銅包鋁線特性對銅包鋁電纜使用性能的影響

鄭傳濤，戴雅康

（大連通發(fā)復(fù)合線纜科技發(fā)展有限公司，遼寧大連116000）

銅包鋁線特性對銅包鋁電纜使用性能的影響

鄭傳濤，戴雅康

（大連通發(fā)復(fù)合線纜科技發(fā)展有限公司，遼寧大連116000）

根據(jù)銅包鋁線由不同性質(zhì)的銅和鋁組成的特點(diǎn)，介紹了銅包鋁線所具有的結(jié)構(gòu)特性以及力學(xué)性能、電學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。論述了這些特性參數(shù)對銅包鋁線纜使用性能的影響，以提高銅包鋁線纜產(chǎn)品的質(zhì)量和使用效果。

銅包鋁線；銅包鋁線纜；使用性能；冶金結(jié)合；銅層體積比；連接特性

0 引 言

銅包鋁線是由純銅帶包覆鋁桿后經(jīng)銅帶縱縫焊接、坯料拉拔及退火等工序制成。銅和鋁的不同性能，對銅包鋁線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)性能、電學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等將產(chǎn)生很大影響，從而影響到銅包鋁電纜的安裝和使用，因此受到生產(chǎn)企業(yè)及用戶的普遍關(guān)注。

表1列出了銅包鋁線及純銅線、純鋁線的主要特性參數(shù)。本文將根據(jù)已取得的試驗(yàn)研究成果，論述這些特性參數(shù)對銅包鋁電纜使用性能的影響，以提高銅包鋁電纜產(chǎn)品的質(zhì)量和使用效果。

1 銅包鋁線的銅、鋁界面冶金結(jié)合狀態(tài)

銅包鋁線不是銅管“套”在鋁芯線上的“銅套鋁”，而是界面上的銅、鋁原子之間如同經(jīng)過冶煉過程一樣結(jié)合在一起，形成一個(gè)整體，稱之為“冶金結(jié)合”。這是保證銅包鋁線在使用過程中具有單一特性的前提，是對銅包鋁電纜質(zhì)量最基本的要求。

采用包覆焊接法生產(chǎn)的銅包鋁線，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的類型及機(jī)理在文獻(xiàn)［1］中已作了論述，文獻(xiàn)［2］介紹了退火工藝對冶金結(jié)合的影響。本文不再贅述。

銅、鋁界面的冶金結(jié)合特性可在選購或使用銅包鋁電纜的現(xiàn)場，采用簡易方法進(jìn)行鑒別。從電纜中截取一小段銅包鋁線，用手或手鉗將其反復(fù)彎曲折斷，觀察其斷口宏觀形貌。如果斷口上銅層與鋁芯分開（如圖1a所示），則表明未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；如果銅層緊密包覆鋁芯（如圖1b所示），則表明冶金結(jié)合良好。

圖1 銅包鋁線彎曲斷裂后的斷口宏觀形貌

未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的銅包鋁線是典型的廢品，使用過程中極易破斷，不能用做電纜導(dǎo)體。

2 銅包鋁線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

銅包鋁線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般用銅層體積（VCu）占整個(gè)銅包鋁線體積（VCCA）的百分比來表示，稱為“銅層體積比”。在《銅包鋁線》國家標(biāo)準(zhǔn)［3］中將“銅層體積比”分為10%、15%和20%三個(gè)檔次（允許有2%的偏差）。這三個(gè)檔次的銅層厚度一般不小于半徑的3.5%、5.0%及7.0%。

表1 銅包鋁線的主要特性

由于銅層體積比對銅包鋁電纜的力學(xué)性能、載流量以及成本和售價(jià)有很大影響，因此在選購和使用銅包鋁電纜時(shí)，可采用簡易的“溶銅檢測法”對電纜的標(biāo)識中所規(guī)定的銅層體積比進(jìn)行檢測。

在銅包鋁電纜中截取一段長度約為150 mm左右的樣品，扒去絕緣層，取出銅包鋁導(dǎo)體。若導(dǎo)體為絞線，可取其中一根經(jīng)校直后作為試樣。首先，用精度為0.01 mm的千分尺測量試樣的直徑d，然后將試樣端頭約20 mm長浸入硝酸溶液中，待銅層全部溶解后立即從溶液中取出。經(jīng)清洗后用千分尺測量鋁芯線的直徑，兩者之差即為銅層厚度t。

