銅、鋁、鋁合金電纜的前世、今生、將來(lái)

人類對(duì)銅的使用歷史這可以追溯到10000年以前。在伊拉克的北部曾經(jīng)出土一件8700年前的文物——銅耳杯，中國(guó)在4000多年前的夏禹時(shí)代就有了青銅器。銅作為導(dǎo)體的應(yīng)用在18世紀(jì)末隨著電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用已經(jīng)走過(guò)了200多年的歷史。鋁做為一種年輕的金屬，在19世紀(jì)中期，它被稱作“銀色的金子”，比黃金還珍貴，直到1886年由美國(guó)科學(xué)家霍爾獨(dú)立研究出電解鋁法，才開(kāi)始能夠后工業(yè)化生產(chǎn)。鋁用作導(dǎo)體從1896年開(kāi)始，英國(guó)人科利在博爾頓架設(shè)了世界上第一根架空鋁絞線。1910年美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)胡普斯發(fā)明了鋼芯鋁絞線，架設(shè)于尼亞加拉大瀑布上空。此后，架空高壓輸電線逐步被鋼芯鋁絞線取代。另外，歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家于1910年開(kāi)始使用鋁導(dǎo)體替代銅導(dǎo)體作為配電線。現(xiàn)在，全世界生產(chǎn)的鋁約14%用作電工材料。我國(guó)電工部門(mén)的用鋁量約占全國(guó)鋁消耗總量的三分之一，主要用于高壓輸電，而配電使用鋁導(dǎo)體的比例低于5%。使用銅或者鋁做為導(dǎo)體受歷史、國(guó)情、資源狀況等等因素的影響。

上世紀(jì)五十年代，銅價(jià)高速攀升，世界電線電纜行業(yè)提出以鋁代銅，要達(dá)到同樣的電氣性能，鋁導(dǎo)體的截面積需要比銅導(dǎo)體大一至兩個(gè)規(guī)格等級(jí)或者增大50%。上世紀(jì)六、七十年代，我國(guó)同樣受國(guó)情、資源狀況、政治因素等原因提出以鋁代銅，由于材料技術(shù)原因，未能普及鋁導(dǎo)體。多年來(lái)，國(guó)人一直期望能開(kāi)發(fā)出一種可利用鋁資源的導(dǎo)體，能繼續(xù)推行以鋁代銅，但始終未能從技術(shù)上取得突破，因而一直未能實(shí)現(xiàn)這歷史性的革命。針對(duì)純鋁作為電纜導(dǎo)體存在的眾多不足，美國(guó)、澳大利亞和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家率先在這方面做了大量的研究。于20世紀(jì)60年末開(kāi)發(fā)出了鋁合金[有色商機(jī):ADC12]導(dǎo)體，鋁合金導(dǎo)體在北美地區(qū)至今已運(yùn)用近50年的時(shí)間，得到美國(guó)、澳大利亞和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家廣大用戶的一致認(rèn)可，北美地區(qū)90%的民用及商業(yè)建筑使用的都是鋁合金電纜。2005年迄今我國(guó)再次提出以鋁代銅，隨著科技的進(jìn)步，這次的以鋁代銅應(yīng)該理解為主要是以鋁合金代銅。以鋁合金代銅的前景如何呢？我們需要對(duì)鋁合金、銅和鋁的性能有更多的了解。

一、鋁、鋁合金作為導(dǎo)體材料有其自身優(yōu)勢(shì)

1、鋁合金、鋁和銅一樣，一直是IEC和GB規(guī)定的導(dǎo)體材料。

2、鋁、鋁合金做為導(dǎo)體資源豐富

鋁和銅相比有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),鋁在地殼中的分布量在全部化學(xué)元素中僅次于氧和硅，占第三位，在全部金屬元素中占第一位。

3、重量較輕

在電阻值大致相同時(shí)，鋁、鋁合金線芯的質(zhì)量?jī)H為銅線芯的一半。

4、價(jià)格低廉

鋁在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用于電纜、母排、母線槽、變壓器等產(chǎn)品領(lǐng)域，據(jù)收集資料如下：高壓線纜國(guó)際上幾乎100％使用鋁或鋁合金導(dǎo)體。而低壓鋁線纜在北美已基本由鋁合金電纜取代。

