低壓成套設(shè)備中銅鋁復(fù)合母線的合理應(yīng)用及選擇方法

馮立瑋

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741000）

1 應(yīng)用銅鋁復(fù)合母線的意義

近年來，全球銅價不斷飆升。雖受全球經(jīng)濟危機的影響，2008 年銅價急劇下跌。然而，在2009 年以后，由于對全球經(jīng)濟復(fù)蘇的預(yù)期以及一些國家的采購和存儲策略，銅價迅速反彈。預(yù)計未來銅資源供應(yīng)將面臨挑戰(zhàn)，因此，銅價有望持續(xù)上漲，給下游工業(yè)用戶帶來了制造成本居高不下的問題。高銅價還對加快升級和更換導(dǎo)體材料的速度產(chǎn)生了積極影響[1]。中國銅資源稀缺，是高度依賴進口的國家。鋁資源儲備是世界第一，是純出口國。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，中國國內(nèi)銅精礦供應(yīng)量不足30%，其中70%以上依靠進口，遠高于中國對鐵礦石和石油的依賴。由于中國對銅的需求日益增長，進口依賴程度的提高帶來了一定的風險。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，中國可以通過多種途徑來緩解銅資源供應(yīng)壓力。

2 銅鋁復(fù)合母線排介紹

銅鋁復(fù)合母線排是一種高效、節(jié)能的電力傳輸設(shè)備，由銅和鋁組成。它具有良好的導(dǎo)電性能和機械強度，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)制造和建筑領(lǐng)域。銅鋁復(fù)合母線排的導(dǎo)電性能優(yōu)異。銅具有極佳的導(dǎo)電性能，而鋁則具有較低的電阻和良好的導(dǎo)電特性。通過將銅和鋁2 種材料復(fù)合在一起，可以充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，提高整體的導(dǎo)電性能。這使得銅鋁復(fù)合母線排能夠承載更大的電流負荷，減少能量損耗，提高電力傳輸效率。另外，銅鋁復(fù)合母線排具有良好的機械強度。由于鋁材料相對較輕，銅鋁復(fù)合母線排相比純銅母線排更輕便，更易于安裝和維護。同時，銅鋁復(fù)合母線排還具有較高的耐腐蝕性和抗氧化性，能夠在惡劣的環(huán)境條件下保持長期穩(wěn)定地運行[2]。

銅鋁復(fù)合母線排是一種常用于電力傳輸和配電系統(tǒng)中的重要組件。根據(jù)其規(guī)格和特性，可以將其分為TLMY-15和TLMY-20兩種型號。

TLMY-15 型號的寬度不超過60 mm，厚度不超過5 mm。在整個截面積中，銅層面積占據(jù)了15%。這意味著銅層的面積相對較小，但仍能滿足一定的電流傳輸需求。TLMY-15型號適用于一些較小規(guī)模的電力傳輸系統(tǒng)。另一種型號是TLMY-20，與TLMY-15相比，TLMY-20型號的寬度要大于80 mm，厚度也要大于6 mm。在整個截面積中，銅層面積占據(jù)了20%。這意味著銅層的面積更大，因此，具有更好的導(dǎo)電性能和承載能力。TLMY-20型號適用于一些較大規(guī)模的電力傳輸系統(tǒng)，例如高壓配電系統(tǒng)或工業(yè)生產(chǎn)線。

無論是TLMY-15 還是TLMY-20，銅鋁復(fù)合母線排都采用了銅和鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)。銅層提供了良好的導(dǎo)電性能，而鋁層則降低了成本并減輕了整個母線排的重量。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)使得銅鋁復(fù)合母線排在電力傳輸中具有較高的效率和可靠性。

