銅、鋁、鋁合金電纜的前世、今生、將來(lái)

人類(lèi)對銅的使用歷史這可以追溯到10000年以前。在伊拉克的北部曾經(jīng)出土一件8700年前的文物——銅耳杯，中國在4000多年前的夏禹時(shí)代就有了青銅器。銅作為導體的應用在18世紀末隨著(zhù)電的發(fā)現和應用已經(jīng)走過(guò)了200多年的歷史。鋁做為一種年輕的金屬，在19世紀中期，它被稱(chēng)作“銀色的金子”，比黃金還珍貴，直到1886年由美國科學(xué)家霍爾獨立研究出電解鋁法，才開(kāi)始能夠后工業(yè)化生產(chǎn)。鋁用作導體從1896年開(kāi)始，英國人科利在博爾頓架設了世界上第一根架空鋁絞線(xiàn)。1910年美國鋁業(yè)協(xié)會(huì )胡普斯發(fā)明了鋼芯鋁絞線(xiàn)，架設于尼亞加拉大瀑布上空。此后，架空高壓輸電線(xiàn)逐步被鋼芯鋁絞線(xiàn)取代。另外，歐美工業(yè)發(fā)達國家于1910年開(kāi)始使用鋁導體替代銅導體作為配電線(xiàn)?，F在，全世界生產(chǎn)的鋁約14%用作電工材料。我國電工部門(mén)的用鋁量約占全國鋁消耗總量的三分之一，主要用于高壓輸電，而配電使用鋁導體的比例低于5%。使用銅或者鋁做為導體受歷史、國情、資源狀況等等因素的影響。

上世紀五十年代，銅價(jià)高速攀升，世界電線(xiàn)電纜行業(yè)提出以鋁代銅，要達到同樣的電氣性能，鋁導體的截面積需要比銅導體大一至兩個(gè)規格等級或者增大50%。上世紀六、七十年代，我國同樣受?chē)?、資源狀況、政治因素等原因提出以鋁代銅，由于材料技術(shù)原因，未能普及鋁導體。多年來(lái)，國人一直期望能開(kāi)發(fā)出一種可利用鋁資源的導體，能繼續推行以鋁代銅，但始終未能從技術(shù)上取得突破，因而一直未能實(shí)現這歷史性的革命。針對純鋁作為電纜導體存在的眾多不足，美國、澳大利亞和加拿大等發(fā)達國家率先在這方面做了大量的研究。于20世紀60年末開(kāi)發(fā)出了鋁合金[有色商機:ADC12]導體，鋁合金導體在北美地區至今已運用近50年的時(shí)間，得到美國、澳大利亞和加拿大等發(fā)達國家廣大用戶(hù)的一致認可，北美地區90%的民用及商業(yè)建筑使用的都是鋁合金電纜。2005年迄今我國再次提出以鋁代銅，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，這次的以鋁代銅應該理解為主要是以鋁合金代銅。以鋁合金代銅的前景如何呢？我們需要對鋁合金、銅和鋁的性能有更多的了解。

一、鋁、鋁合金作為導體材料有其自身優(yōu)勢

1、鋁合金、鋁和銅一樣，一直是IEC和GB規定的導體材料。

2、鋁、鋁合金做為導體資源豐富

鋁和銅相比有其獨特優(yōu)勢,鋁在地殼中的分布量在全部化學(xué)元素中僅次于氧和硅，占第三位，在全部金屬元素中占第一位。

3、重量較輕

在電阻值大致相同時(shí)，鋁、鋁合金線(xiàn)芯的質(zhì)量?jì)H為銅線(xiàn)芯的一半。

4、價(jià)格低廉

鋁在國際上被廣泛應用于電纜、母排、母線(xiàn)槽、變壓器等產(chǎn)品領(lǐng)域，據收集資料如下：高壓線(xiàn)纜國際上幾乎100％使用鋁或鋁合金導體。而低壓鋁線(xiàn)纜在北美已基本由鋁合金電纜取代。

