銅包鋁材料的實(shí)際應(yīng)用探討

摘要：隨著銅價的不斷攀升，在保證載流相同的情況下，選擇鋁芯復(fù)合材料這樣的廉價金屬代替價格高昂的純銅金屬，有效降低生產(chǎn)成本，使得電纜企業(yè)避免了因生產(chǎn)成本提高而帶來的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時對銅金屬的過分消耗起到了保護(hù)作用。銅包鋁產(chǎn)品應(yīng)用效果甚好，可大力推廣。

關(guān)鍵詞：銅包鋁材料；鋁芯復(fù)合材料；電纜企業(yè)；電線電纜；銅金屬 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TB331 文章編號：1009-2374（2015）19-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.033

我國現(xiàn)有的電線電纜材料所選用的內(nèi)導(dǎo)體主要有銅、鋁兩種金屬。目前大部分企業(yè)還是以銅做內(nèi)導(dǎo)體，但是我國的銅資源相對匱乏，而鋁資源卻很豐富。20世紀(jì)50～70年代中期，在全國范圍內(nèi)推廣鋁芯線纜，當(dāng)時鋁芯產(chǎn)品的使用量達(dá)到了線纜市場份額一半以上，但是到了80年代和90年代，銅鋁差價又逐漸縮小。由于銅本身的導(dǎo)電性能就比鋁好，使鋁芯電纜的推廣使用受到

阻礙。

改革開放以后，特別是近15年來，中國工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，使得發(fā)展過程中消耗了大量的銅材，主要應(yīng)用在輸、配、變電設(shè)施，家用電器、工業(yè)設(shè)備、軍工產(chǎn)品等方面。因國內(nèi)銅資源稀缺，其40%～50%的銅材依賴于進(jìn)口，致使銅價在5年內(nèi)上漲了4倍，最高時達(dá)到了83000元/噸，銅價格的過高給電纜行業(yè)帶來巨大的壓力，企業(yè)生產(chǎn)利潤驟減，一些企業(yè)不得停產(chǎn)、改行，為了適應(yīng)市場競爭，很大一部分企業(yè)競相偷工減料，給工程用戶造成了用電隱患。

銅鋁間價差的迅速拉大，使銅電纜的經(jīng)濟(jì)性失去價格優(yōu)勢，以2008年4月份銅鋁價格為例計(jì)算，用1萬元資金生產(chǎn)鋁芯電纜的長度是同規(guī)格銅芯電纜長度的10倍之多，可見當(dāng)今鋁芯電纜的經(jīng)濟(jì)性相對銅優(yōu)勢非常明顯。

1 國內(nèi)外銅包鋁線的發(fā)展

銅包鋁線與銅線相比，鋁線生產(chǎn)成本低，相對銅生產(chǎn)成本下降20%～40%，市場價格相當(dāng)穩(wěn)定，具有良好的腐蝕性，其與錫的可焊性和銅相同，在傳輸性能上，載流量要比銅好，線損要比銅低；另外連接容易，可靠性好，重量輕，易于安裝和運(yùn)輸，克服了銅成本高、價格大起大落等弊端，因此可成為可靠的銅線代替品。在電力行業(yè)使用鋁芯線纜，可有效降低生產(chǎn)成品，合理規(guī)避行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

歐美國家早在20世紀(jì)60年代就開始研究和應(yīng)用銅包鋁材料，使銅包鋁成為繼銅鋁后的第三種導(dǎo)體。鋁本身裸露在空氣中極易氧化，產(chǎn)生的氧氣膜不易消去，從而嚴(yán)重影響了鋁代銅制品的普及率。銅包鋁產(chǎn)品開發(fā)，帶來了鋁代銅制品的轉(zhuǎn)機(jī)。開發(fā)早期，銅包鋁制品主要應(yīng)用在建筑電線和廣播電視電纜上。近十來年其產(chǎn)品才在我國開始推廣應(yīng)用，生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟，主要用于信號傳輸線，通訊行業(yè)的CATV同軸線纜，銅包鋁在電力電纜中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，為銅包鋁電纜的普及起到重要的作用。銅、鋁、銅包鋁三種導(dǎo)體性能參數(shù)對照表如表1所示：