根據(jù)銅包鋁線直徑d及銅層厚度t，可按下式計(jì)算出該銅包鋁線的銅層體積比r，以確定銅包鋁線的檔次。

若測出的銅層體積比小于規(guī)定的數(shù)值，則說明銅層厚度太薄。這會降低電纜的承載能力、增大銅包鋁線的電阻率，不能滿足電纜載流量的要求，并增加電纜使用過程中的安全隱患。這是生產(chǎn)企業(yè)的“偷工減料”行為，應(yīng)予以摒棄。

3 銅包鋁線的力學(xué)性能

銅包鋁線的力學(xué)性能主要為抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率，這是電纜在成纜加工和安裝、使用時(shí)的主要性能指標(biāo)。

從表1可見，銅包鋁線的力學(xué)性能介于純銅線和純鋁線之間，并比電纜導(dǎo)體用鋁合金線［4］的高，足以滿足成纜加工和使用的要求。

銅包鋁線的力學(xué)性能除了與銅層體積比有關(guān)外，還取決于它的加工狀態(tài)。經(jīng)過拉拔變形的線材，抗拉強(qiáng)度較高，斷裂伸長率較低，稱為硬態(tài)；拉拔后經(jīng)過退火的線材，抗拉強(qiáng)度降低，斷裂伸長率升高，稱為軟態(tài)。

但是必須注意，若銅包鋁線拉拔和退火工序的工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，則會破壞銅鋁界面的冶金結(jié)合質(zhì)量，雖然其力學(xué)性能可能在合格范圍內(nèi)，但也將成為廢品。這是鑒別力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)必須注意的。

4 銅包鋁線的電學(xué)性能

銅包鋁線作為電纜導(dǎo)體，其電學(xué)性能（電阻率或電導(dǎo)率）是重要的使用性能指標(biāo)。

銅包鋁線的電學(xué)性能除了與銅層體積比有關(guān)外，還取決于它的加工狀態(tài)。經(jīng)過退火的軟態(tài)銅包鋁線的電導(dǎo)率，比冷拔加工硬態(tài)的要高。軟態(tài)銅包鋁線的電導(dǎo)率與退火加熱溫度和在該溫度下的保持時(shí)間有關(guān)。圖2［5］所示為φ2.0 mm的銅包鋁線在不同溫度下經(jīng)不同時(shí)間退火后對電導(dǎo)率的影響。由圖2可見，當(dāng)在250℃溫度下退火，隨著保溫時(shí)間的增長，銅和鋁在拉拔過程中產(chǎn)生的“加工硬化”現(xiàn)象逐漸消除，銅、鋁界面上所形成的金屬間化合物層較薄，對電導(dǎo)率沒有太大影響，甚至有所增加。但在較高溫度下經(jīng)較長時(shí)間退火，金屬間化合物層的厚度不斷增加，使界面上一部分銅和鋁原子形成化合物層而減少了銅層和鋁芯的體積，從而大大降低了銅包鋁線的電導(dǎo)率。這是鑒別銅包鋁線纜的電學(xué)性能指標(biāo)時(shí)必須重視的。

圖2 退火工藝規(guī)程對銅包鋁線電導(dǎo)率的影響

5 銅包鋁電纜與銅用配線器具的連接特性

5.1 接觸面的接觸電阻

由于鋁的接觸電阻很大，因此，人們往往擔(dān)心銅包鋁導(dǎo)體連接時(shí)，是否會增大接觸電阻？圖3所示為各種導(dǎo)體連接時(shí)，接觸載荷與接觸電阻關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果［6］。由圖3可見，由于鋁的表面易氧化，鋁/鋁、鋁/銅的接觸電阻較大。銅包鋁線表面是銅，因此銅包鋁/銅包鋁連接時(shí)，大體上與銅/銅連接相似，接觸電阻都較小。這是銅包鋁電纜優(yōu)于鋁導(dǎo)體電纜的一個(gè)重要特性。