3 銅鋁復(fù)合母線對產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素

導(dǎo)電體的材質(zhì)對于器件的抗溫升和耐短路性能有著重要影響。在相同電流條件下，不同材質(zhì)的導(dǎo)線具有不同的直流阻抗，導(dǎo)致它們的溫度升高也不同。為了確保導(dǎo)線的正常工作和溫度升高不超過預(yù)定值，在一定的散熱條件下，為了確保導(dǎo)線的正常工作和溫度升高不超過預(yù)定值，需要根據(jù)導(dǎo)線的導(dǎo)電率選擇合適的截面積。因此，有必要進行研究，比較銅母線和鋁母線在相同溫升和長度條件下的斷面對應(yīng)關(guān)系。溫度升高會對導(dǎo)線的直流電阻、截面積以及散熱情況等因素產(chǎn)生密切影響。利用牛頓熱傳導(dǎo)方程（Ps=KTAr），可以計算銅鋁復(fù)合母線和銅母線所對應(yīng)的斷面積關(guān)系。通過該方程，也可以確定復(fù)合母線所需的合適截面積，以滿足相同的溫升要求。這樣的研究對于選擇適當?shù)膶?dǎo)線材料和設(shè)計優(yōu)化銅鋁復(fù)合母線結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通過進行數(shù)值模擬和相關(guān)計算，更好地了解銅母線的性能，并且為其設(shè)計和應(yīng)用提供準確的參考。導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升可通過以下公式計算：

式中：i2KfR是導(dǎo)體電阻損耗產(chǎn)生的熱量，KA是通過輻射和對流散發(fā)的熱量，當導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量和通過輻射、對流散發(fā)的熱平衡時,達到穩(wěn)定溫升。

為了計算銅母線和鋁復(fù)合母線的截面積比，需要保持溫升、電流和導(dǎo)體長度不變。其中式（1）中：L為導(dǎo)體長度（m）；S為導(dǎo)體截面積（m2）；A為導(dǎo)體表面積（m2）；Kf為趨膚系數(shù)，i為電流峰值（A），K為總散熱系數(shù)。

在考慮總散熱系數(shù)K時，它包括輻射和對流散熱系數(shù)以及導(dǎo)體散熱系數(shù)的總和?？偵嵋驍?shù)K由輻射和對流散熱因數(shù)與導(dǎo)體散熱因數(shù)之和組成。在測試銅匯流排和銅鋁復(fù)合匯流排時，由于它們處于相同的測試結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件下，可以將輻射和對流的散熱系數(shù)視為恒定值。計算這2種不同導(dǎo)體截面比例時，溫升、電流、導(dǎo)體長度均相同，趨膚系數(shù)Kf，當橫截面較小時，可以忽略銅鋁復(fù)合母線和銅母線之間的差異。在這種情況下，可以用KL/K表示為常數(shù)，用F來表示。

設(shè)導(dǎo)體厚度為a，寬度為b，那么導(dǎo)體的截面積可以表示為S=a×b。導(dǎo)體的散熱表面積為A=2（a+b）L，其中L為導(dǎo)體長度。根據(jù)單位長度的散熱表面積可以表示為A′=2（a+b），溫升的大小取決于導(dǎo)體的直流電阻率ρ以及導(dǎo)體尺寸a和b。假設(shè)銅母線的溫升為τT，銅鋁復(fù)合母線的溫升為τF。這意味著通過比較直流電阻率和導(dǎo)體尺寸，可以評估不同類型母線的散熱性能，并進一步了解它們在實際工作條件下的溫升情況。則

式中：[ab（a+b）]F為銅鋁復(fù)合母線截面參數(shù)，ab（a+b）為銅母線截面參數(shù)，直流電阻率分別為ρT=0.017 77和ρF=0.025 54，分別是銅母線和銅鋁復(fù)合母線在20°C時的直流電阻率。

當銅鋁復(fù)合母線與銅母線具有相同的寬度時，銅鋁復(fù)合母線的厚度相比銅母線增加了33%。相反，當銅鋁復(fù)合母線與銅母線具有相同的厚度時，銅鋁復(fù)合母線的寬度增加了20%。銅母線和銅鋁復(fù)合母線截面對照表見表1。