二、我國曾經(jīng)有過(guò)一段以鋁代銅的短暫歷史

回顧歷史，中國在50——70年代曾經(jīng)推行過(guò)“以鋁代銅”的政策。但由于當時(shí)的純鋁導體及產(chǎn)品質(zhì)量的限制，發(fā)生事故的概率很大，導致80年代以后，中國的中低壓電纜幾乎全部使用銅導體。

棄用鋁電纜的原因

中國當時(shí)所使用的純鋁電纜，被棄用的原因正是純鋁導體的一些物理性能導致故障的概率增大。

1、純鋁導體的抗拉強度、延伸率、柔韌性等機械性能較低，往往會(huì )承受不起在安裝過(guò)程中的牽、拉、彎、折，導致不同程度的損傷，埋下事故隱患。

2、接頭易引發(fā)火災，原因不外如下幾條：

（1）鋁熱膨脹率比銅大39％，在與連接器連接時(shí)，因長(cháng)期的熱循環(huán)而容易產(chǎn)生蠕變、進(jìn)而產(chǎn)生很大的電阻而引發(fā)火災。

（2）容易在與銅連接器連接處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

（3）純鋁抗蠕變性能極低

純鋁在受熱和受壓下容易變形，導致在接頭處不能壓緊或熱循環(huán)過(guò)程中蠕變、接頭產(chǎn)生氧化膜，電阻加急劇增大，這是導致純鋁電纜不安全的重要原因。

如前所述，純鋁由于其機械性能的缺陷，使其無(wú)法應用于中低壓電纜。所幸的是，鋁的最顯著(zhù)特點(diǎn)是它的多功能性，采用不同的合金配方和加工工藝，可以得到物理性能迥異的鋁合金材料。鋁合金電纜正是解決了上述鋁電纜存在的安全隱患，而成為一種理想的解決方案。

三、導體鋁合金新材料的解決方案

1、機械性能大幅提高 

抗拉強度約是純鋁的150%，延伸率較純鋁提高約10倍，自重承載力比銅高44％，柔韌性能高于銅的25％，而彎曲半徑僅為電纜外徑的7倍，連接端子采用先進(jìn)的鋁合金銅摩擦焊接工藝，可解決電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，鋁合金導體抗蠕變性能較純鋁導體提高300％。

導體鋁合金的特殊合金配方與熱處理工藝大大提高了金屬在受熱、受壓下的抗蠕變性能，保證了電纜本身連接的穩定性。事實(shí)上，這是合金電纜在北美40多年應用中未發(fā)生任何故障的重要原因。在美國國家規范中規定中、低壓電纜必須采用AA8000系列鋁合金而不能采用純鋁電纜。

2、正在研發(fā)之中的鋁合金電纜應用技術(shù)——接頭處理技術(shù)：

在與所選用的鋁合金電纜相同化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能的鋁合金銅連接端子產(chǎn)品技術(shù)突破、面市之前，國內的鋁合金電纜應用，作為過(guò)渡解決辦法，通常是向用戶(hù)提供原用于鋁電纜連接的銅鋁過(guò)渡端子和近來(lái)某些國內廠(chǎng)家僅為了提高端子導電性能或其它性能而推出的所謂的微合金化合金銅過(guò)渡端子（該種微合金銅過(guò)渡端子的化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能等與連接的鋁合金電纜性能不能匹配）。另外，還要提供專(zhuān)用壓接工具來(lái)解決目前沒(méi)有與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子的難題。當前明知錯誤但又無(wú)奈而采用的原來(lái)用于連接鋁電纜的銅鋁過(guò)渡端子及所謂的高導電或其它性能的微合金化合金銅過(guò)渡端子連接方案，即使通過(guò)專(zhuān)業(yè)檢測機構的端子連接1000次熱循環(huán)測試，并嚴格按照規范施工，也不能保證解決連接安全問(wèn)題。因為端子連接1000次熱循環(huán)測試畢竟是在實(shí)驗室端子進(jìn)行規范壓接后的實(shí)驗，且試驗時(shí)間短，該檢測其實(shí)無(wú)法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性。若銅鋁過(guò)渡端子和微合金化合金銅過(guò)渡端子連接方案沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)檢測機構嚴格的端子連接1000次熱循環(huán)測試，沒(méi)有嚴格按照規范施工，則安全隱患問(wèn)題就更嚴重。