二、我國(guó)曾經(jīng)有過(guò)一段以鋁代銅的短暫歷史

回顧歷史，中國(guó)在50——70年代曾經(jīng)推行過(guò)“以鋁代銅”的政策。但由于當(dāng)時(shí)的純鋁導(dǎo)體及產(chǎn)品質(zhì)量的限制，發(fā)生事故的概率很大，導(dǎo)致80年代以后，中國(guó)的中低壓電纜幾乎全部使用銅導(dǎo)體。

棄用鋁電纜的原因

中國(guó)當(dāng)時(shí)所使用的純鋁電纜，被棄用的原因正是純鋁導(dǎo)體的一些物理性能導(dǎo)致故障的概率增大。

1、純鋁導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度、延伸率、柔韌性等機(jī)械性能較低，往往會(huì)承受不起在安裝過(guò)程中的牽、拉、彎、折，導(dǎo)致不同程度的損傷，埋下事故隱患。

2、接頭易引發(fā)火災(zāi)，原因不外如下幾條：

（1）鋁熱膨脹率比銅大39％，在與連接器連接時(shí)，因長(zhǎng)期的熱循環(huán)而容易產(chǎn)生蠕變、進(jìn)而產(chǎn)生很大的電阻而引發(fā)火災(zāi)。

（2）容易在與銅連接器連接處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

（3）純鋁抗蠕變性能極低

純鋁在受熱和受壓下容易變形，導(dǎo)致在接頭處不能壓緊或熱循環(huán)過(guò)程中蠕變、接頭產(chǎn)生氧化膜，電阻加急劇增大，這是導(dǎo)致純鋁電纜不安全的重要原因。

如前所述，純鋁由于其機(jī)械性能的缺陷，使其無(wú)法應(yīng)用于中低壓電纜。所幸的是，鋁的最顯著特點(diǎn)是它的多功能性，采用不同的合金配方和加工工藝，可以得到物理性能迥異的鋁合金材料。鋁合金電纜正是解決了上述鋁電纜存在的安全隱患，而成為一種理想的解決方案。

三、導(dǎo)體鋁合金新材料的解決方案

1、機(jī)械性能大幅提高

抗拉強(qiáng)度約是純鋁的150%，延伸率較純鋁提高約10倍，自重承載力比銅高44％，柔韌性能高于銅的25％，而彎曲半徑僅為電纜外徑的7倍，連接端子采用先進(jìn)的鋁合金銅摩擦焊接工藝，可解決電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，鋁合金導(dǎo)體抗蠕變性能較純鋁導(dǎo)體提高300％。

導(dǎo)體鋁合金的特殊合金配方與熱處理工藝大大提高了金屬在受熱、受壓下的抗蠕變性能，保證了電纜本身連接的穩(wěn)定性。事實(shí)上，這是合金電纜在北美40多年應(yīng)用中未發(fā)生任何故障的重要原因。在美國(guó)國(guó)家規(guī)范中規(guī)定中、低壓電纜必須采用AA8000系列鋁合金而不能采用純鋁電纜。

2、正在研發(fā)之中的鋁合金電纜應(yīng)用技術(shù)——接頭處理技術(shù)：

在與所選用的鋁合金電纜相同化學(xué)成分、電氣性能、機(jī)械性能、抗壓蠕變性能的鋁合金銅連接端子產(chǎn)品技術(shù)突破、面市之前，國(guó)內(nèi)的鋁合金電纜應(yīng)用，作為過(guò)渡解決辦法，通常是向用戶提供原用于鋁電纜連接的銅鋁過(guò)渡端子和近來(lái)某些國(guó)內(nèi)廠家僅為了提高端子導(dǎo)電性能或其它性能而推出的所謂的微合金化合金銅過(guò)渡端子（該種微合金銅過(guò)渡端子的化學(xué)成分、電氣性能、機(jī)械性能、抗壓蠕變性能等與連接的鋁合金電纜性能不能匹配）。另外，還要提供專用壓接工具來(lái)解決目前沒(méi)有與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子的難題。當(dāng)前明知錯(cuò)誤但又無(wú)奈而采用的原來(lái)用于連接鋁電纜的銅鋁過(guò)渡端子及所謂的高導(dǎo)電或其它性能的微合金化合金銅過(guò)渡端子連接方案，即使通過(guò)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的端子連接1000次熱循環(huán)測(cè)試，并嚴(yán)格按照規(guī)范施工，也不能保證解決連接安全問(wèn)題。因?yàn)槎俗舆B接1000次熱循環(huán)測(cè)試畢竟是在實(shí)驗(yàn)室端子進(jìn)行規(guī)范壓接后的實(shí)驗(yàn)，且試驗(yàn)時(shí)間短，該檢測(cè)其實(shí)無(wú)法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性。若銅鋁過(guò)渡端子和微合金化合金銅過(guò)渡端子連接方案沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)嚴(yán)格的端子連接1000次熱循環(huán)測(cè)試，沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)范施工，則安全隱患問(wèn)題就更嚴(yán)重。