表1 厚度與寬度規(guī)格

一般情況下，通過減小低壓成套開關(guān)柜同一相母線內(nèi)2 個絕緣支撐件之間的距離，增加母線的橫截面，特別是母線的厚度，可以很大地提高母線的動穩(wěn)定性，母線的熱穩(wěn)定性僅取決于其橫截面。在安裝母線時，絕緣支撐件的安裝尺寸和所能承載的動熱穩(wěn)定電流也應(yīng)該和母線的尺寸及開關(guān)柜的短路電流相匹配，以上這些因素對于設(shè)計和選擇合適的母線以確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行至關(guān)重要[3]。

導(dǎo)體的經(jīng)濟電流密度的選擇應(yīng)當考慮線材部分的熱穩(wěn)定性要求。對于銅鋁復(fù)合導(dǎo)體，除了滿足溫升和動態(tài)熱穩(wěn)定性的要求外，還需考慮其在沖壓、彎曲加工以及應(yīng)對熱膨脹引起的應(yīng)力方面的性能。此外，制備工藝也會對銅鋁復(fù)合導(dǎo)體的界面結(jié)合強度產(chǎn)生影響，不同的工藝最終會影響到導(dǎo)體的界面結(jié)合強度。因此，在選擇導(dǎo)體時需綜合考慮上述因素，以確保滿足各項要求。

4 銅鋁復(fù)合母線的關(guān)鍵技術(shù)性能

4.1 銅鋁復(fù)合母線的性能參數(shù)

電氣性能是其主要的性能指標之一，可以通過直流電阻率或20 ℃下的負載容量來衡量。直流電阻率是指單位長度內(nèi)電流通過時的電阻大小，通常以Ω∕m為單位表示。負載容量則指在特定溫度條件下，母線所能承受的最大電流。力學性質(zhì)也是評估銅鋁母線性能的重要指標?？估瓘姸仁侵覆牧显诶爝^程中能夠承受的最大應(yīng)力，通常以MPa為單位表示。延伸率則是材料在斷裂前能夠發(fā)生塑性變形的程度，以百分比表示。撓曲性能指材料在受到外力作用時的彎曲能力，而結(jié)合強度則描述了材料與其他部件連接的牢固程度。銅母線和銅鋁復(fù)合母線導(dǎo)電性能參數(shù)對照表見表2。

表2 導(dǎo)電材料性能對比

4.2 銅鋁復(fù)合母線的關(guān)鍵參數(shù)

銅-鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)合強度對其導(dǎo)熱性能有著重要的影響。DL∕T 247標準規(guī)定了這一強度應(yīng)高于35 MPa。如果界面結(jié)合強度低于此標準，由于熱膨脹和收縮引起的應(yīng)力可能會對銅和鋁產(chǎn)生損傷。此外，界面結(jié)合問題還容易導(dǎo)致電偶腐蝕，并帶來潛在的風險，如失效、短路以及火災(zāi)等。銅層的體積比例也是影響復(fù)合材料性能的重要因素之一。較厚的銅層可以提高導(dǎo)電性能，但同時也增加了制造難度和成本。然而，當銅層厚度超過某個特定值后，電導(dǎo)率并不會顯著提高，而成本卻大幅增加[4]。因此，在設(shè)計中需要找到一個合適的平衡點。功率工業(yè)規(guī)范DL∕T 247對T2箱體進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)在20%的容積率和20%的體積比例下，可以獲得86%的T2箱體。當體積比例小于標準值時，電流容量會減小，整機溫升會增加。這可能會導(dǎo)致能源消耗的增加，并對設(shè)備的安全性產(chǎn)生影響。

5 銅鋁復(fù)合排的選用原則

5.1 產(chǎn)品標準

根據(jù)國家電網(wǎng)公司“全國能源管理規(guī)劃”，蘇州華通等公司從2012年7月1日起開始執(zhí)行國家能源局頒布的《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》標準。該標準詳細規(guī)定了產(chǎn)品的技術(shù)指標和檢測方法，并對產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)也做出了詳細規(guī)定。

