鋁合金電纜性能特點(diǎn)的分析與探討

摘 要： 本文闡述了鋁合金電纜在我國(guó)的發(fā)展歷程，結(jié)合鋁合金電纜的制造工藝、導(dǎo)體成分等，對(duì)其性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析和綜結(jié)，為鋁合金電纜的設(shè)計(jì)和選用提供參考與依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 鋁合金;電纜;導(dǎo)體;蠕變;緊壓

近幾年，全國(guó)掀起了鋁合金電纜的熱潮，電纜制造企業(yè)一哄而上，都打著鋁合金的旗幟，但在應(yīng)用的過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題。何為鋁合金電纜？我們有必要對(duì)鋁合金電纜的性能特點(diǎn)進(jìn)行分析與探討，為鋁合金電纜的設(shè)計(jì)和選用提供參考與依據(jù)。

一、鋁合金電纜的發(fā)展

60年代末，美國(guó)南方線纜公司研制并生產(chǎn)出首條鋁合金電纜，到20紀(jì)70年代，美歐等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開始推廣應(yīng)用這種新型導(dǎo)體的電纜。針對(duì)鋁合金電纜產(chǎn)品的應(yīng)用，以美國(guó)南方線纜為首的鋁合金電纜生產(chǎn)廠家積極聯(lián)合UL等機(jī)構(gòu)，開展適合鋁合金導(dǎo)體及電纜產(chǎn)品的連接技術(shù)和相關(guān)連接器的研究，取得技術(shù)突破并制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)至今日，美國(guó)、加拿大等歐美國(guó)家已在各領(lǐng)域大面積使用鋁合金電纜。2006年，鋁合金電纜產(chǎn)品開始引入我國(guó)。2007年8 月，加拿大鋁業(yè)集團(tuán)在天津設(shè)廠專業(yè)生產(chǎn)“世德合金”的鋁合金電纜，促進(jìn)并加速我國(guó)鋁合金電纜的發(fā)展。2014年，我國(guó)十二屆全國(guó)人大二次會(huì)議形成了《關(guān)于擴(kuò)大鋁合金電纜在電力行業(yè)應(yīng)用的建議》的第9287號(hào)提案，國(guó)家電網(wǎng)公司將鋁合金電纜納入國(guó)家電網(wǎng)公司2014版新技術(shù)目錄，標(biāo)志著鋁合金電纜開始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。此后，我國(guó)先后發(fā)布并實(shí)施了三個(gè)有關(guān)鋁合金電纜的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30552-2014 《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》、NB/T 42051-2015 《額定電壓0.6/1KV鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》、GB/T30840-2015 《額定電壓1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》。推動(dòng)并規(guī)范了鋁合金電纜的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。根據(jù)多年的運(yùn)行效果和運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們?nèi)孕鑼?duì)其性能和特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

二、鋁合金電纜的性能和特點(diǎn)

鋁合金電纜的導(dǎo)體材料是在熔煉過(guò)程中添加一定比例的微量合金元素，形成鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%的合金，其成分代號(hào)對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分見表1，在實(shí)際應(yīng)用中以8030最為常見。熔煉工序采用稀土、硼化處理等先進(jìn)工藝使其既能保持純鋁優(yōu)異的電氣性能，同時(shí)解決了純鋁導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度和延伸率低，抗壓蠕變性能和柔韌性差等問(wèn)題，從而大幅提高了電纜導(dǎo)體的機(jī)械性能和防腐性能。在電纜的制造過(guò)程中導(dǎo)體采用輥壓成型、緊壓絞合技術(shù)，近期又出現(xiàn)了拉拔成型、異形線絞合新工藝，絞合導(dǎo)體再經(jīng)過(guò)中溫退火處理，使鋁合金電纜有了以下性能特點(diǎn)：

1.導(dǎo)電性能。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電纜導(dǎo)體用鋁合金線20℃的電阻率 0.028264 ? mm2/m，因采用了硼化處理和中溫回火工藝，鋁合金的導(dǎo)電率實(shí)際能達(dá)到61.5%IACS，具有與純鋁完全相同的導(dǎo)電性能。

2.抗蠕變性能。金屬材料在溫度和應(yīng)力的作用下，隨著時(shí)間增加會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形從而造成電纜接頭松動(dòng)，接觸電阻增大，是電纜事故的主要隱患之一。鋁合金電纜的導(dǎo)體材料增加了鐵、銅等元素，改善了純鋁材料的抗蠕變性能，退火處理工藝去除了導(dǎo)體在加工過(guò)程中的殘余內(nèi)應(yīng)力。相對(duì)于純鋁導(dǎo)體，鋁合金導(dǎo)體抗蠕變性能提高200%以上，消除了因蠕變引起的電纜接頭松動(dòng)的隱患。