我們知道，鋁合金電纜因解決了鋁電纜存在的致命安全問(wèn)題，才體現了鋁合金電纜的優(yōu)勢和價(jià)值，但目前連接方案中的銅鋁連接端子中的鋁及微合金化合金銅過(guò)渡端子中與鋁合金電纜性能不匹配的所謂合金的存在，實(shí)際上使鋁合金電纜的優(yōu)勢和價(jià)值難以體現，這與直接用鋁電纜有何區別？畢竟電纜的應用，眾所周知，安全問(wèn)題通常主要都出在連接上。據悉，現針對適用于中國市場(chǎng)亟待解決的與鋁合金電纜性能相同的鋁合金銅連接端子相關(guān)應用技術(shù)問(wèn)題，據一位來(lái)自美國鋁合金電纜巨頭的中國工廠(chǎng)負責人透露，其北美的研發(fā)中心正在研究試制之中，近期有望獲得技術(shù)突破。若技術(shù)突破后，鋁合金電纜在應用中使用與鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅連接端子，則連接就能安全、穩定、完美。

3、防腐性能 

有時(shí)會(huì )聽(tīng)到鋁耐腐蝕性較差的說(shuō)法，但這不是事實(shí)。在大多數環(huán)境條件下，包括在空氣、鹽水、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示比銅更優(yōu)良的抗腐蝕性，其原因是鋁表面與空氣接觸時(shí)立即形成的薄、致密、堅固而耐受各種形式腐蝕的氧化膜。這也能解釋為什么在許多惡劣環(huán)境中，鋁比其他金屬如銅、鋼更耐腐蝕。經(jīng)合金化處理后的導體鋁合金防腐性能更優(yōu)于純鋁。

四、當新材料導體鋁合金解決了原來(lái)純鋁的致命性問(wèn)題之后，它的優(yōu)勢就顯現出來(lái)：

1、與銅導體一樣安全可靠。

2、電纜本體較銅電纜更為經(jīng)濟。

3、由于其重量較輕、柔韌性高等因素，減少了安全施工和運輸等費用。

五、資源節約型社會(huì )的選擇

1、從世界范圍看銅鋁資源狀況

據美國地質(zhì)調查局資料（USGS）顯示，銅元素含量占地殼中元素的含量少于0.01%，而鋁元素占地殼元素含量的7.73%以上，在地殼中，鋁元素的含量是銅元素含量的1000倍以上。全球銅資源按照目前的消費量，年均增長(cháng)率3％計算，可供全球再使用32年。而鋁資源按目前開(kāi)采規模（1.4億噸/年左右）進(jìn)行計算，現有鋁土礦儲量可滿(mǎn)足世界鋁工業(yè)近180年的開(kāi)采需要。

2、國內銅、鋁資源狀況

2004年至今，我國每年10%左右的鋁需要出口，產(chǎn)能?chē)乐剡^(guò)剩。與此同時(shí)，國家發(fā)展改革委員會(huì )統計：2004年至2006年，我國每年銅材的缺口超過(guò)130萬(wàn)噸。根據2008年中國統計年鑒的數據，2007年我國銅礦及精銅進(jìn)口452萬(wàn)噸，銅及其制品進(jìn)口額為271億美元。我國銅金屬市場(chǎng)已經(jīng)嚴重依賴(lài)進(jìn)口，中國銅資源嚴重短缺，目前國內資源供給率不足20％，有目前銅開(kāi)采數據統計顯示，20年內中國銅資源將處于枯竭狀態(tài)。改變對銅材的嚴重依賴(lài)，成為改變國際供求關(guān)系、節約外匯、充分利用國內資源、成為保證電力行業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵。