我們知道，鋁合金電纜因解決了鋁電纜存在的致命安全問(wèn)題，才體現(xiàn)了鋁合金電纜的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，但目前連接方案中的銅鋁連接端子中的鋁及微合金化合金銅過(guò)渡端子中與鋁合金電纜性能不匹配的所謂合金的存在，實(shí)際上使鋁合金電纜的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值難以體現(xiàn)，這與直接用鋁電纜有何區(qū)別？畢竟電纜的應(yīng)用，眾所周知，安全問(wèn)題通常主要都出在連接上。據(jù)悉，現(xiàn)針對(duì)適用于中國(guó)市場(chǎng)亟待解決的與鋁合金電纜性能相同的鋁合金銅連接端子相關(guān)應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，據(jù)一位來(lái)自美國(guó)鋁合金電纜巨頭的中國(guó)工廠負(fù)責(zé)人透露，其北美的研發(fā)中心正在研究試制之中，近期有望獲得技術(shù)突破。若技術(shù)突破后，鋁合金電纜在應(yīng)用中使用與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子，則連接就能安全、穩(wěn)定、完美。

3、防腐性能

有時(shí)會(huì)聽(tīng)到鋁耐腐蝕性較差的說(shuō)法，但這不是事實(shí)。在大多數(shù)環(huán)境條件下，包括在空氣、鹽水、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示比銅更優(yōu)良的抗腐蝕性，其原因是鋁表面與空氣接觸時(shí)立即形成的薄、致密、堅(jiān)固而耐受各種形式腐蝕的氧化膜。這也能解釋為什么在許多惡劣環(huán)境中，鋁比其他金屬如銅、鋼更耐腐蝕。經(jīng)合金化處理后的導(dǎo)體鋁合金防腐性能更優(yōu)于純鋁。

四、當(dāng)新材料導(dǎo)體鋁合金解決了原來(lái)純鋁的致命性問(wèn)題之后，它的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)：

1、與銅導(dǎo)體一樣安全可靠。

2、電纜本體較銅電纜更為經(jīng)濟(jì)。

3、由于其重量較輕、柔韌性高等因素，減少了安全施工和運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用。

五、資源節(jié)約型社會(huì)的選擇

1、從世界范圍看銅鋁資源狀況

據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資料（USGS）顯示，銅元素含量占地殼中元素的含量少于0.01%，而鋁元素占地殼元素含量的7.73%以上，在地殼中，鋁元素的含量是銅元素含量的1000倍以上。全球銅資源按照目前的消費(fèi)量，年均增長(zhǎng)率3％計(jì)算，可供全球再使用32年。而鋁資源按目前開(kāi)采規(guī)模（1.4億噸/年左右）進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)有鋁土礦儲(chǔ)量可滿足世界鋁工業(yè)近180年的開(kāi)采需要。

2、國(guó)內(nèi)銅、鋁資源狀況

2004年至今，我國(guó)每年10%左右的鋁需要出口，產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩。與此同時(shí)，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì)：2004年至2006年，我國(guó)每年銅材的缺口超過(guò)130萬(wàn)噸。根據(jù)2008年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，2007年我國(guó)銅礦及精銅進(jìn)口452萬(wàn)噸，銅及其制品進(jìn)口額為271億美元。我國(guó)銅金屬市場(chǎng)已經(jīng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，中國(guó)銅資源嚴(yán)重短缺，目前國(guó)內(nèi)資源供給率不足20％，有目前銅開(kāi)采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，20年內(nèi)中國(guó)銅資源將處于枯竭狀態(tài)。改變對(duì)銅材的嚴(yán)重依賴，成為改變國(guó)際供求關(guān)系、節(jié)約外匯、充分利用國(guó)內(nèi)資源、成為保證電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2005年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)出《關(guān)于做好建設(shè)節(jié)約型社會(huì)近期重點(diǎn)工作的通知》，特別提出，要積極推進(jìn)原材料節(jié)約，完善資源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家發(fā)改委、建設(shè)部等部門(mén)也將資源節(jié)約、新材料、新技術(shù)推廣作為其重要工作。2013年12月，國(guó)家工信部已將“以鋁（鋁合金）代銅”上升為國(guó)家戰(zhàn)略，明確表態(tài)將支持鋁合金電纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其納入新材料范疇，列入國(guó)家《產(chǎn)業(yè)調(diào)整指導(dǎo)目錄》。作為電氣工程技術(shù)成員，在用銅量占比例巨大的電力傳輸領(lǐng)域，推廣技術(shù)成熟的新型合金材料，無(wú)疑對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