5.2 選用原則

選擇銅鋁復(fù)合母線時，需要選擇符合標準的產(chǎn)品，否則可能很危險。

1）不能保證未經(jīng)標準檢驗的產(chǎn)品質(zhì)量。

2）如果發(fā)現(xiàn)任何用于3C 認證的產(chǎn)品不符合認證要求，將對其處以罰款或刪除。

根據(jù)國家認證認可監(jiān)督管理委員會要求，銅鋁復(fù)合母線必須要在中國合格評定認可委員會（CNAS）授權(quán)的檢測機構(gòu)經(jīng)過檢測，并取得合格檢測報告。由于銅鋁復(fù)合母線的加工技術(shù)不同，含銅量和含鋁量不同，因此，產(chǎn)品的質(zhì)量也不同。因此，提供的銅鋁復(fù)合母線的檢測報告必須符合《輸變電設(shè)備用銅包鋁母線》DL∕T 247—2012電力行業(yè)標準，以及根據(jù)GB∕T 9327 標準進行1 000 次熱循環(huán)測試的報告。滿足上述要求的2個測試報告可以在低壓成套開關(guān)柜中使用銅鋁復(fù)合母線，這2 個測試報告表明，銅鋁復(fù)合母線的性能參數(shù)符合電力行業(yè)標準的要求，并且使用的可靠性是可以保證的[5]。

5.3 加工工藝

在加工時要注意以下幾點，以免在加工過程中破壞界面黏合。（1）切割：使用切割設(shè)備時，工件的中部或兩側(cè)必須嚴重變形，以免銅和鋁剝落。（2）鉆孔：用鉆孔機鉆孔時，必須將下部備份，不允許懸空。鉆孔時，必須用乳液或肥皂水冷卻。嘗試鉆孔或在鉆孔后，必須輕按。（3）彎曲以防止銅或鋁在底部或頂部剝離。（4）焊接：①從復(fù)合材料排的焊接接頭的兩側(cè)除去4～6 mm 的銅，以露出鋁制零件；②使用交流氬弧焊機焊接復(fù)合熱的裸露鋁部分；③焊接噴砂；④只能使用銅熱噴涂機進行噴涂；⑤將焊好的銅粉打磨平整。（5）擰緊：使用螺栓固定鍍鋁鋁柱時，請使用厚的大平衡環(huán)。如果有蝶形彈簧，在蝶形彈簧上墊上2～3 mm 厚的鋼板，然后將其鋪在鍍銅鋁柱上。壓力和緊固扭矩必須符合GBJ 14990的要求。

6 結(jié)論

綜上所述，當鋁材表面發(fā)生氧化后，會形成絕緣層，而這會導(dǎo)致接觸電阻增加，同時也會產(chǎn)生進一步的熱量。這種情況將加速氧化反應(yīng)的發(fā)生，形成了一個惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致接觸界面斷電，甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴重后果。因此，鋁棒大約需要每十年更換一次，在這種背景下，銅鋁母線應(yīng)運而生。銅鋁復(fù)合母線的成功研發(fā)實現(xiàn)了以鋁取代稀缺的銅資源，不僅有效降低了生產(chǎn)成本，也對國家稀缺銅資源的合理利用起到了重要作用。這種材料已經(jīng)通過試驗和大量工程中的應(yīng)用證明了其可靠性。銅鋁復(fù)合母線的推廣應(yīng)用不僅滿足了電氣控制和配電設(shè)備制造商對原材料的需求，還有助于實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

低壓成套設(shè)備中銅鋁復(fù)合母線的合理應(yīng)用及選擇方法是確保設(shè)備正常運行和安全的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)備的電流負荷和導(dǎo)體距離來選擇合適的銅鋁復(fù)合母線，并考慮材料品質(zhì)、規(guī)格選擇和維護方便性等因素，可以提高設(shè)備的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，降低溫升，保證設(shè)備的正常運行和安全，同時延長設(shè)備的使用壽命。因此，在低壓成套設(shè)備中合理應(yīng)用銅鋁復(fù)合母線，是今后低壓成套開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)的必然選擇，也為電力行業(yè)的發(fā)展做出了積極的貢獻。