銅鋁復(fù)合導(dǎo)體在母線槽中的應(yīng)用分析

吳永季

摘要：銅鋁復(fù)合母線是屬于母線槽結(jié)構(gòu)中的一種新型導(dǎo)體材料，它的廣泛應(yīng)用推廣能夠有效地減少母線槽對金屬銅的依賴性，降低我國輸配電事業(yè)對銅資源的大量消耗。本文將從行業(yè)現(xiàn)狀、電氣性能、短耐能力、電氣壽命等幾個方面對其展開一個詳細(xì)分析和理論探討，期望為我國母線槽行業(yè)后續(xù)發(fā)展研究提供有價值的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：銅鋁復(fù)合母線;導(dǎo)體;母線槽

引言：

母線槽系統(tǒng)作為各類輸配電線路系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，自1980年引入以來，便憑借其產(chǎn)品安裝便捷、性能安全、載流量大、能耗低等諸大優(yōu)勢普遍廣泛運(yùn)用于輸配電系統(tǒng)中。鋁母線雖然成本低、重量輕，但電氣性能、機(jī)械性能，使用壽命上都不如銅母線，所以母線槽的導(dǎo)體基本上以金屬銅作為其載流導(dǎo)體。銅是一種比較稀有的有色金屬化學(xué)材料，市場上的價格也逐年升高。因此銅鋁復(fù)合母線在母線槽領(lǐng)域的占比呈現(xiàn)較快增長趨勢。

一、銅鋁復(fù)合型母線在母線槽行業(yè)的現(xiàn)狀

母線槽主要分為密集型、空氣型和澆注型母線槽，不同類型的母線槽適用于不同的領(lǐng)域。密集型母線槽呈現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)，其絕緣主要依賴絕緣薄膜，利用導(dǎo)體間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，由于其電流密度大，載流量大，體積小的特點(diǎn)多用于工業(yè)廠房、商業(yè)中心等;空氣型母線槽利用絕緣件支撐裸母線，主要依靠空氣絕緣，其饋電方便、維護(hù)簡單、電流小的特點(diǎn)，多用于數(shù)據(jù)機(jī)房等;澆筑型母線槽分耐火類與非耐火類，利用多種混合劑澆注在銅排間絕緣，其特點(diǎn)是防護(hù)等級高，多用于化工、消防等領(lǐng)域。

根據(jù)電工委2016年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，母線槽同年共生產(chǎn)約1300萬米，每米母線槽使用銅排按30kg/m計算，共用銅39萬噸，換成銅鋁復(fù)合型銅排按21.9kg/m計算，用銅鋁復(fù)合排28.5萬噸，用銅量約為11.4萬噸，可節(jié)約用銅量71%?？梢娡茝V銅鋁復(fù)合型母線應(yīng)用在母線槽領(lǐng)域里的必要性。

國家電氣工業(yè)協(xié)會早在2010年提出并組織制定了有關(guān)銅鋁復(fù)合母線的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)CEEIA B220-2010《電工用銅鋁復(fù)合母線》，電器企業(yè)聯(lián)合會也在2012年相應(yīng)組織制訂了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T247-2012《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》，并組織了銅鋁復(fù)合母線的《中國電力認(rèn)證》。國家和行業(yè)組織對使用銅鋁復(fù)合母線進(jìn)行規(guī)范，并起到了一定的推廣作用。

二、銅鋁復(fù)合型母線在母線槽行業(yè)的技術(shù)指標(biāo)

（一）、電氣性能

對于母線槽設(shè)計者而言，母線槽的主要電氣性能指標(biāo)為母線槽的溫升。銅鋁復(fù)合母線作為載流導(dǎo)體，它的溫升至關(guān)重要。根據(jù)GB/T 7251.6-2015相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，母線槽使用環(huán)境溫度不超過40℃，其載流母線的溫升不得超過95K。在一定條件下，在通過導(dǎo)體電流大小一定的情況下，導(dǎo)體的發(fā)熱與其導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率有關(guān)。

銅鋁復(fù)合母線是由銅和鋁兩種導(dǎo)體組成。由于銅和鋁的導(dǎo)電率有顯著差異，銅的導(dǎo)電率遠(yuǎn)比鋁的導(dǎo)電率高，所以銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體的體積比決定了銅鋁復(fù)合型母線的導(dǎo)電率。在同一載流量的情況下，銅導(dǎo)體的占比越高導(dǎo)體溫升越低。對于用戶而言，在保證母線槽達(dá)到所需載流能力的情況下，選擇銅占比小的母線更經(jīng)濟(jì);對于制造商而言，銅占比越小，其制造難度越大，穩(wěn)定性也更難保證，對產(chǎn)品的制備生產(chǎn)過程能力更難控制，生產(chǎn)成本也會相應(yīng)的提高。這是現(xiàn)階段銅鋁復(fù)合型母線槽市場混亂的根源。