六、鋁導(dǎo)體在電力電纜應(yīng)用中的問(wèn)題

60-70年代，全球銅價(jià)高速攀升，由于政治因素，銅材作為戰(zhàn)略物資受到貿(mào)易管制，國(guó)內(nèi)大量采用鋁作為輸電電纜的主要導(dǎo)體材料，“以鋁代銅”成為電氣行業(yè)普遍遵循的技術(shù)政策，選用銅導(dǎo)體電纜需要向政府主管部門(mén)報(bào)告申請(qǐng)。所以民用建筑的干線，支線都采用純鋁線纜。純鋁導(dǎo)體（AA1350）的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)械強(qiáng)度差，容易折斷，

（2）易蠕變，需要經(jīng)常緊固螺絲

（3）容易過(guò)載發(fā)熱，存在安全隱患

（4）沒(méi)有很好的解決銅鋁過(guò)渡連接問(wèn)題，特別在布電線上。

這些問(wèn)題不僅僅是國(guó)內(nèi)面臨的問(wèn)題，世界電纜行業(yè)也面臨同樣的問(wèn)題。隨著國(guó)際形勢(shì)的好轉(zhuǎn)，中國(guó)改革開(kāi)放的實(shí)施，我們能夠方便的從國(guó)外大量進(jìn)口銅資源，而且銅鋁之間的價(jià)差不大，以鋁代銅在國(guó)內(nèi)逐步淡化；與此同時(shí)，國(guó)外積極研發(fā)新的鋁合金導(dǎo)體，解決鋁合金導(dǎo)體和端子的連接問(wèn)題，最終美國(guó)以及歐洲在配電線路上大量應(yīng)用鋁合金導(dǎo)體。

七、鋁合金導(dǎo)體

1、鋁合金導(dǎo)體的發(fā)展和現(xiàn)狀

用作導(dǎo)體的鋁合金在六、七十年代由于銅價(jià)的高速攀升迎來(lái)飛速的發(fā)展。在國(guó)際鋁行業(yè)協(xié)會(huì)的鋁合金牌號(hào)中，用作導(dǎo)體的鋁合金主要有AA1000系列即純鋁，AA6000系列導(dǎo)體，和AA8000系列導(dǎo)體。AA1000系列導(dǎo)體主要用在高壓架空線；AA6000Al-Mg-Si（鋁鎂硅合金）系列導(dǎo)體主要用在高壓架空線和鋁母排；這兩類導(dǎo)體都是以硬態(tài)導(dǎo)體存在，接頭的連接以焊接為主。AA8000中8176（鋁鐵鋅硅合金）和8030（鋁鎂銅鐵合金）系列是真正用在配電線路上的鋁合金。AA8000鋁合金配方是核心技術(shù)，AA8000鋁合金材料的生產(chǎn)要求鋁合金電纜制造廠家具備自己有AA8000鋁合金配方的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，導(dǎo)體鋁合金材料熔煉、連鑄連軋生產(chǎn)能力，以保證導(dǎo)體鋁合金桿材的品質(zhì)可控，導(dǎo)體鋁合金桿材的品質(zhì)是鋁合金電纜產(chǎn)品品質(zhì)保證的前提。

AA8000系列鋁合金技術(shù)在不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，在六、七十年代及近年來(lái)獲得一系列專利。

AA8000系列鋁合金導(dǎo)體

目前國(guó)內(nèi)五花八門(mén)所謂稀土鋁合金（研究表明，采用合格的純鋁做基材，添加稀土毫無(wú)意義），高導(dǎo)電率鋁合金（這種鋁合金抗拉強(qiáng)度不合格，以損失抗拉強(qiáng)度來(lái)提高導(dǎo)電率）等都非真正正宗的美國(guó)技術(shù)AA8000鋁合金。這些所謂鋁合金的技術(shù)成熟否？產(chǎn)品能否達(dá)已安全運(yùn)行近50年的AA8000鋁合金的真正要求？還需要時(shí)間的驗(yàn)證。