圖3 各種導(dǎo)體的接觸載荷與接觸電阻的關(guān)系

5.2 通電熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

銅包鋁電纜用壓接式和機(jī)械式連接金具長期連接時(shí)，其接頭經(jīng)受冷熱不同溫度更迭變換，會不會喪失穩(wěn)定性？這是人們使用銅包鋁電纜的又一個(gè)顧慮。

對于這個(gè)問題，日本早在上世紀(jì)70年代就將銅包鋁線與不同的銅用配線器具連接，并采用不同的連接方式，在規(guī)定電流下進(jìn)行200次通電熱循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，銅包鋁線與所有銅用配線器具連接都具有穩(wěn)定的特性［6］。

對于大截面的銅鋁復(fù)合母線長期在大電流通/斷電情況下，其連接部位能否承受電流動沖擊和熱沖擊的影響？導(dǎo)體的直流電阻率是否會發(fā)生變化？上海電纜研究所對蘇州華銅復(fù)合材料有限公司提供的HT-TLMY銅鋁復(fù)合母線在用螺栓連接后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7］進(jìn)行了1 000次通/斷電熱循環(huán)試驗(yàn)。每次當(dāng)溫度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，由所測試的電流和直流電阻計(jì)算初始離散度和平均離散度，并計(jì)算每次熱循環(huán)后電阻比率的比值。試驗(yàn)結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求［8］。該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果充分說明了銅包鋁電纜在使用中的可靠性。

6 銅包鋁線的比熱

所謂“比熱”就是使1 kg物質(zhì)溫度上升1℃所需的熱量（Q），單位為J/kg·℃。

由表1可見，銅包鋁線的比熱比純銅線的大得多。這就意味著，要將相同重量的銅包鋁線溫度升高1℃所需的熱量要比純銅線的多；而且在重量和直徑相同的條件下，銅包鋁線的長度要比純銅線的長得多，因而散熱條件比純銅線的好。若使銅包鋁線和純銅線電阻相同，并在通以相同電流的條件下，經(jīng)相同時(shí)間后，銅包鋁線電纜的溫度一定比純銅線的低。例如，我國有關(guān)企業(yè)曾對銅包鋁導(dǎo)體的聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜與相同型號的銅導(dǎo)體電力電纜，通以90 A恒定電流，穩(wěn)定2 h后測量導(dǎo)體的溫度，結(jié)果銅包鋁導(dǎo)體電纜的平均溫度為64.6℃，而銅導(dǎo)體電纜為69.1℃。這對安全供電有很大好處。

7 銅包鋁線的熱膨脹系數(shù)

眾所周知，金屬受溫度的影響會產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，其伸縮量的大小可用線膨脹系數(shù)來表示。已知銅和鋁的線膨脹系數(shù)分別為17×10-6（1/℃）和24×10-6（1/℃），兩者相差較大。因此，人們往往擔(dān)心，當(dāng)溫度變化時(shí)是否會導(dǎo)致銅包鋁線的銅層與鋁芯長度不一致而影響使用性能？

這個(gè)問題的關(guān)鍵在于銅包鋁線的銅和鋁界面是否實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合而形成一個(gè)整體。在結(jié)合良好的情況下，當(dāng)溫度變化時(shí)，銅與鋁的伸縮變形量可相互制約和協(xié)調(diào)，使兩者具有共同的線膨脹系數(shù)。例如，銅層體積比為15%的銅包鋁線，其線膨脹系數(shù)為21.9×10-6（1/℃），介于銅和鋁的線膨脹系數(shù)之間，不會出現(xiàn)兩種金屬的錯(cuò)動現(xiàn)象。近年來，人們還對銅鋁復(fù)合母線在低于200℃溫度下承受熱脹冷縮應(yīng)力對界面剪切強(qiáng)度影響［8］進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，銅鋁復(fù)合母線在通常使用的最高溫度（90～110℃）下，其界面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于剪切強(qiáng)度（＞35 MPa），表明是安全可靠的。

8 銅包鋁線的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象

銅包鋁線中的銅與鋁是電極電位不同的兩種金屬，它們的標(biāo)準(zhǔn)電極電位：銅為+0.345 V，鋁為-1.670 V。當(dāng)其處于電解質(zhì)溶液（如含有CO2或SO2的潮濕介質(zhì)）中時(shí)，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，使負(fù)電性的鋁遭受腐蝕。

