鋁合金電纜的性能及其在應用中應注意的問題

彭永領+周俊民+喬月純

摘 要：文章介紹了鋁合金電纜的性能特點，分析了鋁合金導體的電阻率，連鎖鎧裝工藝參數，鋁合金-銅連接端子，裸連鎖鎧裝電纜燃燒試驗等方面存在的問題和建議。

關鍵詞：鋁合金電纜；AA8030；性能特點；裸連鎖鎧裝；問題

中圖分類號：TM241 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0182-02

1 概述

電工銅和鋁是電線電纜的主要導體材料。中國銅資源少，對外依存度高達70%，而中國的鋁資源豐富，自給率高[1]。近年來，我國大力提倡“以鋁節銅”[2]，相繼出臺了《GB/T 30552-2014電纜導體用鋁合金線》[3]、《NB/T 42051-2015 額定電壓0.6/1kV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜》[4]、《GBT 31840-2015額定電壓1kV到35kV鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》[5]等多部鋁合金的電纜標準。這些標準所涉及的鋁合金導體成分序號（1～6）與美標ASTM B800-5[6]規定的AA8000系列鋁合金牌號（8016、8030、8076、8130、8176、8177）成分是相同的。

鋁合金電纜彌補了以往純鋁電纜的不足，提高了電纜的導電性能、彎曲性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能等，能夠保證電纜在長時間過載和過熱時保持連續性能穩定，特別是加入稀土元素后，可以細化金屬導體中的晶體結構，從而大大提高導體的導電率、耐高溫性同時解決了導體電化學腐蝕等問題。另外，該產品采用內聯鎖式金屬帶愷裝，安裝敷設簡便，解決了電纜在其特定系統使用中的安全、防銹、抗拉、彎曲、抗外機械力損傷等特殊要求，極大的提高了系統運行的安全性和經濟性。

2 鋁合金電纜的性能特點

2.1 蠕變性能

AA8030系列鋁合金是在純鋁中添加鎂、銅、鐵、硼、稀土等元素，經過合金工藝和特殊熱處理的新興導體材料。其中Mg可以和許多元素形成強化相（如Mg2Si相、Al-Cu-Mg相），能夠提高合金的抗拉強度和柔韌性；Cu元素的固溶強化效果較為明顯，能提高其高溫抗拉強度，增加鋁合金在高溫時的電阻穩定性；B元素能有效減小雜質對鋁合金電導率的影響；RE元素具有凈化、除氣、除渣作用，并且能與氫氣結合形成氫化物，從而提高鋁導線的電導率、抗拉強度和抗腐蝕能力。

Fe元素的加入可以形成一種硬質合金相，使鋁合金具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫及抗蠕變性能，大大減少了鋁合金受熱受壓而產生的蠕變傾向，具備有和銅導體相似的連接穩定性和可靠性，鋁合金線與電工純鋁線、電工軟銅線的抗蠕變對比試驗曲線見圖1[7][8]。

2.2 導電性能

硬態鋁電纜的電導率為61%IACS，AA8030鋁合金電纜的電導率為61.8%～62.2%[7]IACS，退火態銅電纜的導電率為100%IACS。由于鋁合金的電導率仍與鋁相近，載流量接近鋁電纜，當鋁合金導體截面是銅導體截面的約1.5倍時（相差1-2個規格），基本能達到同樣的導電性能和載流量。雖然導體截面增加約50%，但導體半徑理論上增加約22%以下，從而盡可能少地占用管井敷設的空間。

2.3 機械性能

AA8030鋁合金導體退火后的延伸率（32%[7]）與軟鋁和軟銅導體的延伸率（30～45%[9]）基本一致，因此具有良好的柔韌性和彎曲性。鋁合金電纜的最小彎曲半徑（7D）優于銅芯（10～20D）電纜，而且鋁合金電纜的反彈性比銅電纜的反彈性低40%，無記憶效應，方便安裝和施工，并能減少安裝成本。

由圖1可知，鋁合金材料具有與銅基本一致的抗壓蠕變性。

2.4 連接性能

鋁合金導體大大減少了鋁導體易蠕變松弛而引起電纜接頭松動、接觸電阻增大、易引發事故的狀況。GB/T14315-2008《電力電纜導體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》所列銅鋁過渡方式的數據顯示，鋁合金電纜連接可靠性甚至比銅電纜還要穩定。即使長時間過載和過熱，也能保證比銅芯電纜更高的連接穩定性。

2.5 防腐性能

雖然鋁導體表面會形成一層薄而致密的氧化膜，能阻止導體內部繼續被氧化腐蝕。但銅鋁導體連接處的電化學腐蝕仍然是傳統鋁芯電纜的致命弱點。當在鋁合金中加入稀有金屬，就能極大改善耐腐蝕能力，減少了不同金屬之間的電位差，并依靠專用銅鋁過渡端子解除了銅鋁連接存在的腐蝕性隱患。美國的應用事實表明，在空氣中鋁合金電纜的耐腐蝕性能優于銅，銅電纜的使用壽命按30年設計，鋁合金電纜的使用壽命可以達40年。