AA8000系列合金導(dǎo)體適用于制造10kV(成熟的技術(shù)是10KV)及以下電壓等級(jí)擠包絕緣電力電纜。因制造技術(shù)及材質(zhì)等原因，在10kV以上電壓等級(jí)，國(guó)外也無(wú)制造和安全使用經(jīng)驗(yàn)。故不建議將AA8000系列合金導(dǎo)體用于制造高于10kV以上電壓等級(jí)擠包絕緣電力電纜。國(guó)內(nèi)有些廠家在未真正了解AA8000系列合金導(dǎo)體技術(shù)情況下，盲目制造10kV以上電壓等級(jí)擠包絕緣電力電纜，這可能在電纜的使用中留下安全隱患。

2、鋁合金電纜連接方法

由于鋁合金導(dǎo)體和銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)、材料性能不一樣，使得銅導(dǎo)體和鋁合金導(dǎo)體不宜直接連接。通常采用如下方式，來(lái)達(dá)到連接的目的。

（1）合金電纜+鋁端子（鋁端子和鍍錫銅排連接時(shí)，按照國(guó)標(biāo)提供的力矩值緊固螺絲，并增加碟式墊圈，以便銅鋁金屬在熱脹冷縮時(shí)保持銅鋁的有效連接），這種連接方案可靠性差。

（2）合金電纜+銅鋁過(guò)渡端子（端子的鋁部分和合金連接，銅部分和銅排連接）或合金電纜+微合金銅過(guò)渡端子（因該合金只考慮端子導(dǎo)電或其它性能，與連接的鋁合金電纜的化學(xué)成分、電氣性能、機(jī)械性能、抗壓蠕變性能等不匹配）。上述連接方式是在無(wú)法取得與連接的鋁合金電纜性能相匹配的鋁合金銅過(guò)渡端子的情況下采用的過(guò)渡解決方案，但這些方案因?yàn)殇X或所謂與連接的鋁合金電纜性能不匹配的合金存在，即使按照IEC61238-2003或者GB9327-2008做1000次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，模擬30年的應(yīng)用(畢竟是實(shí)驗(yàn)室的模擬，是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行端子規(guī)范壓接后的實(shí)驗(yàn)，且試驗(yàn)時(shí)間短，其實(shí)無(wú)法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性)等，并嚴(yán)格按照規(guī)范施工，也無(wú)法保證電纜連接和使用的安全性，因?yàn)檫B接端子鋁或與電纜性能不匹配的所謂合金材料的存在，所有鋁的機(jī)械性能、抗蠕變等性能差的問(wèn)題依然存在，所以這種連接方案可靠性差。

（3）鋁合金電纜+與連接的鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅過(guò)渡端子（端子的鋁合金部分和合金電纜連接，銅部分和終端銅排連接）這種連接是鋁合金電纜應(yīng)用時(shí)真正最正確、合理、可靠、最完善的連接方案。

八、銅、鋁、鋁合金的將來(lái)

鋁作為導(dǎo)體材料將在電力中低壓配電各領(lǐng)域逐步淡出，銅導(dǎo)體在中、低壓配電領(lǐng)域也將逐步被導(dǎo)體鋁合金取代。由于鋁合金導(dǎo)體具有的良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機(jī)械性能，改善了鋁導(dǎo)體的連接不可靠、機(jī)械強(qiáng)度差、易蠕變等缺點(diǎn)，在機(jī)械性能上優(yōu)于銅導(dǎo)體，電氣性能通過(guò)增大截面積后和銅導(dǎo)體具有同樣的能力，在中、低壓配電系統(tǒng)中將得到廣泛的應(yīng)用。鋁合金導(dǎo)體在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的推廣應(yīng)用將會(huì)使國(guó)家節(jié)約大量的銅資源，減少國(guó)家對(duì)國(guó)外銅資源的依賴度，節(jié)約大量的外匯，同時(shí)讓用戶在經(jīng)濟(jì)上有一定的節(jié)省，讓安裝商能夠更輕松方便的安裝。諸多的優(yōu)勢(shì)，讓我們有理由相信鋁合金導(dǎo)體在中、低壓電力電纜中的應(yīng)用將會(huì)深入人心，以鋁合金代銅將是一個(gè)趨勢(shì)，同時(shí)必定在電纜行業(yè)中引起一場(chǎng)變革。
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