銅包鋁母線的載流性能研究

蔡西川， 顧榮榮（上海電纜研究所，上海200093）

銅包鋁母線的載流性能研究

蔡西川， 顧榮榮
（上海電纜研究所，上海200093）

試驗(yàn)研究了不同銅層體積比的銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量。研究結(jié)果表明，當(dāng)銅層體積比由零增大至20%左右時(shí)，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量顯著增大；銅層體積比繼續(xù)增大時(shí)，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量緩慢增大。銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量隨母線寬度和厚度的增加而增大，其變化為線性的。寬厚比大的銅包鋁母線因其具有較大的散熱表面而表現(xiàn)出更大的載流能力。

銅包鋁母線；載流性能；銅層體積比；寬厚比

0　引言

銅包鋁母線是除銅母線和鋁母線之外的一種大截面復(fù)合導(dǎo)體，其典型結(jié)構(gòu)是鋁芯為基體，銅層完全包覆在鋁基體表面。銅包鋁母線作為一種復(fù)合材料載流導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)柜、母線槽等輸配電設(shè)備中。由于這些輸配電設(shè)備的電流輸送容量較大，一般都在幾千安培以上，因此這些設(shè)備對(duì)載流母線的首要要求就是能夠輸送較大電流，保證這些設(shè)備在輸送大容量電流時(shí)，設(shè)備的部件溫升不會(huì)過(guò)高、結(jié)構(gòu)及支撐材料不被破壞等。

銅包鋁母線作為一種新型載流導(dǎo)體，其載流能力與純銅母線及鋁母線有較大差異。在一些標(biāo)準(zhǔn)及出版物中已提供了典型規(guī)格的銅母線以及鋁母線的載流量值，但未給出銅包鋁母線的載流量值。本文將從試驗(yàn)研究的角度出發(fā)，對(duì)典型規(guī)格銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量值進(jìn)行測(cè)量和歸納分析，并對(duì)銅包鋁母線載流能力的影響因素進(jìn)行探討，以期為下游設(shè)計(jì)單位和用戶提供參考。

考慮到影響導(dǎo)體載流能力的因素眾多，包括導(dǎo)體材料、結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、敷設(shè)狀態(tài)等，本文在試驗(yàn)研究時(shí)將主要針對(duì)復(fù)合導(dǎo)體材料本身的差異，對(duì)不同材質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)差異的銅包鋁母線的載流性能進(jìn)行比較試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，所有母線的外部環(huán)境條件及敷設(shè)狀態(tài)保持一致，對(duì)母線加載電流，在溫升相同的條件下記錄穩(wěn)態(tài)載流量值。

1　銅層體積比對(duì)銅包鋁母線載流性能的影響

影響導(dǎo)體載流性能的最直接因素即為材料本身。導(dǎo)體電阻越大，在導(dǎo)體通過(guò)相同電流時(shí)，導(dǎo)體自身產(chǎn)生的熱量也就越大，在外部散熱條件一致時(shí)，導(dǎo)體的溫升就越高，而反映出的載流能力也就越小。銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導(dǎo)體材料組成，銅在20℃的電阻率為0.017 241Ω·mm2/m，即100% IACS；鋁在20℃的電阻率為0.028 264Ω·mm2/m，即61%IACS。在銅包鋁母線中，銅含量越高，銅包鋁母線的電阻越小，導(dǎo)電性能越高。在銅包鋁母線行業(yè)中常用銅層體積比來(lái)表示母線中銅的含量，目前國(guó)內(nèi)外大量使用的銅包鋁母線的銅層體積比范圍為15%～25%［1-2］。從理論上分析，復(fù)合母線的導(dǎo)電率（%IACS）與銅層體積比是呈線性關(guān)系的。

本文在試驗(yàn)研究時(shí)，首先進(jìn)行了相同規(guī)格不同銅層體積比銅包鋁母線的載流量比較試驗(yàn)。選用的母線規(guī)格為6 mm×80 mm（厚度×寬度），除選用不同銅層體積的銅包鋁母線外，還選擇了相同規(guī)格的銅母線（相當(dāng)于銅層體積比為100%）和鋁母線（相當(dāng)于銅層體積比為0）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

