行業新聞 News
當前頁麵:行業新聞 > 新聞中心
銅鋁複合母線的應用技術探討
時間::2019-11-08
點擊數::594

        由於銅資源的短缺和消費快速增長的矛盾,致使近幾年銅價在全球範圍內出現了前所未有的暴漲。從資源角度分析,未來銅價仍將持續上升,銅材持續的高價,使電控配電設備生產企業成本迅速上升,經營壓力迅速增大。在這種形勢下,促使了導體材料的升級換代。近幾年,市場上已出現了用不同工藝方法製造的鍍銅鋁母線,覆銅鋁母線,銅包鋁母線等銅鋁複合母線。銅鋁複合母線是一種以鋁為芯體,外層包覆銅的雙金屬複合材料,它是將鋁的高導電性能、低成本資源和銅的高化學穩定性、較低的接觸電阻集於一體,實現低成本節能的一種新型導體材料,這種新型導體材料一進入市場,就受到了電控配電設備生產企業的廣泛關注和推廣應用。本文論述了銅鋁複合母線能否滿足電控配電設備的要求,銅鋁複合母線在電控配電設備中的應用案例以及選用原則。

1銅鋁複合母線能否滿足電控配電設備的要求
        在電控配電設備中對載流導體的主要要求是它的載流量和機械強度,具體考核指標就是溫升極限和承受短路電流的能力。對複合材料還必須保證兩種材料的界麵結合強度,在剪切、衝孔、折彎時不分層,還要能承受熱脹冷縮時產生的應力破壞。那麽銅鋁複合母線能否滿足電控配電設備的這些要求值得研究。
溫升:溫升與導體的導電率(載流量)、截麵積及設備散熱條件有關,在設備散熱條件不變的情況下,根據導體導電率選擇合適的截麵即可。
動熱穩定:在三相係統中,滿足動穩定的條件是:電動力所產生的應力要小於材料的最大允許應力。
電動力所產生的應力б=M/W
        其中:M為短路電流所產生的力距。在線路結構不變的情況下,M與導電排兩支撐點之間的距離L的立方成正比,也就是說,減小L可減小電動力所產生的力距。W為導體截麵係數,在導體立放時W=b2h/6,b為導體厚度,h為導體寬度,增大導體截麵,尤其是厚度,即增大了W,減小了電動力所產生的力距。
由此可見,減小導電排兩支撐點之間的距離,增大導體截麵,尤其是厚度,都可滿足動穩定的要求。
         至於熱穩定隻與導體截麵有關,按經濟電流密度選取截麵S後,再校驗滿足熱穩定的最小截麵都遠小於S.
在母線槽和低壓開關櫃中,對不同額定電流規格的產品已做過30kA、50kA、65kA、80kA、100kA短路試驗,動熱穩定都能滿足要求。
        對於銅鋁複合導體,除了滿足溫升極限和動熱穩定之外,還必須滿足使用要求和壽命要求,具體來說,在進行衝孔、剪切、折彎時銅鋁不分層,在使用環境下熱脹冷縮應力不會破壞銅鋁之間的結合,銅鋁界麵不會產生電化腐蝕等。這些問題都與銅鋁之間界麵結合強度有關,而界麵結合強度與其製造工藝有直接關係,製造工藝方法不同,其界麵結合強度不同。
         銅和鋁在固態下複合,如包覆焊接工藝,軋製壓接工藝,穿套軋製工藝等都是用機械壓力將銅、鋁壓接在一起,通過壓力激活界麵原子,形成原子鍵結合,再經過熱處理擴散,使點結合轉變為麵結合,但這種擴散深度有限,複合層很薄,界麵結合強度並不高。
        銅和鋁固液熔合,即把液態的鋁澆鑄在固態的銅管中,通過銅、鋁接觸麵上銅的熔化和銅與鋁之間的擴散實現複合,銅鋁界麵形成一層較厚的複合層(約10多微米),達到較高的界麵結合強度。
        在電力行業標準《輸變電設備用銅包鋁母線》DL/T247-2012中規定了銅鋁界麵結合剪切強度不小於35MPa,這是最低要求。通常固液複合的銅鋁複合母線在40MPa以上。如達到標準要求,在加工時,不會破壞銅鋁結合,在正常使用環境下,熱脹冷縮產生的應力也不會破壞銅鋁界麵。
         上海理工大學對HT-TLMY銅鋁複合母線做了0~200℃,100次熱循環試驗,測試了試驗前後界麵剪切強度,熱循環後,界麵結合強度不但沒有下降,而稍有提高,這是因為在這個溫度範圍內,消除了界麵由於銅、鋁線脹係數不同而產生的應力,同時也加強了銅鋁之間原子擴散(上海理工大學銅鋁複合母線技術研究報告)。
        這說明在這個溫度範圍內使用,熱脹冷縮應力破壞不了銅鋁界麵結合。在電控、配電設備中,正常使用溫度不會超出110℃.在短路瞬間,標準規定的短路電流在4s之內經過試驗對銅鋁界麵結合也沒有影響。
        為了驗證長期熱疲勞對銅鋁複合母線的影響,上海電纜研究所對HT-TLMY銅鋁複合母線依據《額定電壓35kV(Um=40.5kV)GB/T9327及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》做了1000次熱循環試驗,每次測試溫度達到平衡狀態時的電流、直流電阻、最高溫度,計算初始離散度和平均離散度,從250次循環末,每隔75次計算電阻比率比值,直至1000次末。合格要求:初始離散度和平均離散度≤0.3,電阻比率比值≤2.