（二）、短耐能力

在供配電系統(tǒng)中，交變電流通過母線槽導(dǎo)體時，載流導(dǎo)體會在母線槽周圍產(chǎn)生交變磁場，使得其他載流導(dǎo)體在該磁場下產(chǎn)生電動力。當(dāng)配電設(shè)備發(fā)生短路故障時，母線槽所需承受的電動力是正常運(yùn)行的幾十倍。電流越大，母線槽所需承受的電動力越大。要得到市場的廣泛認(rèn)可，銅鋁復(fù)合母線作為一種型新的導(dǎo)體復(fù)合材料，就必須對其短時耐受能力進(jìn)行驗證。

關(guān)于銅鋁復(fù)合型母線的短時耐受能力，廠家需要依據(jù)GB/T 7251.1《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》中10.11條款試驗方法，設(shè)計符合試驗要求的母線槽送檢，以驗證母線是否適合使用在母線槽系統(tǒng)中。國家質(zhì)量認(rèn)證中心數(shù)據(jù)顯示取得3C認(rèn)證報告的銅鋁復(fù)合型母線槽廠家已有十幾家。例如江蘇華強(qiáng)、北京華北長城等。對400A-6300A的母線槽進(jìn)行了3C型式試驗，測試結(jié)果都合格，獲得相應(yīng)的報告。

（三）、電氣壽命

關(guān)于銅鋁復(fù)合母線電氣壽命，制造商和用戶都會擔(dān)心的問題是母線是否會因為熱脹冷縮應(yīng)力而分離，需要引入界面結(jié)合強(qiáng)度和可靠性兩個關(guān)鍵性指標(biāo)來驗證。

關(guān)于銅鋁復(fù)合型母線的界面結(jié)合強(qiáng)度，我們通過對不同規(guī)格的銅鋁復(fù)合母線進(jìn)行了0—200℃，100次熱循環(huán)試驗來驗證。200 ℃溫差熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力沒有破壞它，而母線槽正常使用溫度不超過130℃，因此使用是安全的。此試驗驗證了母線界面結(jié)合強(qiáng)度沒有降低，關(guān)于銅鋁復(fù)合型母線的可靠性，上海電纜研究所歷時8個月，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9327《額定電壓35KV（Um=40.5kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接金具試驗方法和要求》，對銅鋁復(fù)合型母線進(jìn)行了1000次熱循環(huán)試驗，母線的電阻比率和離散度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，測試結(jié)果都合格。充分說明了銅鋁復(fù)合型母線材質(zhì)沒有發(fā)生改變，滿足電控、配電設(shè)備的使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)束語：

隨著中國特色社會主義經(jīng)濟(jì)的不斷蓬勃發(fā)展、我國城鄉(xiāng)交通一體化發(fā)展的逐步加快、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和現(xiàn)代城市化進(jìn)程的加快，人們對輸配電系統(tǒng)的安全性能和使用成本控制的要求越來越嚴(yán)格。此外，目前國家始終堅持“低碳環(huán)保、節(jié)能減排”的清潔能源安全政策。而利用銅鋁復(fù)合母線發(fā)電導(dǎo)體的綜合生產(chǎn)應(yīng)用工藝，不僅可以有效提高母線槽的綜合性能，還可以有效降低使用銅鋁等金屬元素發(fā)電資源的大量消耗。它可以代替復(fù)合銅母線導(dǎo)體，作為核心材料代替應(yīng)用材料，是我國電氣設(shè)備輸配電技術(shù)的重要進(jìn)步。本文對母線電氣性能、短耐性能、使用壽命進(jìn)行了深入分析。銅鋁復(fù)合型導(dǎo)體用于母線槽的應(yīng)用，有望為我國輸配電系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供有價值的技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]白志勝，陳建兵，忻尚芝，夏鯤.低壓成套設(shè)備中銅鋁復(fù)合母線溫升的研究[J].電子元件與材料，2015，34（11）：92-95.

[2]徐猛.銅鋁復(fù)合母線導(dǎo)體在母線槽中的應(yīng)用分析[J].科技與企業(yè)，2015（16）：221.

[3]段毅，韓東明，王沙，王陽.銅鋁復(fù)合母線導(dǎo)體在母線槽中的應(yīng)用分析[J].電工文摘，2012（03）：43-47.