表1是在規(guī)格相同，單根母線平放，不同銅層體積比的母線溫升為50K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值。圖1是相同規(guī)格母線的穩(wěn)態(tài)載流量值隨銅層體積比的變化曲線。

表1　不同銅層體積比的母線溫升50K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值

圖1　母線穩(wěn)態(tài)載流量隨銅層體積比的變化曲線

從表1和圖1中可以看出，相同規(guī)格母線的穩(wěn)態(tài)載流量值隨銅層體積比的增加而增大。從母線材料本身來(lái)看，銅層體積比增大，母線的電阻率降低，導(dǎo)電率提高，電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量降低，母線載流能力提高。從圖1的變化曲線來(lái)看，母線50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值與銅層體積并非呈線性關(guān)系，這與導(dǎo)電率與銅層體積比的關(guān)系是不同的。當(dāng)母線材料由純鋁變?yōu)閹в邪层~層的復(fù)合母線時(shí)，由于帶有銅包覆層的復(fù)合母線黑度系數(shù)要高于鋁材質(zhì)，其表面散熱狀況發(fā)生了根本的改變，復(fù)合母線的載流量有顯著增加；但當(dāng)銅層體積比繼續(xù)增加時(shí)，母線的載流能力僅呈現(xiàn)緩慢增加。

從圖1中還可以看出，在銅層體積比由0增大至100%過(guò)程中，銅層體積比為20%左右時(shí)，母線的載流能力出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，20%銅層體積比的母線在50 K溫升時(shí)的載流量已達(dá)到純銅母線的97.8%。由于銅包鋁復(fù)合母線有多種不同制備工藝，每種工藝制備的母線銅層體積比并不一致，而且銅層體積比也直接決定了復(fù)合母線的材料成本，因此銅層體積比的選擇和規(guī)定一直以來(lái)是困擾銅包鋁母線行業(yè)發(fā)展的最重要問(wèn)題。結(jié)合圖1復(fù)合母線穩(wěn)態(tài)載流量隨銅層體積比的變化曲線來(lái)看，銅層體積比選擇在20%左右時(shí)是合理的，因?yàn)槔^續(xù)增大銅層體積比時(shí)，復(fù)合母線的材料及加工成本會(huì)有較大提高，但復(fù)合母線的載流能力僅有緩慢增加。

2　寬度對(duì)銅包鋁母線載流性能的影響

在開(kāi)關(guān)柜及母線槽中，有眾多不同規(guī)格的母線可供選擇。本文選擇銅層體積比為20%、厚度為6 mm、寬度在60～160 mm范圍內(nèi)的銅包鋁母線進(jìn)行試驗(yàn)研究。表2是在母線采取單根平放方式，外部環(huán)境一致條件下，母線溫升50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值。圖2是溫升50 K時(shí)穩(wěn)態(tài)載流量隨母線寬度的變化曲線。

表2　不同寬度的母線溫升50K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值

圖2　溫升50 K時(shí)母線穩(wěn)態(tài)載流量隨寬度的變化曲線

從圖2可看出，在厚度一致的條件下，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量值隨寬度的變化呈近似線性關(guān)系。電流通過(guò)母線時(shí)，導(dǎo)體自身產(chǎn)生熱量致使其溫度上升，當(dāng)母線自身產(chǎn)生的熱量與表面散熱量相等時(shí)，導(dǎo)體在某一加載電流條件下達(dá)到平衡狀態(tài)，其溫度保持不變。在銅層體積比相同的條件下，隨著母線寬度增加，導(dǎo)體發(fā)熱量和表面散熱量也呈比例增大，因此，母線的穩(wěn)態(tài)載流量也隨母線寬度呈線性增大。