2005年7月，國務(wù)院發(fā)出《關(guān)于做好建設節約型社會(huì )近期重點(diǎn)工作的通知》，特別提出，要積極推進(jìn)原材料節約，完善資源節約標準。國家發(fā)改委、建設部等部門(mén)也將資源節約、新材料、新技術(shù)推廣作為其重要工作。2013年12月，國家工信部已將“以鋁（鋁合金）代銅”上升為國家戰略，明確表態(tài)將支持鋁合金電纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其納入新材料范疇，列入國家《產(chǎn)業(yè)調整指導目錄》。作為電氣工程技術(shù)成員，在用銅量占比例巨大的電力傳輸領(lǐng)域，推廣技術(shù)成熟的新型合金材料，無(wú)疑對建設資源節約型社會(huì )具有重大的現實(shí)意義。

六、鋁導體在電力電纜應用中的問(wèn)題

60-70年代，全球銅價(jià)高速攀升，由于政治因素，銅材作為戰略物資受到貿易管制，國內大量采用鋁作為輸電電纜的主要導體材料，“以鋁代銅”成為電氣行業(yè)普遍遵循的技術(shù)政策，選用銅導體電纜需要向政府主管部門(mén)報告申請。所以民用建筑的干線(xiàn)，支線(xiàn)都采用純鋁線(xiàn)纜。純鋁導體（AA1350）的缺點(diǎn)主要體現在如下幾個(gè)方面：

（1）機械強度差，容易折斷，

（2）易蠕變，需要經(jīng)常緊固螺絲

（3）容易過(guò)載發(fā)熱，存在安全隱患

（4）沒(méi)有很好的解決銅鋁過(guò)渡連接問(wèn)題，特別在布電線(xiàn)上。

這些問(wèn)題不僅僅是國內面臨的問(wèn)題，世界電纜行業(yè)也面臨同樣的問(wèn)題。隨著(zhù)國際形勢的好轉，中國改革開(kāi)放的實(shí)施，我們能夠方便的從國外大量進(jìn)口銅資源，而且銅鋁之間的價(jià)差不大，以鋁代銅在國內逐步淡化；與此同時(shí)，國外積極研發(fā)新的鋁合金導體，解決鋁合金導體和端子的連接問(wèn)題，最終美國以及歐洲在配電線(xiàn)路上大量應用鋁合金導體。

七、鋁合金導體

1、鋁合金導體的發(fā)展和現狀

用作導體的鋁合金在六、七十年代由于銅價(jià)的高速攀升迎來(lái)飛速的發(fā)展。在國際鋁行業(yè)協(xié)會(huì )的鋁合金牌號中，用作導體的鋁合金主要有AA1000系列即純鋁，AA6000系列導體，和AA8000系列導體。AA1000系列導體主要用在高壓架空線(xiàn)；AA6000Al-Mg-Si（鋁鎂硅合金）系列導體主要用在高壓架空線(xiàn)和鋁母排；這兩類(lèi)導體都是以硬態(tài)導體存在，接頭的連接以焊接為主。AA8000中8176（鋁鐵鋅硅合金）和8030（鋁鎂銅鐵合金）系列是真正用在配電線(xiàn)路上的鋁合金。AA8000鋁合金配方是核心技術(shù)，AA8000鋁合金材料的生產(chǎn)要求鋁合金電纜制造廠(chǎng)家具備自己有AA8000鋁合金配方的自主知識產(chǎn)權，導體鋁合金材料熔煉、連鑄連軋生產(chǎn)能力，以保證導體鋁合金桿材的品質(zhì)可控，導體鋁合金桿材的品質(zhì)是鋁合金電纜產(chǎn)品品質(zhì)保證的前提。

AA8000系列鋁合金技術(shù)在不斷進(jìn)步和創(chuàng )新，在六、七十年代及近年來(lái)獲得一系列專(zhuān)利。

AA8000系列鋁合金導體

目前國內五花八門(mén)所謂稀土鋁合金（研究表明，采用合格的純鋁做基材，添加稀土毫無(wú)意義），高導電率鋁合金（這種鋁合金抗拉強度不合格，以損失抗拉強度來(lái)提高導電率）等都非真正正宗的美國技術(shù)AA8000鋁合金。這些所謂鋁合金的技術(shù)成熟否？產(chǎn)品能否達已安全運行近50年的AA8000鋁合金的真正要求？還需要時(shí)間的驗證。