2.6 經濟性

鋁合金的密度2.71，只有銅（8.89）的30.5%，因此在相同電氣性能、相同長度下，鋁合金導體的質量近似是銅導體質量的一半。由于鋁合金電纜具有自重輕、承載力強的優勢，特別適合大跨度建筑（如體育館、展覽館）的敷設，可減少對鋼結構的荷載，節約鋼材料，降低安裝成本。另外，采用鋁合金電纜可以降低對高層建筑垂直敷設電纜的難度和工作量，節省人工成本。

3 鋁合金電纜在應用中要注意的問題

3.1 關于GB/T 30552-2014和NB/T 42051-2015 的電阻率

標準《GB/T 30552-2014 電纜導體用鋁合金線》中對電纜導體用鋁合金的化學成分、機械性能和直流電阻率的規定見表1和表2：

表1中的成分序號分別對應ASTM B800-5規定AA8000系列中的AA8017、AA8030、AA8076、AA8130、AA8176和AA8

177。

《NB/T 42051-2015 額定電壓0.6/1kV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜》明確規定： 絞合導體中任一單線，抗拉強度應為98～159MPa，斷裂伸長率應≥10%。因此，若采用GB/T 30552-2014規定的硬態（Y）鋁合金線（其電阻率為0.028976）制造鋁合金導體時，必須要在導體絞制前或絞制后進行退火，否則只能滿足NBT 42051-2015中單線機械性能要求，而不能滿足電阻率的要求。endprint

3.2 關于連鎖鎧裝工藝參數

為了保證連鎖鎧裝鋁合金電纜的彎曲半徑不大于7倍電纜外徑，并能通過相應的松緊度試驗，同時要保證電纜彎曲時纜芯能在鎧裝層下產生滑移，而且鎧裝層不能產生脫扣，并要有一定的伸縮性。確定合理的連鎖鎧裝工藝參數為：聯鎖鎧裝層與纜芯間隙控制在1～2mm，鋁合金帶繞包節距控制在帶寬的2/3左右，鋁合金帶成型時的卷邊角度應大于30度。

3.3 關于工程設計

由于相同載流量的鋁合金電纜比銅電纜導體截面要大1～2擋，因此若在建筑工程中使用鋁合金電纜替代銅電纜，則工程設計中的預埋孔、電纜橋架、電纜保護鋼管等需要重新核算設計，而不能根據銅芯電纜的經驗確定。特別是鋁合金電纜專用的端子頭及其配套工具等都與傳統銅電纜不同，在一定程度上增加了工程成本。

3.4 關于裸連鎖鎧裝電纜的燃燒試驗

《NB/T 42051-2015 額定電壓0.6/1kV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜》第14.25規定：根據電纜阻燃類型的不同，試驗要求和方法應符合GB/T18380.33-2008A類、GB/T18380.3

4-2008B類、GB/T18380.35-2008C類中相應阻燃類型的規定。但是，對于無外護套（裸鎧裝）的鋁合金連鎖鎧裝電纜，其非金屬材料的體積比傳統結構電纜少很多，如果按照GB/T18380-2008成束燃燒試驗，所需電纜根數很多，以鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣鋁合金帶連鎖裸鎧裝三芯（3×120mm2）交聯聚乙烯電力電纜為例，計算結果為41根樣品[10]，線芯根數較普通電纜多出數倍，使燃燒實驗室工作量明顯增大，且部分型號規格的電纜由于樣品數量超過了試驗設備的范圍，可能導致試驗無法操作。而且對于鋁合金裸鎧裝電纜，由于沒有外護套，也就不能像有外護套電纜那樣采用GB/T18380-2008的試驗方法判斷其阻燃性能的符合性，建議有關部門盡快完善此類裸鎧裝電纜的阻燃、煙密度、透光率和鹵酸氣體含量等試驗方法標準。

4 結束語

西安奧凱電纜事件再一次警示我們，“質量第一”不是空喊口號，而要實干興邦。基于全球銅礦資源匱乏，開采成本過高，以鋁節銅是國際趨勢。加快研發電工用鋁合金桿材和連接端子的新材料、新品種，加快鋁合金生產設備的更新換代，更快地提升我國鋁合金電纜產品的質量水平是今后的努力方向。

參考文獻：

[1]黃崇祺.電工用鋁和鋁合金在電纜工業中的應用前景[J].電線電纜，2013，2.

[2]黨朋，蘇桓，劉斌，等.鋁合金電纜與銅電纜的生命周期評價研究[J].環境工程技術學報，2014，1.

[3]GB/T 30552-2014電纜導體用鋁合金線[S].

[4]NB/T 42051-2015額定電壓0.6/1kV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜[S].

[5]GBT 31840-2015額定電壓1kV到35kV鋁合金芯擠包絕緣電力電纜[S].

[6]ASTM B800-05 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wires for Electric Purposes-Annealed and Intermediate Tempers[S].

[7]周俊民，陳亦峰，彭永領.一種電纜用8030鋁合金桿及其制備方法[P].中國：ZL201410414331.X，2016-2-3.

[8]易 ，黃達洋，陳彬，等.10kV鋁合金電纜在中壓配電網的應用分析[J].自動化與儀器儀表，2017，1.

[9]陳焱，張鞍生.鋁合金電纜的應用及市場分析[J].稀有金屬與硬質合金，2016，2.

[10]李明，宋景濤，李磊，等.鋁合金電纜的阻燃試驗[J].電世界，2014，12.endprint