銅包鋁合金/銅復合導體電纜的應用探討

張方 王位權 于笑辰 葛雷 王偉陽 劉鳳月

摘?要：本文對銅包鋁合金/銅復合電纜的載流量、機械性能、連接性能、經濟性和可再生性等多方面與銅導體電纜進行對比分析，探討其在工程中應用的可行性。通過研究表明該產品不但各方面性能可靠穩定，使用壽命長，而且性價比高。結合國家政策對該產品的發展趨勢和應用前景進行了展望。

關鍵詞：銅包鋁合金;有限元分析;載流量;機械性能;可再生性

中圖分類號：TM244.1??文獻標識碼：A

目前，國內電力輸送的主要載體是銅導體和鋁導體。銅導體性能優異但是造價高，鋁導體易氧化形成致密氧化膜，大大增加導體電阻，損耗較大。國內一直在積極探索合適的電纜導體，繼而出現將銅層均勻而同心地包覆在鋁芯線上，并使兩者界面上的銅和鋁原子實現冶金結合的一種層狀復合材料-銅包鋁導線（以下簡稱CCA），而鋁芯機械性能較差，適用性有局限[1～3]。目前，鋁合金電纜[4，5]在歐美市場占有率高，若采用銅包鋁合金（以下簡稱CCAA）可以綜合銅和鋁合金的優點，CCAA導體克服了鋁導體強度低、易蠕變和銅芯導體密度大、成本高等缺點，具有可焊性強、易加工、密度小、彎曲半徑小和經濟性等優點。

電纜的載流能力取決于導體的交流電阻、電壓等級和環境溫度。銅導體在50Hz交流頻率下的集膚深度約為9mm，大部分的電流都分布在集膚深度范圍內。因此，如果在集膚深度內的外層導體采用銅導體，在集膚深度以外的內層導體采用CCAA形成的新型導體結構，可以在滿足載流量的前提下，節約銅材損壞，這樣的組合也是最為經濟合理的。

目前還未有CCAA與銅復合導體的新型結構電纜（以下簡稱銅包鋁合金/銅復合電纜）相應的載流量計算標準和選型方法。因此，對于銅包鋁合金/銅復合電纜的載流量研究，可以為其工程示范應用提供理論基礎，具有重要的指導意義。

1 載流量分析

1.1 幾何模型建立

以110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣電纜為例進行幾何建模，各層結構尺寸如表1所示，銅包鋁合金/銅復合電纜和銅導體電纜的各層尺寸保持一致。

如圖1所示，銅包鋁合金/銅復合電纜的導體內三層為銅層體積比為15%的CCAA，外三層為銅導線，主要研究不同導體結構對載流量的影響。

1.2 仿真模型建立

為了提高運行效率，采用二維平面對電纜進行建模，電纜采用較細網格進行剖分，電纜溝及周圍土壤采用粗網格進行劃分。

以電纜溝內敷設電纜的工況為例，電纜敷設環境參數如表2所示，分析傳熱過程可以確定傳熱方式主要包括熱傳導、熱對流和熱輻射。在傳熱學中有三類邊界條件，模型中電纜溝尺寸為1.6m×2m，選擇距離電纜溝壁底部2m處為下邊界，深層土壤溫度恒定為10℃屬于第一類邊界條件;距離電纜溝壁左右兩側2m處為左右邊界，與熱源有足夠距離，溫度認為無變化屬于第二類邊界條件;電纜溝蓋板為上邊界，空氣溫度恒定為40℃與空氣對流換熱屬于第三類邊界條件。對三相電纜線芯導體施加幅值相同，相位差為120°的交流電，并在Z軸方向施加耦合電壓。

1.3 電纜電流密度分布

在COMSOL軟件中，800mm2截面的銅導體電纜和銅包鋁合金/銅復合電纜的導體中加載900A的電流，其電流密度分布分別如圖2和圖3所示。

銅包鋁合金/銅復合電纜的集膚效應體現的更加明顯，外層銅導體的最大電流密度達到1.72×106A/m2，而內層銅包鋁合金導體的電流密度僅為外層銅導體電流密度的1/3。

1.4 電纜載流量

電纜載流量與電纜導體溫度有著直接的聯系，基于二分法原理可以通過迭代導體溫度，確定導體溫度等于90℃時的電流為電纜載流量。在電纜溝中單回路110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣電纜分別以品字形排列和一字型排列時，達到滿載的情況下，其熱場分布如圖4所示。

以單回路110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣電纜為例，通過COMSOL有限元仿真可以得到電纜在不同情況下的載流量如表2所示，數據表明采用一字型排列時，隨著相間距的增大，載流量有所提升且增大的幅值隨著間距的增加呈現減小的趨勢，當間距增加至400mm后，載流量變化不再明顯，因此敷設時相間距應在300～400mm范圍內經濟性較好。由于“品”字形排列時，相間距等于電纜外徑約100mm，散熱條件相比“一”字形排列要差，所以載流量要低不少。