表1

品名

抗拉強(qiáng)度

（MPa） 直流電阻率

（Ωmm2/m） 延伸率

（%） 密度

（g/mm3） 比熱

（AJ/kg℃）

銅 205～270 ≤0.018 12%～20% 8.90 0.39×103

鋁 100～125 ≤0.0285 8%～15% 2.70 0.88×103

銅包鋁 120～140 ≤0.0268 15% 3.63 0.79×103

2 主要生產(chǎn)工藝中的處理方法

由于鋁金屬存在不少力學(xué)性能和電學(xué)性能缺陷，為了克服這些缺陷，一些大的研發(fā)公司開發(fā)生產(chǎn)了銅包鋁導(dǎo)體（CCA），該導(dǎo)體采用了“包覆焊接拉拔”方法，將高純度銅帶同心地包覆在鋁桿線的外表面，通過多道次拉拔及熱處理，制成電纜所需要的線徑及力學(xué)和電學(xué)性能技術(shù)要求。該導(dǎo)體兼具銅的導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、可焊性強(qiáng)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，具有密度小、銅層密度均勻、高致密性、高延展性等特點(diǎn)，其較之純銅導(dǎo)體具有重量輕、線質(zhì)柔軟、成本低廉、節(jié)約銅資源等明顯優(yōu)勢。銅包鋁導(dǎo)體可廣泛應(yīng)用于有線電視信號傳輸線、大容量通訊、網(wǎng)絡(luò)信號傳輸線、低壓電力電纜產(chǎn)品；將該導(dǎo)體深加工成銅包鋁漆包線（CCAW）后，可應(yīng)用于電感線圈、鎮(zhèn)流器線圈、音頻線圈、電視機(jī)激勵偏轉(zhuǎn)線圈等方面；還可以將該導(dǎo)體擠壓成銅包鋁扁排，可應(yīng)用于配電柜匯流排、母線槽、大型變壓器、電焊機(jī)等方面。銅包鋁導(dǎo)體的誕生為銅、鋁資源的合理搭配利用開創(chuàng)了新紀(jì)元，符合國家提倡資源內(nèi)節(jié)約型社會的大政策，由此可見銅包鋁具有廣泛的市場發(fā)展前景。

3 實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 影響輸送電能的主要要素

電線電纜在輸送電荷時能力主要取決于導(dǎo)體的材質(zhì)、截面積大小、電壓等級與工作環(huán)境溫度。同等長度、規(guī)格的導(dǎo)體在相同時間內(nèi)電壓越高導(dǎo)體分子間傳遞的電荷越多即輸電能力越強(qiáng)；同等電壓不同材質(zhì)導(dǎo)體的輸電能力由材質(zhì)分子間運(yùn)動能力決定的，分子運(yùn)動越活躍即導(dǎo)電能力越強(qiáng)，同等材質(zhì)截面積越大輸電能力越強(qiáng)，工作環(huán)境溫度越高輸電能力越弱，反之越強(qiáng)。研究表明，銅分子的活躍性比鋁分子要強(qiáng)得多，由于銅包鋁導(dǎo)體外圓是銅，所以在銅包鋁導(dǎo)體上電流加大時銅就成了主要傳遞電荷的主要載體，內(nèi)芯鋁的電荷單位面積上比銅少得多，而且銅包鋁電纜更加能體現(xiàn)出導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。