AA8000系列合金導體適用于制造10kV(成熟的技術(shù)是10KV)及以下電壓等級擠包絕緣電力電纜。因制造技術(shù)及材質(zhì)等原因，在10kV以上電壓等級，國外也無(wú)制造和安全使用經(jīng)驗。故不建議將AA8000系列合金導體用于制造高于10kV以上電壓等級擠包絕緣電力電纜。國內有些廠(chǎng)家在未真正了解AA8000系列合金導體技術(shù)情況下，盲目制造10kV以上電壓等級擠包絕緣電力電纜，這可能在電纜的使用中留下安全隱患。

2、鋁合金電纜連接方法 

由于鋁合金導體和銅導體的膨脹系數、材料性能不一樣，使得銅導體和鋁合金導體不宜直接連接。通常采用如下方式，來(lái)達到連接的目的。

（1）合金電纜+鋁端子（鋁端子和鍍錫銅排連接時(shí)，按照國標提供的力矩值緊固螺絲，并增加碟式墊圈，以便銅鋁金屬在熱脹冷縮時(shí)保持銅鋁的有效連接），這種連接方案可靠性差。

（2）合金電纜+銅鋁過(guò)渡端子（端子的鋁部分和合金連接，銅部分和銅排連接）或合金電纜+微合金銅過(guò)渡端子（因該合金只考慮端子導電或其它性能，與連接的鋁合金電纜的化學(xué)成分、電氣性能、機械性能、抗壓蠕變性能等不匹配）。上述連接方式是在無(wú)法取得與連接的鋁合金電纜性能相匹配的鋁合金銅過(guò)渡端子的情況下采用的過(guò)渡解決方案，但這些方案因為鋁或所謂與連接的鋁合金電纜性能不匹配的合金存在，即使按照IEC61238-2003或者GB9327-2008做1000次熱循環(huán)實(shí)驗，模擬30年的應用(畢竟是實(shí)驗室的模擬，是在實(shí)驗室進(jìn)行端子規范壓接后的實(shí)驗，且試驗時(shí)間短，其實(shí)無(wú)法真正反映鋁材料蠕變傾向等特性)等，并嚴格按照規范施工，也無(wú)法保證電纜連接和使用的安全性，因為連接端子鋁或與電纜性能不匹配的所謂合金材料的存在，所有鋁的機械性能、抗蠕變等性能差的問(wèn)題依然存在，所以這種連接方案可靠性差。

（3）鋁合金電纜+與連接的鋁合金電纜性能一致的鋁合金銅過(guò)渡端子（端子的鋁合金部分和合金電纜連接，銅部分和終端銅排連接）這種連接是鋁合金電纜應用時(shí)真正最正確、合理、可靠、最完善的連接方案。

八、銅、鋁、鋁合金的將來(lái)

鋁作為導體材料將在電力中低壓配電各領(lǐng)域逐步淡出，銅導體在中、低壓配電領(lǐng)域也將逐步被導體鋁合金取代。由于鋁合金導體具有的良好的導電性能和優(yōu)異的機械性能，改善了鋁導體的連接不可靠、機械強度差、易蠕變等缺點(diǎn)，在機械性能上優(yōu)于銅導體，電氣性能通過(guò)增大截面積后和銅導體具有同樣的能力，在中、低壓配電系統中將得到廣泛的應用。鋁合金導體在國內市場(chǎng)的推廣應用將會(huì )使國家節約大量的銅資源，減少?lài)覍忏~資源的依賴(lài)度，節約大量的外匯，同時(shí)讓用戶(hù)在經(jīng)濟上有一定的節省，讓安裝商能夠更輕松方便的安裝。諸多的優(yōu)勢，讓我們有理由相信鋁合金導體在中、低壓電力電纜中的應用將會(huì )深入人心，以鋁合金代銅將是一個(gè)趨勢，同時(shí)必定在電纜行業(yè)中引起一場(chǎng)變革。