3.延伸率。鋁合金電纜的導(dǎo)體材料在熔煉過(guò)程中添加一定比例的微量合金元素，并采用了特殊的加工工藝，形成了新型的鋁合金材料，極大地提高了抗拉強(qiáng)度， 且在電纜的制造加工過(guò)程中又經(jīng)過(guò)了中溫退火工序，保證斷裂伸長(zhǎng)率≥10%，最高能到30%。

4.疲勞和柔韌性。鋁合金電纜導(dǎo)體因其獨(dú)特的材料成份、并采用先進(jìn)的加工工藝，使柔韌性大幅提高，回彈小，抗疲勞性好，反復(fù)彎曲次數(shù)能達(dá)到≥10次。

5.抗蝕性。鋁與空氣接觸時(shí)會(huì)在其表面形成的致密氧化保護(hù)層，阻斷腐蝕的繼續(xù)反應(yīng)，因此鋁在一般大氣中具有良好的耐蝕性，而鋁合金中添加的合金和稀土元素又能進(jìn)一步改善其耐腐蝕性能，尤其是電化學(xué)腐蝕性能。

6.緊壓導(dǎo)體。在體積電導(dǎo)率方面，鋁合金肯定不及銅導(dǎo)體，相同載流量必須增加導(dǎo)體截面積，從而加大了電纜的外形尺寸。但由于在電纜的制造過(guò)程中，采用了成型緊壓絞合新技術(shù)，使絞合導(dǎo)體的緊壓系數(shù)（有效截面積比外形截面積）達(dá)到0.95以上，通過(guò)提高緊壓系數(shù)，降低絞合線芯外徑，減少鋁合金電纜在體積電導(dǎo)率上的不足，達(dá)到在同等載流量情況下鋁合金電纜導(dǎo)外徑只比銅纜導(dǎo)體外徑大1/10左右。

7.導(dǎo)體性價(jià)比。質(zhì)量電阻率是衡量導(dǎo)體材料消耗的重要參數(shù)，其為：體積電阻率乘以材料密度。 銅的質(zhì)量電阻率=0.017241X8.9=0.1534 （g/m2） 鋁合金的質(zhì)量電阻率=0.028264X2.7=0.0763 （g/m2）。根據(jù)計(jì)算：銅的質(zhì)量電阻率是鋁合金的質(zhì)量電阻率的2.01倍，也就是制造相同長(zhǎng)度并具有相同直流電阻的導(dǎo)體，所用材料銅的質(zhì)量是鋁質(zhì)量的2.01倍。實(shí)際材料均價(jià)為：鋁價(jià)17000元/噸，銅價(jià)50000元/噸。由此可得：制造相同長(zhǎng)度并相同直流電阻的導(dǎo)體，銅導(dǎo)體是鋁合金導(dǎo)體材料成本的6倍。再者，相同載流量的電纜，鋁合金電纜的重量大約是銅纜的三分之二，采用鋁合金電纜取代銅纜，可以減輕電纜自身的重量，降低安裝和運(yùn)輸成本，進(jìn)一步說(shuō)明鋁合金電纜有著巨大的成本優(yōu)勢(shì)。

8.抗拉強(qiáng)度和熔點(diǎn)。鋁合金電纜導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度在110MN/m2左右，為銅導(dǎo)體的一半左右，熔點(diǎn)為658℃，而火焰溫度均一般均可達(dá)到800～1000℃，所以鋁合金電纜難以滿足高溫和防火等重要或特殊場(chǎng)合的要求。

三、 結(jié)語(yǔ)

鋁合金電纜采用獨(dú)特配方的鋁合金材料，結(jié)合緊壓成型和退火處理等先進(jìn)工藝發(fā)明創(chuàng)造的新型電力電纜，不僅解決了原純鋁電纜存有的先天缺陷，又具有與純鋁電纜完全相同的導(dǎo)電性能，能夠保證電纜長(zhǎng)時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，使鋁合金電纜在電力傳輸上取代銅芯電纜具備了可行性，同時(shí)鋁合金電纜高性價(jià)比，又為其獲取了巨大的市場(chǎng)空間。但因相對(duì)于銅導(dǎo)體熔點(diǎn)低，強(qiáng)度不高，不能盲目夸大鋁合金電纜的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，在一些消防、高溫、振動(dòng)、應(yīng)急等重要或特殊的場(chǎng)合上，設(shè)計(jì)和選用鋁合金電纜仍須慎重。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：周彥標(biāo)（1973-07-13）男，江西廣豐人，江西南纜集團(tuán)有限公司，工程師，從事電氣專業(yè)27年。