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    銅鋁復合母線的應用技術探討
    發布時間:2014-09-11    閱覽次數:2058 次  
            本文的要講述的話題是銅鋁復合母線的應用技術探討,從屬于欄目電線電纜-智能樓宇-中國弱電。如果你感興趣,請繼續閱讀;否則可以選擇右邊推薦的其他文章。編者祝您成功!
            由于銅資源的短缺和消費快速增長的矛盾,致使近幾年銅價在全球范圍內出現了前所未有的暴漲。從資源角度分析,未來銅價仍將持續上升,銅材持續的高價,使電控配電設備生產企業成本迅速上升,經營壓力迅速增大。在這種形勢下,促使了導體材料的升級換代。近幾年,市場上已出現了用不同工藝方法制造的鍍銅鋁母線,覆銅鋁母線,銅包鋁母線等銅鋁復合母線。銅鋁復合母線是一種以鋁為芯體,外層包覆銅的雙金屬復合材料,它是將鋁的高導電性能、低成本資源和銅的高化學穩定性、較低的接觸電阻集于一體,實現低成本節能的一種新型導體材料,這種新型導體材料一進入市場,就受到了電控配電設備生產企業的廣泛關注和推廣應用。本文論述了銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的要求,銅鋁復合母線在電控配電設備中的應用案例以及選用原則。
            1銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的要求
            在電控配電設備中對載流導體的主要要求是它的載流量和機械強度,具體考核指標就是溫升極限和承受短路電流的能力。對復合材料還必須保證兩種材料的界面結合強度,在剪切、沖孔、折彎時不分層,還要能承受熱脹冷縮時產生的應力破壞。那么銅鋁復合母線能否滿足電控配電設備的這些要求值得研究。
            溫升:溫升與導體的導電率(載流量)、截面積及設備散熱條件有關,在設備散熱條件不變的情況下,根據導體導電率選擇合適的截面即可。
            動熱穩定:在三相系統中,滿足動穩定的條件是:電動力所產生的應力要小于材料的最大允許應力。
            電動力所產生的應力б=M/W
            其中:M為短路電流所產生的力距。在線路結構不變的情況下,M與導電排兩支撐點之間的距離L的立方成正比,也就是說,減?。炭蓽p小電動力所產生的力距。W為導體截面系數,在導體立放時W=b2h/6,b為導體厚度,h為導體寬度,增大導體截面,尤其是厚度,即增大了W,減小了電動力所產生的力距。
            由此可見,減小導電排兩支撐點之間的距離,增大導體截面,尤其是厚度,都可滿足動穩定的要求。
            至于熱穩定只與導體截面有關,按經濟電流密度選取截面S后,再校驗滿足熱穩定的最小截面都遠小于S.
            在母線槽和低壓開關柜中,對不同額定電流規格的產品已做過30kA、50kA、65kA、80kA、100kA短路試驗,動熱穩定都能滿足要求。
            對于銅鋁復合導體,除了滿足溫升極限和動熱穩定之外,還必須滿足使用要求和壽命要求,具體來說,在進行沖孔、剪切、折彎時銅鋁不分層,在使用環境下熱脹冷縮應力不會破壞銅鋁之間的結合,銅鋁界面不會產生電化腐蝕等。這些問題都與銅鋁之間界面結合強度有關,而界面結合強度與其制造工藝有直接關系,制造工藝方法不同,其界面結合強度不同。
            銅和鋁在固態下復合,如包覆焊接工藝,軋制壓接工藝,穿套軋制工藝等都是用機械壓力將銅、鋁壓接在一起,通過壓力激活界面原子,形成原子鍵結合,再經過熱處理擴散,使點結合轉變為面結合,但這種擴散深度有限,復合層很薄,界面結合強度并不高。
            銅和鋁固液熔合,即把液態的鋁澆鑄在固態的銅管中,通過銅、鋁接觸面上銅的熔化和銅與鋁之間的擴散實現復合,銅鋁界面形成一層較厚的復合層(約10多微米),達到較高的界面結合強度。
            在電力行業標準《輸變電設備用銅包鋁母線》DL/T247-2012中規定了銅鋁界面結合剪切強度不小于35MPa,這是最低要求。通常固液復合的銅鋁復合母線在40MPa以上。如達到標準要求,在加工時,不會破壞銅鋁結合,在正常使用環境下,熱脹冷縮產生的應力也不會破壞銅鋁界面。
            上海理工大學對HT-TLMY銅鋁復合母線做了0~200℃,100次熱循環試驗,測試了試驗前后界面剪切強度,熱循環后,界面結合強度不但沒有下降,而稍有提高,這是因為在這個溫度范圍內,消除了界面由于銅、鋁線脹系數不同而產生的應力,同時也加強了銅鋁之間原子擴散(上海理工大學銅鋁復合母線技術研究報告)。
            這說明在這個溫度范圍內使用,熱脹冷縮應力破壞不了銅鋁界面結合。在電控、配電設備中,正常使用溫度不會超出110℃.在短路瞬間,標準規定的短路電流在4s之內經過試驗對銅鋁界面結合也沒有影響。
            為了驗證長期熱疲勞對銅鋁復合母線的影響,上海電纜研究所對HT-TLMY銅鋁復合母線依據《額定電壓35kV(Um=40.5kV)GB/T9327及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》做了1000次熱循環試驗,每次測試溫度達到平衡狀態時的電流、直流電阻、最高溫度,計算初始離散度和平均離散度,從250次循環末,每隔75次計算電阻比率比值,直至1000次末。合格要求:初始離散度和平均離散度≤0.3,電阻比率比值≤2.
            華銅銅鋁復合排HT-TLMY初始離散度≤0.,23,平均離散度≤0.15,電阻比率比值≤1.29,完全符合標準要求。(機械工業電工材料及特種線纜產品質量監督檢驗中心,報告編號MTN2010-0242)。這個試驗歷時6個多月,充分證實了銅鋁復合母線的使用可靠性。
            銅和鋁因電位差大,直接接觸會產生電化腐蝕,銅鋁復合母線會不會產生電化腐蝕,這也是用戶最關心的問題。會不會產生電化腐蝕,取決于銅鋁之間是否存在產生電解質的條件,固液復合工藝在銅鋁之間有一層過渡層,過渡層由銅鋁固溶體和微量化合物組成,沒有產生和接觸空氣、水汽的條件,因此,不會產生電化腐蝕。
            大量應用案例也證實了銅鋁復合母線完全滿足電控、配電設備的要求。
            在銅價大幅漲價之后,鋁排母線槽又開始增多,鋁排鍍鋅、鎳、錫之后,表面氧化問題解決了,但鍍層很薄,而且硬度軟的問題沒有解決,使用壽命短,使用可靠性及壽命差,整體效益不如銅鋁復合排。因此,銅鋁復合母線是成套電氣設備的最佳選擇。
            2銅鋁復合母線的應用案例
            (1)在全國聯合設計產品中的應用
            在中國電器工業協會電控、配電分會組織的全國聯合設計的GCK2-4000A三面樣機中全部采用了北京華北華銅電氣有限公司生產的銅鋁復合母線,通過了型式試驗,試驗全部合格并取得了中國國家強制性產品認證(CCC)證書。2008年6月16日,中國電器工業協會組織專家對GCK2進行了科技成果鑒定,專家們對采用銅鋁復合母線做載流導體給予了高度肯定和評價。在進線柜、饋電柜、抽屜柜中選用的銅鋁復合母線導體截面、重量、成本與銅母線對比如下表。
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