3　厚度對(duì)銅包鋁母線載流性能的影響

選擇銅層體積比為20%、寬度為100 mm、厚度在6～12 mm范圍內(nèi)的銅包鋁母線進(jìn)行試驗(yàn)，研究銅包鋁母線載流性能與厚度之間的關(guān)系。表3是在母線采取單根平放方式，外部環(huán)境一致條件下，母線溫升50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值。圖3是溫升50 K時(shí)穩(wěn)態(tài)載流量隨母線寬度的變化曲線。

表3　不同厚度的母線溫升50K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值

圖3　溫升50 K時(shí)母線穩(wěn)態(tài)載流量隨厚度的變化曲線

從圖3可看出，在寬度一致的條件下，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量值隨厚度的變化也呈近似線性關(guān)系。從理論上分析，這與母線載流量隨寬度變化的規(guī)律是一致的。當(dāng)銅層體積比一定時(shí)，母線厚度增加，母線產(chǎn)生的熱量和表面散熱量均呈比例增大，因此母線在溫升50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量隨著厚度增加呈線性增大。

4　導(dǎo)體截面形狀對(duì)銅包鋁母線載流性能的影響

在開(kāi)關(guān)柜和母線槽中可選擇不同寬厚比的母線，本文在試驗(yàn)時(shí)對(duì)兩種常用的截面積相等、不同寬厚比的母線進(jìn)行載流量試驗(yàn)對(duì)比研究。這兩種母線的規(guī)格分別為6 mm×80 mm（厚度×寬度）和8 mm×60 mm（厚度×寬度），銅層體積比為20%。表4是母線采取單根平放方式，在外部環(huán)境一致條件下，溫升50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量值。

表4　不同寬厚比母線溫升50 K時(shí)的穩(wěn)態(tài)載流量

對(duì)于表4中兩種規(guī)格的母線，在銅層體積比相同的條件下，具有相同電阻，通過(guò)相同電流時(shí)，其導(dǎo)體的發(fā)熱量是相同的。比較表4中的數(shù)據(jù)可以看出，寬厚比較大的母線（6 mm×80 mm）載流能力是寬厚比較小母線（8 mm×60 mm）的1.12倍。這表明寬厚比較大的母線具有更好的散熱效果，其原因在于寬厚比較大的母線具有更大的散熱面積。因此，在開(kāi)關(guān)柜和母線槽選擇設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先選擇寬厚比較大的母線。

5　結(jié) 論

（1）銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量隨銅層體積比的增大而增大。當(dāng)銅層體積比由0增至20%時(shí)，母線的載流量顯著增大；銅層體積比繼續(xù)增加時(shí)，母線的載流量緩慢增大。

（2）厚度相同時(shí)，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量隨母線寬度的增大呈線性增大；寬度相同時(shí)，銅包鋁母線的穩(wěn)態(tài)載流量隨母線厚度的增大呈線性增大。

（3）相同體積比、同等截面積的銅包鋁母線穩(wěn)態(tài)載流量與導(dǎo)體截面形狀有關(guān)，寬厚比較大的母線具有更大的載流能力。

［1］ JB/T 11599—2013 電工用銅包鋁母線［S］.

［2］ DL/T 247—2012 輸變電設(shè)備用銅包鋁母線［S］.

Research of Current Carrying Capacity of Copper-Clad-Aluminum Bus Bar

CAIXi-chuan，GU Rong-rong
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

ExPerimentwas carried out to study the current carrying caPacity of different volume ratioof coPPer layerof coPPer-clad-aluminum bus bars.Research results show thatwhen the volume ratio of coPPer layer increases from zero to about20%，the current carrying caPacity ofbus-bars increases significantly.When the volume ratio of coPPer layer continues to increase，the currentcarrying caPacity of bus-bars increasesslowly.The current carrying caPacity of coPPer-clad-aluminum bus bars increased with the increase of width and thickness，the change is linear.Because of larger radiating surface，current carrying caPacity of bus-barwith larger flakiness ratio is greater than smaller flakiness ratio ones.

coPPer-clad-aluminum bus bar；current carrying caPacity；volume ratio of coPPer layer；flakiness ratio

TM244.3

A

1672-6901（2016）02-0004-03

2015-11-17

蔡西川（1980-），男，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.