3.2 鋁芯電纜（銅包鋁芯）

鋁芯電纜最早在英國、美國、日本研究并應(yīng)用推廣，據(jù)MBR預(yù)計(jì)，2015年北美鋁線纜的發(fā)貨量將提高8%～10%。然而在發(fā)展中國家還僅僅停留在文字的提倡層面上，在工程招標(biāo)書中多有體現(xiàn)。在我國依然是銅芯電纜占據(jù)大部分市場份額，而鋁芯電纜市場份額還不到20%，目前銅價不斷飆升，企業(yè)為了節(jié)省成本引入鋁芯線纜，在逐步的推廣使用中，鋁芯產(chǎn)品的優(yōu)勢越來越明顯，這必然會形成鋁制產(chǎn)品逐漸取代銅制產(chǎn)品。我國2000多家電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和7000余家電線電纜生產(chǎn)企業(yè)將為鋁芯電纜創(chuàng)造一個龐大的市場。電力供應(yīng)部門已經(jīng)得到授權(quán)，指定在中低電壓電纜業(yè)使用鋁。endprint

在這一領(lǐng)域，銅的總體消費(fèi)量約60多萬噸將被鋁替代。據(jù)《中國電力報(bào)》報(bào)道：常州供電公司首次成功使用了鋁芯電纜，此批規(guī)格為500平方毫米、長1640米的10千伏鋁芯電纜替代銅芯電纜后，可節(jié)約工程投資189萬元，只相當(dāng)于銅芯電纜費(fèi)用的23%。另外，從國外電纜行業(yè)的發(fā)展情況看，鋁制電纜將應(yīng)用于航空業(yè)，空中客車（Airbus）基于重量因素已經(jīng)決定部分采用鋁制電纜制造A380客機(jī)。汽車行業(yè)鋁制電纜應(yīng)用也正在研究

之中。

變壓器繞組的鋁材替代一個370kVA變壓器約使用33噸銅。因?yàn)殇X只有銅一半的導(dǎo)電性，但是同樣只有其重量的1/3，只需要60%鋁的重量能達(dá)到同樣的導(dǎo)電性。在國外，銅和鋁的變壓器都有供應(yīng)。然而在中國，目前只有銅變壓器。如果銅鋁價差繼續(xù)保持目前的水平或進(jìn)一步拉大，那么相關(guān)產(chǎn)業(yè)界將有足夠的動力來研制鋁變壓器，實(shí)現(xiàn)對銅制變壓器的替代，一旦這種替代變成現(xiàn)實(shí)，鋁材在此領(lǐng)域的消費(fèi)份額將較銅具有更大的發(fā)展?jié)摿?。電子材料行業(yè)的鋁材將在功率模塊中替代

銅材。

3.3 “銅包鋁”使電纜盜賊“失業(yè)”

用銅包鋁取代純銅電線，可減少70%的銅耗，降低電纜總造價40%。由于“銅包鋁”有良好的防盜性能，已成為光明工程的專用電纜。據(jù)了解，我國建設(shè)工程線纜用銅量占全國的20%，銅包鋁電線電纜除了可全面用于建設(shè)工程外，其最突出的優(yōu)勢是用于高頻通信（有線電視電纜）和電焊機(jī)等，因?yàn)橛斜燃冦~更優(yōu)越的性能，已成上述產(chǎn)品的專用電纜。此外，銅包鋁電纜還有更為優(yōu)異的防盜性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，某市每年被盜電纜價值幾百萬元，間接損失更為慘重，尤其是一些光明工程“屢換屢盜”令人頭疼。換上銅包鋁電纜，最近雖然也有被盜，但發(fā)案率大為降低。由于是銅鋁復(fù)合材料，回收利用都需要專門設(shè)備加工，盜賊無處銷贓。

事實(shí)也證明，銅包鋁電纜在全國多處工程實(shí)例運(yùn)用中已經(jīng)完全代替了銅電纜的性能。全國已有30多家電纜企業(yè)在按照自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造銅包鋁電力電纜，并且還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。目前，鄭州電纜公司、上海盛華電纜集團(tuán)公司、武漢電纜集團(tuán)公司、興樂集團(tuán)和青島漢纜集團(tuán)等都在批量制造銅包鋁電力電纜，并且被用戶

接受。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：陶君（1979-），女，山東蓬萊人，供職于沈陽理工大學(xué)，研究方向：原子與分子物理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint