鋁合金導體應用發展歷程及現狀

吳振江

摘要：

綜述了國內外鋁合金導體的發展歷程，從資源和經濟背景、技術、工藝和裝備、性能優勢、相應的標準規范支持等方面，綜合分析了我國導體材料由銅向鋁合金過渡的原因，闡述了鋁合金導體的研究現狀并提出了建議。

關鍵詞：

鋁合金; 導體; 發展歷程; 銅鋁過渡; 研究現狀

中圖分類號： TG 146.2+1 文獻標志碼： A

Development and Situation of Aluminum Alloy Conductor

WU Zhenjiang

（Chuanye Electronic Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201506， China）

Abstract：

Recently，the aluminum alloy conductor is widely used.This paper summarizes the development of the aluminum alloy conductor at home and abroad.Besides，the reasons for the transition from copper to aluminum alloy in our country are comprehensively analyzed from the aspects of resources and economic background，technology，technology and equipment，performance advantages，corresponding standards and regulations support.This paper also describes current research situation of the aluminum alloy conductor and putsforward relevant suggestions.

Keywords：

aluminum alloy; conductor; development; transition from copper to aluminum alloy; current research situation

金屬導體是電線電纜產品的重要組成部分，銅和鋁作為電線電纜導體基礎材料，一直以來都廣泛應用于國內外的電力工業[1]。導體材料不僅應在性能上滿足應用要求，還應降低產品成本，從而順應資源綜合利用、節能環保的時代背景。由于國情不同、工業技術水平和科學研究進程不一，世界各國“以鋁節銅”的導體材料應用趨勢有所不同，但總體上是呈漸進式向前發展的[2-3]。本文針對電線電纜用鋁合金導體的應用發展歷程及現狀進行綜述。

1 導體材料應用發展歷程

1.1 國外導體材料應用發展歷程

早在19世紀30年代，美國和加拿大的民用建筑領域就已開始在電力電纜中應用純鋁導體，由于純鋁的物理性能、力學性能和電氣性能存在一定的不足，且當時的安裝敷設工藝尚不完善，應用中經常發生事故。二戰后，美國線纜企業、美國保險商實驗室及有關研究機構開始致力于研發鋁合金導體。

1968年第一條以8000系鋁合金為導體的電纜研制成功，隨后在美國、加拿大等國家開始推廣，主要應用于軍事基地、住宅、公共建筑和風電場等場合，生產已經規范化。

1.2 我國導體材料應用發展歷程

建國初期，我國導體制造技術落后，制造裝備陳舊。改革開放前，銅作為戰略資源被控制使用，民用建筑中所用導體幾乎全部由純鋁制得[4]。鑒于國際和國內環境及國策的要求，我國自1957年提出了“以鋁代銅”的方針，開始對電線電纜行業的產品結構進行調整和改革。從1957年至1973年，開發了鋁絞線和鋁芯絕緣電線電纜等鋁導體產品，鋁導體的用量占金屬導體總用量的比例超過60%[5]。19世紀70年代，我國成功研發了第一條鋁連鑄連軋生產線，為之后開發新的導體提供了裝備基礎。此后，電線電纜和冶金行業的研究者共同開發了稀土優化綜合處理生產電工鋁導體技術，該技術很好地解決了我國鋁礦含硅量高不利于后續應用的問題，為導體新品種開發所需的基礎桿材的獲得創造了有利的條件[6-8]。

中國加入WTO后，電解銅進口瓶頸逐漸得以解除。而且，受制于材料特性和相對落后的裝備和生產工藝，純鋁導體在應用過程中暴露出諸多不足。首先，純鋁導體的強度低，在安裝敷設時，反復彎曲易使其折斷損傷，甚至減少導體的有效截面。其次，電線電纜在應用中需要完成大量的中間連接和終端連接，銅和鋁的連接處（如鋁導體與終端的銅連接樁頭）在服役運行過程中極易發生電化學腐蝕，鋁線表面生成的白色氧化物，使得連接處接觸電阻增大[9]。當時，國內的銅鋁過渡接線端子技術尚不過關，線路接續不夠可靠，容易發生過熱，引發火災。

改革開放后，電力需求增長，線路過載問題日趨突出。而且當時絕緣材料的質量較差，安裝方法也相對落后，這些因素都增加了短路等供電故障發生的概率和電氣火災發生的風險。由于受當時工藝的限制，電纜導體絞合截面最大只能做到240 mm 為了解決不斷增加的用電負荷帶來的線路容量不足問題，新建工程回路中只能采用多根并聯的方式，敷設安裝和運行維護極其不便。隨著對安全問題的日趨重視，國家開始引導采用銅質導體，GB 50096—1999《住宅設計規范》明確規定“電氣線路應采用符合安全和防火要求的敷設方式配線，導線應采用銅線”[10]。在此背景下，工業與民用配電中又改用銅質導體芯線纜。

近年來，受制于銅資源的儲量和價格，電線電纜的制造成本居高不下。隨著鋁質導體制造工藝的不斷完善，生產裝備的不斷改良，銅鋁過渡端子質量的大幅提高，鋁質導體得到了越來越廣泛的應用。

現今，電線電纜行業在導體材料選擇上提倡“以鋁節銅”，不再是20世紀60～80年代在線路中進行“以鋁代銅”，而是指在必須使用銅質導體的場合使用銅質導體線纜產品，而在既可以使用銅質導體又可以使用鋁質導體的場合下，推廣使用鋁合金導體[11]。

2 導體材料由銅向鋁合金過渡的原因

2.1 鋁合金導體應用是資源節約和經濟發展的客觀要求

我國每年用于電線電纜行業的銅高達500萬t，約占國內銅消耗總量的60%[12]。但我國銅資源匱乏，為滿足應用需求，每年要進口的銅約占國內總消耗量的70%。銅的價格是鋁的3倍以上，銅材占電線電纜產品成本的70%以上，直接導致電線電纜制造業成本的提高。而近年來，我國原鋁產量始終維持在精銅產量的3倍以上。銅和鋁都具有良好的物理和力學性能（表1和表2），鋁的熔點和密度比銅低，使其具有更好的可加工性能;通過成分設計和工藝控制，可使其具有優良的綜合性能。在滿足應用要求的前提下，利用鋁替代銅，符合資源節約的時代背景，具有重要意義。

表1 銅和鋁的主要物理性能[13]

Tab.1 Main physical properties of copper and aluminum[13]

表2 銅和鋁的主要力學性能[14]

Tab.2 Main mechanical properties of

copper and aluminum[14]

2.2 鋁合金導體成分優化

以稀土優化綜合處理技術為基礎，國內導體制造領域消化吸收美國ASTM B 800—05《電氣用退火及中溫回火8000系鋁合金導線標準規范》中鋁合金導體成分配比（表3），對導體金屬進行了成分與組織結構的深入研究，使鋁合金導體的導電率、力學性能達到國際同等水平。

表4為GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》與ASTM B 800-05—2011《電氣用退火及中溫回火8000系鋁合金導線標準規范》對于電纜用鋁合金導體力學性能與電氣性能的規范要求。由于不同應用場合的實際應用需求不同，國內與國外關于鋁合金導體力學性能的要求略有差異。國內標準規定了軟態導體的抗拉強度為98～159 MPa、伸長率≥10%，該性能指標包含了美國標準所述軟態和硬態導體的性能指標;還規定了強度>185 MPa、伸長率≥1.0%的硬態導體。

值得注意的是，ASTM B800-05—2011對于鋁合金導體電阻率的要求低于GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》，在力學性能相當的范圍內，其規定的20 ℃時最大電阻率為平均值，與國內水平相同，但其單個試驗值要求為2.845 0×10-8 Ω·m（60.6%IACS），低于國內水平。而實際生產制造中，我國鋁合金導體的20 ℃電阻率水平普遍已達到不大于2.758 6×10-8 Ω·m（導電率≥62.5%IACS）的水平。

2.3 鋁合金導體生產工藝和裝備優化

為了使鋁合金導體性能更好地滿足應用需求，國內電線電纜行業對鋁合金導體制造工藝不斷探究，對生產設備不斷改良，并積極引進國外先進生產設備，在優化導體材料成分的基礎上配合工藝裝備，初步實現了高性能鋁合金導體的大規模穩定生產。

為了改善合金熔體質量，國內鋁合金導體生產廠家綜合考慮熔煉工藝特性和設備性能，嚴格控制合金成分和雜質含量，合理選擇熔煉溫度、熔煉時間、保溫溫度和保溫時間，并進行在線成分調整。

熔煉裝備方面，傾動式保溫爐逐漸代替傳統的保溫精煉爐（圖1）。傾動爐的受熱面積大，熱交換效率高，爐料熔化速度快，可以減少鋁錠氧化和氣體融入鋁液中，從而保證鋁合金熔體的純凈，同時減少鋁合金熔體的燒損，并可以按生產節奏調整熔體流量。利用惰性氣體精煉除氣，不僅可以提高精煉效果，且能縮短生產周期，提高生產率。

此外，不斷改進優化的連鑄連軋生產線（圖2）、分電機傳動式高速鋁合金大拉機（圖3）、輥壓成型單絞機生產線和框式絞線機（圖4）等裝備生產線，為高質量鋁合金導體的生產制造提供了裝備基礎，為優化的工藝實施創造了有利的條件。

非滑動式鋁合金大拉機主要用于將9.5 mm鋁合金桿拉制成2.2～5.0 mm的鋁合金圓線、各種截面形狀的型線或異形線，其每項拉絲鼓輪配用獨立電機和減速器，采用多電機驅動技術，各道傳動比由電氣控制，可調節各道拉絲的延伸系數。表5為非滑動式鋁合金拉絲機主要參數。表6為電工鋁、鋁合金導體性能對比。

絞線工序是將拉絲工序得到的鋁合金導體單絲經過絞線裝備制得具有一定截面積的絞合導線，因此絞線裝備需要具備高生產率、短生產周期、低廢線率、低能耗等特點。

2.4 鋁合金導體性能優勢

電工鋁導體的導電率為61%IACS，力學性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能差，表面易氧化。

表5 非滑動式鋁合金拉絲機主要參數

Tab.5 Main parameters of the non-slip aluminum alloy

wire drawing machine

表6 電工鋁及鋁合金導體性能對比[16]

Tab.6 Comparison of performance between electrical

aluminum and aluminum alloy[16]

鋁合金導體與電工鋁導體相比，抗蠕變性強、耐疲勞性好、不易折斷、高溫情況下電阻穩定，且退火后具有更高的伸長率，保證了導體服役的安全性。

由于AA8000鋁合金的導電率是銅的61.8%，當將鋁合金導體的截面積增大至銅導體截面積的150%時，它們的電氣性能一致，可以實現相同的載流量、電阻和壓損。鋁合金導體的抗拉強度只有銅導體的50%，但其密度只為銅的30.4%，因而即使增大鋁合金導體的截面積至銅導體的150%，其質量只是銅導體的45%，優勢明顯。

鋁合金導體自2007年進入中國后，越來越多的工程項目開始使用鋁合金導體電纜。至今已有數千個項目使用到鋁合金導體電纜，經濟效益顯著。其中有影響力的項目包括上海世博會配套項目和深圳大運會配套項目等，使得鋁合金電纜在國內的應用進入了起步階段。

2.5 關于應用鋁合金導體的規范標準支持

對于鋁合金導體的應用，國外，除特殊場所外，IEC標準并未對銅、鋁導體線纜的應用場所作出特別規定，他們更關注場所使用者是否具有足夠的電氣知識和操作能力。比如，在建筑電氣領域中，絕大多數的居住者不懂電，也不懂電氣的操作，因此在住宅內選用銅導體作為配電支線是必要的。而建筑物外的普通配電主干線通常設置在電氣豎井或橋架內，并由專業電工管理和操作，在這種場合使用鋁合金導體電纜，是更為理想的選擇。《美國國家電氣規范》NEC 2011版中310.106規定：導體材料除非另有規定，本規范中的導體應為鋁、銅包鋁或者銅。規格為8，10和12 A WG的實心鋁導線應采用AA-8000系列電工級鋁合金導線材料制作。標記為RHH，RHW，XHHW，THW，THHW，THWN，THHN，進戶SE Style U型以及SE Style R型的8AWG至1 000 kcmil絞合鋁導線，應采用AA-8000系列電工級鋁合金導線材料制作[17]。

在國內，無論是制造規范還是設計規范，對于鋁合金導體的應用都做出了明確的規定。GB/T 3956—2008 IEC 60228：2004，IDT《電纜的導體》中4.1引言：“導體應包含以下類型之一：不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線;鋁或鋁合金線。”GB/T 12706—2008《額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件》中第5條“導體”規定：“導體應是符合GB/T 3956—2008的第1種或第2種鍍金屬層或不鍍金屬層退火銅導體或是鋁或鋁合金導體。或者第5種裸銅導體或鍍金屬層退火銅導體。”GB/T 31840—2015《額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》中5.1“導體”規定：“導體應是符合GB/T 3956—2008的第2種鋁合金導體。”GB 50217—2007《電力工程電纜設計規范》3.1條“電纜導體材質 ”中3.1.3規定：除限于產品僅有銅導體和3.1.1和3.1.2確定應選用銅導體的情況外，電纜導體材質可選用銅或鋁導體。JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設計規范》6.4條“導體及線纜選擇”中6.4.2規定：“敷設在電氣豎井內的封閉母線、預制分支電纜、電纜及電源線等供電干線，可選用銅、鋁或合金材質的導體。”DB 11/687—2009《公共建筑節能設計標準》6.3.4規定：“一般場所普通用電負荷固定安裝的大規格配電母線或電纜，可選用銅、鋁或合金導體。”

3 鋁合金導體的研究現狀

3.1 鋁合金導體力學性能和導電性能

作為傳輸電能的載體，鋁合金導體追求的最基本的性能是導電性及一定的強度和柔韌性，因此，目前對于鋁合金導體的研究大多集中在如何提高其導電性能和力學性能上，而影響這些性能的主要因素是合金的組織。

研究者和制造商主要通過優化材料的成分配比和加工工藝來控制合金的組織結構。首先，鋁合金的晶粒不能太細小;其次，鋁合金組織中，固溶粒子要盡可能少，要有適量的彌散強化相，加工硬化盡可能小。這樣的組織可以保證鋁合金導體在滿足力學性能要求的同時，具有較高的導電性。鋁合金導體性能的提高是在合金成分優化設計的基礎上通過生產工藝控制來實現的。鋁合金導體生產工藝過程包括熔煉、連鑄連軋、拉拔和熱處理。熔煉工藝是保證導體成分的關鍵，鑄軋、拉拔、退火是控制變形和確保合金性能的關鍵。

通過優化設計合金元素的配比，特別是優化微合金化稀土元素的配比，配合工藝控制，可在獲得具有合理的抗拉強度的同時，將鋁合金導體的導電率提高至63%IACS。

3.2 鋁合金導體的耐腐蝕性能和抗壓入蠕變性能

在實際服役過程中，鋁合金導體的抗壓入蠕變性能、耐腐蝕性能是決定其是否能在電纜中安全可靠應用的重要因素，具有重要的研究意義。

當前，國內外對于金屬材料的抗壓入蠕變性能的研究和檢測尚處于起步階段。為了規范和引導行業健康發展，上海電纜研究所組織行業力量，在全國裸電線標準化技術委員會的組織下，完成了國家標準GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》的制定。確定以GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》附錄B“抗壓蠕變試驗方法”為檢查依據進行試驗。試驗方案首先對送檢的8030鋁合金桿進行化學成分檢測，確認其是否符合GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》和ASTM B800-05—2011“8000 Series Aluminum Alloy Wire Electrical Purposes-Annealed and Intermediate Tempers”的標準要求。符合上述標準要求后，再對8030鋁合金試樣、電工用圓鋁桿A4-1A60試樣、電工用銅線坯T2（R）試樣進行抗壓蠕變試驗，并結合蠕變曲線、線性擬合、數據分析等手段評價其蠕變性能。

關于鋁質導體耐腐蝕性能的研究很多，但大多集中在架空線用鋁質導線上，而關于電力電纜用鋁合金導體腐蝕性能的研究很少。GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》并未對鋁合金導體的連接性能和耐腐蝕性能給出明確的檢驗和評價方法。王建業等[18]采用鹽霧對鋁合金導線接頭進行循環腐蝕試驗，研究其導電性的變化。但相關研究人員對于該試驗看法不一，主要分歧在于試驗關于實際工況的模擬設置。在該試驗中，是將裸露的鋁導線與連接端子連接后置于腐蝕環境中，而電力電纜體在實際應用中并非直接裸露于環境中。應以實際運行條件為基礎，深入研究鋁合金導體的關鍵性能指標，確定與實際運行相符、量化、切實可行的性能檢測和表征方法，行之有效地規范鋁合金導體市場。

圖5 銅鋁電力連接循環腐蝕電流猝擊試驗

Fig.5 Corrosion and current burst testing of copper

and aluminum electrical power connectors for use

with copper and aluminum conductor

4 結 語

鋁合金導體的應用符合國情和時代背景。優化的成分配比、技術工藝和裝備是制造優良鋁合金導體的前提。應繼續深入研究鋁合金導體的關鍵性能指標，并確定檢測和表征方法。

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