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铝合金导体技术特性已与铜相当甚至优于铜

发布日期:2014-11-17 00:00:00

【南方电缆网】虽然美国从1972年代开始使用AA-8000系列铝合金导体建筑电缆,但公众一直对1960 s年代铝芯建筑电缆事故念念不忘,总是对新型铝合金建筑电缆不放心。实际情况是,AA-8000系列铝合金是专门为建筑电缆而设计制造的一种新型导体材料,与以往用的铝有本质不同。AA -8000系列铝合金的含铁量提高到0.5-0.9%wt%。1960 s年代末至1970 s年代初,AA-1350(亦称EC-1350)大量用于架空输电线路,但用于建筑电缆时,其机械特性等并不合适。世界最权威的数据库 "有色网金属数据库"(Key to Metals),对建筑电缆导体用的铁-铝(A l-Fe)合金做了详细介绍 [3]。
AA-1350硬铝导体建筑电缆频繁发生端子连接处松弛和局部过热而导致安全事故。AA-1350硬铝导体,即使按照规定的力矩用螺丝接在端子上以后,仍然会逐渐松弛。只要稍微发生过负荷,连接处就会发热。而铝导体的膨胀比铜金具严重得多,进而发生蠕变,使应力增大,在连续大电流状态下会发生过热,使铝导体发生塑性变形和连接点松弛,降低了连接点的安全性。虽然AA-1350铝线退火后改善了弯曲性,但在200° C时仍然会发生微观结构软化,长此以往则被彻底损坏。AA-8000系列铝合金提高了含铁量,彻底解决了这些问题,既能克服局部过热、又不影响导电性能,因此大量代替EC-1350纯铝。
AA-8000系列铝合金提高了含铁量,明显改善了微观结构稳定性和抗蠕变性,不会引起连接点损坏。实验证明,在180℃下、500小时后,AA-8000系列退火铝合金的强度由125 MPa降低到116 MPa,2000小时后降低到100 MPa,而AA-1350铝的强度则分别降低到104 MPa和82 MPa。把这两种铝都退火到相同的延展性或可弯曲性时,高铁铝合金的强度仍然为普通纯铝的2倍左右。自从1968年AA-8000系列铝合金投入使用以来,在美国、欧洲和南非进行的现场实验都证明了这一点。
美国科学家卡尔松曾对软硬铜铝导体的屈服应力做过计算机模拟试验[4],结果显示:
1) 截面积相等时,硬铜线是硬铝线的200%,软铜线的是软铝线的300%
2)重量相等时,硬铜线是硬铝线的61%,软铜线是软铝线的80%
3)电阻相等时,硬铜线是硬铝线的105%,软铜线是软铝线的200%

电工铝和电解铜的屈服应力比较

麻省理工学院教授彼特o格里诺由此得出最重要结论是:当铜铝两种导体的屈服应力相等时,其重量大体上相等,但铝导体的电阻较小、成本较低[5]。
多年期间进行的一系列实验证明,AA-8000 系列铝合金克服了纯铝导体的缺点,提高了电缆的导电性能、弯曲性能、脆性、抗蠕变性能和耐腐蚀性能等,能够保证电缆在长期过载和过热状态下保持性能稳定。
铜和铝的特性比较:

  

软电工铜

软电工铝

铝合金

密度            g/cm3

8.89

2.7

2.7

熔点             

1038

660

660

抗拉强度        MPa

220-270

70-110

113.8

屈服强度        MPa

60-80

120-170

53.9

延伸率           %

30-45

23-25

30

线性膨胀系数    1/

17×10-6

23×10-6

23×10-6

电阻率      Ω•mm2/m

0.017241

0.028264

0.0279

电导率    %IACS, 20

100

61

61.8

导电率相同时抗拉强度

相同

相同

相同

导电率相同时的重量

100

54

54

导电率相同时的截面积  铜的 %

100

160

156

鉴于以下技术进步事实,AA-8000系列铝合金导体得以毫无障碍地推广应用:
抗蠕变性能:
所有金属的弹性应变和塑性应变都能使其电阻率增大。美国麻省理工学院教授彼特o格里诺指出,虽然屈服应力是电导体的重要机械性能参数,但只要不引起塑性变形,发生一些应变是允许的。纯度较高的铝导体在满负荷运行时,由于发热而发生"自退火效应",所以,凡是载流量要求大的架空导线要用钢芯加强。
AA-8000系列铝合金的抗蠕变性是纯铝导体的300%,避免了由于冷流或蠕变引起的连接处松弛问题,因而改善了导体的连接状况。
图8是中国铝合金电缆制造厂得出的铝合金导体压蠕变曲线[7]。在ASTM B 800-05(2011)和UL 44-2010中,均未涉及铝合金导体的这一指标。
抗拉强度和延伸率:AA-8000系列铝合金由于加入了特殊的合金成分并采用了特殊的加工工艺,极大的提高了铝合金的强度-重量比,延伸率也提高到30%。

热膨胀系数:铝导体以及与其配套使用钢、黄铜和紫铜连接器材的热膨胀系数如图9。由图可见,几种金属的热膨胀系数相差较大(铝:0.0000123-0.0000129;黄铜:0.0000104-0.0000190;紫铜:0.0000093;钢:0.0000063-0.0000073),因此而发生了导体与插头插座不匹配的安全故障。要想使连接安全可靠,必须对铝线和插头插座同时进行改进处理,尽量使其相互适应。经改进后,铝合金的热膨胀系数已与铜相当。

几种金属的热膨胀系数

连接性能:连接安全性取决于导体和连接器两部分。一方面,改善AA-8000系列铝合金导体的抗蠕变性能,即使在长期过载和过热时,也能保证连接稳定;另一方面改进连接器,使其与铝的热膨胀相一致。美国和加拿大已广泛使用这种新型连接器,其性能与铜连接器相当甚至更好。
在推广应用铝芯建筑电缆之前,都是使用铜芯建筑电缆,与其配套的插头、插座、螺丝和接线耳也是用铜制作的。美国建筑电线调查委员会(CIABW)出过一分报告[8],对1948-1978年间社会上公开出版的资料进行分析研究,发现有19种不同的因素对铝线的接触电阻有影响,其中主要因素是:施工质量、热膨胀和蠕变,而施工质量是最重要的因素。不正确的安装方法包括:连接紧固不当、线头在螺丝上缠绕错误、线端打磨不良、配件和抗氧化剂使用不妥,以及插座选用不正确等。
耐腐蚀性能: 
虽然纯铝本身的耐腐蚀性比铜差,但纯铝表面与空气接触时可形成薄而坚固的氧化层,特别耐受各种形式的腐蚀。但这种氧化膜却增大了表面电阻,做导体连接时必须清除。在铝合金中添加稀土元素,也可进一步提高耐电化学腐蚀能力,并且能改善表面电阻。在某些腐蚀性强的场合,电缆铝护套易受电解腐蚀,需要包上一层防腐蚀护套。
柔韧性:铝合金的柔韧性比铜高30%,回弹性比铜低40%;铜芯电缆的弯曲半径一般为10~20D,而铝合金电缆弯曲半径可达7D。
紧压特性:紧压系数可做到0.93,异型导体的紧压系数可做到0.95,绞合紧压与铜导体一样紧密,而在相等载流量下铝合金导体的外径仅比铜导体大10%。
资料来源:孙兆渭,"现代铝合金导体建筑电缆",中国电工技术学会电线电缆专委会2013年会论文
                                                                                                                                            2014年5月5日

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