铝合金电缆应用的情况。事实上,铝合金电缆在北美用于设备到设备的连接(端子到端子)。另外,铝合金的电阻率比纯铝略高,有关铝合金电阻率低的说法还有待研究。由于对国外实际情况没有较全面的了解,设计师很难辨别铝合金电缆推广内容的可信度,其设计实践缺乏支持和保障。

铜导体能提供更高安全性与可靠性级别的电气连接,这是已经被验证的事实。导体材料的物理性能与电气安全密切相关。对于人口密集的高层住宅、大型商业楼宇等建筑物的配电系统来说,持久的安全、可靠是导体选择的第一要素。无论是安全角度还是诚信角度出发,国内市场上为商业利益而夸大、甚至虚假地宣传产品,都会为害社会。因而对于用户和设计单位而言,需要慎重考量以及谨慎选择。
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