圖4所示即為銅包鋁線端面浸入0.1 mol/L的Na2SO4蒸餾水溶液中50 d后其端面上鋁的電化學(xué)腐蝕形貌［9］。由于鋁被侵蝕，致使銅層與鋁芯交界面逐漸分離。這是生產(chǎn)銅包鋁線及安裝銅包鋁電纜時(shí)應(yīng)重視的。

圖4 銅包鋁線端面電化學(xué)腐蝕形貌

為了防止銅包鋁線產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，在生產(chǎn)銅包鋁線過程中必須通過渦流探傷，檢測銅層中的露鋁現(xiàn)象，并對銅包鋁線冷壓焊接頭的露鋁部分采用局部鍍銅以覆蓋鋁層。對于在施工中截?cái)嗟你~包鋁線的端頭部位可涂一層快干漆或?qū)щ娔z進(jìn)行保護(hù)。

9 結(jié) 論

（1）銅包鋁線的銅、鋁界面未實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，是典型的廢品；銅包鋁線的銅層體積比或銅層厚度達(dá)不到結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，是偷工減料產(chǎn)品。這兩種現(xiàn)象都可通過簡易試驗(yàn)方法在購買和施工現(xiàn)場進(jìn)行檢測。

（2）質(zhì)量合格的銅包鋁線，其電纜的力學(xué)性能和電學(xué)性都能滿足使用要求，并與銅用配線器具有較好的連接特性，可放心使用。

（3）銅包鋁線比熱、線膨脹系數(shù)等物理性能，對銅包鋁電纜的使用性能沒有不良影響。但銅與鋁由于電極電位相差較大，而使銅包鋁線的露鋁部位在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。在銅包鋁線的生產(chǎn)過程中及銅包鋁電纜的安裝使用過程中應(yīng)采取措施予以克服。

［1］ 戴雅康，主玉凱，劉丕家，等.包覆焊接-拉拔法銅包鋁線冶金結(jié)合機(jī)理的探討［J］.電線電纜，2013（6）：1-6.

［2］ 趙正樹，戴雅康.銅包鋁線退火工藝的試驗(yàn)研究［J］.電線電纜，2011（6）：6-8.

［3］ GB/T 29197—2012 銅包鋁線［S］.

［4］ GB/T 30552—2014 電纜導(dǎo)體用鋁合金線［S］.

［5］ 山口，高山.銅クラツドアルミ線の開発（第1報(bào)製造および基礎(chǔ)的特性）［J］.日本藤倉電線技報(bào)，1972：47.

［6］ 石下ガ，莊司寬，水庭隆.銅被アルミニム線の屋內(nèi)配電缐への適用［J］.日立評論，1974，56（3）：85-90.

［7］ GB/T 9327—2008 額定電壓35 kV（Um=40.5 kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接金具試驗(yàn)方法和要求［S］.

［8］ 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.銅鋁復(fù)合母線參考圖集［M］.北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

［9］ 戴雅康，劉丕家，王玉凱.冷壓焊接頭對銅包鋁線使用性能的影響［J］.電線電纜，2009（1）：6-9.

The Characteristics of Copper Clad Alum inum W ire Effect on the Service Performance of Copper Clad Alum inum Cable

ZHENG Chuan-tao，DAIYa-kang
（Dalian TOFA Composite Cable Technology Development Co.，Ltd.，Dalian 116000，China）

According to the nature of copper clad aluminum wire which ismade of different characteristics of copper and aluminum，the paper introduces its structural characteristics，mechanical properties，electrical properties，physical properties and chemical properties.With the research results，this paper discusses the affect for the performance of copper clad aluminum cable under using these parameters，in order to improve the quality and using effectof copper clad aluminum cable.

copper clad aluminum wire；copper clad aluminum cable；service performance；metallic bonding；copper layer volume ratio；connection characteristics

TM244.1

：A

：1672-6901（2016）06-0004-04

2016-03-24

鄭傳濤（1960-），男，董事長，高級工程師.

作者地址：遼寧大連市中山區(qū)丹東街港景園18-2-401［116000］.