       華銅銅鋁複合排HT-TLMY初始離散度≤0.,23,平均離散度≤0.15,電阻比率比值≤1.29,完全符合標準要求。(機械工業電工材料及特種線纜產品質量監督檢驗中心,報告編號MTN2010-0242)。這個試驗曆時6個多月,充分證實了銅鋁複合母線的使用可靠性。
        銅和鋁因電位差大,直接接觸會產生電化腐蝕,銅鋁複合母線會不會產生電化腐蝕,這也是用戶最關心的問題。會不會產生電化腐蝕,取決於銅鋁之間是否存在產生電解質的條件,固液複合工藝在銅鋁之間有一層過渡層,過渡層由銅鋁固溶體和微量化合物組成,沒有產生和接觸空氣、水汽的條件,因此,不會產生電化腐蝕。
       大量應用案例也證實了銅鋁複合母線完全滿足電控、配電設備的要求。
       在銅價大幅漲價之後,鋁排母線槽又開始增多,鋁排鍍鋅、鎳、錫之後,表麵氧化問題解決了,但鍍層很薄,而且硬度軟的問題沒有解決,使用壽命短,使用可靠性及壽命差,整體效益不如銅鋁複合排。因此,銅鋁複合母線是成套電氣設備的最佳選擇。
2銅鋁複合母線的應用案例
(1)在全國聯合設計產品中的應用
        在中國電器工業協會電控、配電分會組織的全國聯合設計的GCK2-4000A三麵樣機中全部采用了北京華北華銅電氣有限公司生產的銅鋁複合母線,通過了型式試驗,試驗全部合格並取得了中國國家強製性產品認證(CCC)證書。2008年6月16日,中國電器工業協會組織專家對GCK2進行了科技成果鑒定,專家們對采用銅鋁複合母線做載流導體給予了高度肯定和評價。在進線櫃、饋電櫃、抽屜櫃中選用的銅鋁複合母線導體截麵、重量、成本與銅母線對比如下表。
       N線、PE線,水平母線選用的銅鋁複合母線與銅母線相同,垂直母線2500A及以下銅鋁複合母線比銅母線截麵選大一個標準規格,4000A以上需增大50%,三麵櫃子載流導體總重量減輕了44%,成本下降了38.31%.
       2010年在全國聯合設計的24KV箱式變電站試驗樣機中導電排采用了北京華北華銅電氣公司的銅鋁複合排。試驗合格。
       2011年全國聯合設計的母線槽產品中,空氣型630A-2000A,密集型2500A-7200A試驗樣機全部由北京華北長城母線槽公司采用蘇州華銅複合材料有限公司生產的銅鋁複合排製作,且試驗全部合格。2011年10月,在中國電器工業協會組織的專家鑒定會上評價為達到“國際先進水平”。
(2)在其它試驗項目中應用
       2008年北京華北長城母線槽有限公司在CCX168SJ係列母線槽上采用銅鋁複合母線做導體,在400A、1000A、2500A、5000A上全係列做了型式試驗,取得了CCC證書。銅鋁複合母線選用規格比銅母線大了一個標準規格,但2500A以下溫升比銅母線槽降低了8~10K.
       2010-2012年,天津試驗站、山東試驗站在GGD、GCK、GCS、MNS等低壓開關櫃上已做了200多麵3C安全型式試驗。
(3)在工程項目上的運行
        從2008年起,華北長城母線槽公司相繼做了一百多個銅鋁複合排母線槽工程,如北京鳳凰城、廣州林俊汽車內飾廠(日資)、中冶陝西軋輥公司等,中國建設銀行青島支行、深圳萬景塑料製品廠(意大利獨資)、重慶科技公司生產廠房、北京十裏堡西單商城、長春一汽巴勒特鍛造車間、長春一汽技術中心擴建工程等等都采用了長城公司的銅鋁複合排母線槽。大部分已運行已近五年,沒有出現任何故障,且客戶反映良好。
3銅鋁複合排的選用原則
(1)產品標準
       按照國家能源局的計劃,由國網電力科學研究院牽頭,蘇州華銅等企業參加,製訂了電力行業標準《輸變電設備用銅包鋁母線》DL/T247-2012。該標準由國家能源局頒布,2012年7月1日實施。該標準規定了產品的技術要求、試驗方法、檢驗規則等,為產品的生產、銷售、製定了規範。
(2)選用原則
       在選用銅鋁複合母線時必須選用符合標準的產品,否則會帶來風險。
1)沒有按標準進行試驗,產品質量沒有保障;
2)用於3C認證的產品,不符合認證要求,一經發現,會罰款,甚至拆除。
        在國家認可的檢驗機構(CNAS)按照標準要求進行了檢驗的產品,才可以選用中國質量認證中心關於銅鋁複合排的規定。
        各檢測機構:對於目前使用銅鋁複合排的低壓成套開關設備,按以下要求實施。
        提供的資料要求:由於銅鋁複合排的加工工藝不同、產品的質量也不同,因此需讓企業提供以下資料:
        CNAS認可的檢測試驗室一年之內的銅鋁複合排型式試驗報告,報告應符合《輸變電設備用銅包鋁母線》DL/T247—2012電力行業標準。
        按《額定電壓35kV(Um=40.5kV)及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》GB/T9327做的1000次熱循環試驗報告。
滿足以上要求的可將銅鋁複合排用於低壓成套開關設備中。這兩個試驗報告能夠證明銅鋁複合排各項性能、參數符合電力行業標準的要求,而且,使用可靠性有保證。
        綜上所述,銅鋁複合母線的研發成功,“以鋁節銅”為國家節約大量緊缺銅材,為電控配電設備生產企業大幅降低成本,是一項利國利民的低成本節能新材料,通過試驗及大量工程運行證明了它的可靠性,在替代銅母線方麵存著很大的優勢,並可充分應用於電控配電設備。