不管是“品”字形排列還是“一”字形排列，等導體截面的銅導體電纜和銅包鋁合金/銅復合電纜的載流量相差并不大，平均差值在12%左右。

2 機械性能分析

關鍵機械性能分析：a）抗拉強度：鋁合金導體的抗拉強度為115～150MPa，銅導體的抗拉強度為200～270MPa，銅包鋁合金/銅復合導體的抗拉強度介于兩者之間，完全滿足施工和運行要求;b）延伸性能：鋁合金導體經退火后，延伸率可達30%，而銅導體的延伸率在25%左右，CCAA延伸率介于兩者之間，因此銅包鋁合金/銅復合導體的延伸性能要略優于銅導體;c）彎曲半徑：鋁合金導體柔韌性較好，鋁合金電纜最小彎曲半徑為7倍電纜外徑，CCAA的柔韌性與鋁合金相近，因此銅包鋁合金/銅復合電纜的彎曲半徑要求小于銅導體;d）抗蠕變性能：鋁合金中添加的銅元素增強了高溫時的電阻穩定性，添加的鐵元素提高了抗蠕變性能，再輔以特殊的退火工藝[6]，其蠕變量基本與銅導體達到相當的水平。可見銅包鋁合金/銅復合導體具備穩定的連接性能。總體來說，在機械性能方面，采用銅包鋁合金/銅復合導體替代銅導體，電纜性能有增無減。

3 連接特性分析

電纜導體與金具連接最為關注的指標是接觸電阻和熱穩定性。與金具接觸的是導體最外層銅導體，因此，復合導體的接觸電阻和銅導體一致。由于CCAA中銅和鋁合金的線膨脹系數有差異，因此，當接頭處收到冷熱溫度交替變化時，可能會影響連接處的穩定性。已有日本科研工作者通過200次通電熱循環試驗證明，CCA與銅質金具連接具有穩定特性[7]，而CCAA的蠕變性能相比CCA提高了300%，可以充分證明復合導體與金具連接在使用中的可靠性。

4 經濟性分析

CCAA的鋁合金中融入了少量稀土元素可以有效緩解銅鋁界面處的電化學腐蝕，耐腐蝕性能大大提高，通過包覆銅層后，抗氧化性能也進一步提高，使用壽命為30年，與銅導體電纜相比無差異。由電纜結構尺寸表可知，以110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣電纜為例，銅導體電纜的單重為13329.5kg/km，而銅包鋁合金/銅復合電纜的單重為12445.1kg/km，單重降低了7%。銅包鋁合金/銅復合導體電纜與銅導體電纜相比，重量減輕，反彈性減弱，彎曲半徑要求降低，敷設施工安裝難度大大降低，尤其是在轉角處，安裝費用可以縮減的同時安裝周期也可以縮短。

以110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣的銅包鋁合金/銅復合導體電纜和銅導體電纜對比為例，通過結構表進行電纜材料成本分析，可以發現銅包鋁合金/銅復合導體電纜的材料成本為銅導體電纜的90%，電纜截面越大，CCAA占比越大，電纜材料成本越低。結合單重數據及載流量表可計算得出，在電纜溝“一”字形排列（相間距300mm）敷設條件下，銅包鋁合金/銅復合電纜單位重量的載流量可達銅導體電纜的96%。可以說，110kV 800mm2交聯聚乙烯絕緣電纜采用銅包鋁合金/銅復合導體可以在保證電纜線路在額定載荷下正常運行的前提下，減少10%左右的直接采購成本。

5 可再生性分析

中國工程院院士黃崇祺曾提出，銅包鋁線的回收再生利用是電線電纜行業規模化使用CCA的前提條件[8]，CCAA亦是如此。目前較為成熟的報廢CCA再生利用方法有兩種，一種是直接熔煉法，應用于煉鋁工業中硬鋁合金、鍛鋁合金的熔煉和煉銅工業中鋁青銅的熔煉;另一種是電解分離法，應用于銅和鋁的電解精煉工業。CCAA與CCA相比，僅多了極少量的鐵、鎂、硅、鋅和硼等元素，可見CCAA的回收利用是同樣可行的。有相關報道表明，2018年我國再生鋁的產量已經達到695萬t，占全鋁消費量的16%，隨著回收體系的不斷完善，仍有巨大的發展潛力[9]。

6 結語

通過載流量、機械性能、連接性能、經濟性和可再生性等多方面的論證，說明銅包鋁合金/銅復合導體電纜的力學和電學性能都能滿足使用要求且具備一定的成本優勢。與此同時，銅、鋁資源的合理搭配響應了我國建設資源節約型社會的方針，可作為銅導體電纜、鋁合金導體電纜產品的補充，具有市場前景。但是，目前銅包鋁合金/銅復合導體電纜尚未制定標準，致使生產企業無法統一，用戶在設計、采購和施工時亦無標準借鑒。建議在進一步深化研究銅包鋁合金/銅復合導體電纜的基礎上，推進工程的示范應用和相關標準化工作的落實。

參考文獻：

[1]李平舟.節能環保的銅包鋁線值得推廣應用[J].資源再生，2015（3）：54-56.

[2]劉帥洋，王愛琴，呂世敬，等.銅鋁層狀復合材料界面特性及深加工研究進展[J].材料導報，2018，32（5）：828-835.

[3]戴雅康.銅鋁復合導體研究和創新的進展與展望[J].新材料產業，2018（03）：44-48.

[4]王國忠.型線絞合導體ZC-YJLHV22-103×630鋁合金電纜的設計和生產[J].電線電纜，2018（03）：20-22.

[5]劉宇，林祝芬，趙芮，唐信寶，杜牧.鋁合金電纜在船舶行業應用的可行性研究[J].廣東造船，2019，38（02）：86-89.

[6]吳振江.鋁合金導體應用發展歷程及現狀[J].2018.

[7]鄭傳濤，戴雅康.銅包鋁線特性對銅包鋁電纜使用性能的影響[J].電線電纜，2016（6）：2.

[8]黃崇祺.架空電力線路用導體材料的研究現狀和發展方向[J].2018.

[9]楊富強，熊慧，宋仁伯.我國再生鋁產業現狀及發展方向[J].新材料產業，2019（08）：10-14.