浅谈电工行业对铜的需求及铜替代品发展

电工行业是装备制造业的主要支柱产业之一。近几年来, 在经济保持快速发展的宏观环境中, 尤其是电力工业的蓬勃发展, 推动了电工行业经济的持续高速发展。

1 电工设备对铜、铝等有色金属的需求不断加大

铜、铝等有色金属材料是电工设备的主要原材料, 在电工行业中, 成套设备 (包括母线槽) 制造业是铜、铝需求量较大的行业, 也是全国铜消费的主要行业。由于电力建设速度加快和行业经济的快速发展, 对成套设备产品的需求越来越大。

2 铜替代及其在电工行业的发展趋势

近年来, 随着经济的快速发展, 使得用铜量持续增长, 随着铜价的不断攀升, 在成套设备用主要导体——铜、铝材料间的差价进一步扩大。用铜的成本直线上升, 目前已占材料成本的80%以上, 铜的替代问题成为业内人们关心的话题。

铜的替代, 在当前技术条件下, 主要采用铝导体或铜及其他金属复合材料来替代铜作为导电体使用。根据掌握的相关情况介绍如下。

2.1 采用铝导体

以铝代铜, 要达到使用铜导体的产品的同样性能要求, 就必须相应放大导体截面, 同时在某些使用场合还必须考虑铝导体持续的可靠性问题。

根据相关机构的调查显示:在铜价上涨比较迅猛的这几年, 铝的用量并没有出现异常的增长。即电力导体中以铝代铜并未取得实质的进展。其原因可能在于用户以往已形成的用铜偏好和对铝导体接续可靠性的顾虑等因素。

2.2 采用铜包铝双金属材料

(1) 铜包铝的物理性能:铜包铝是一种双金属复合材料, 在一根导材上发挥两种金属材料性能, 铜包铝将铜的优良导电性和铝比重轻的优点结合在一起, 形成一种轻型导电材料。其优点是重量轻、成本低, 性能比铝母线优。

(2) 铜包铝主要制造方法如下。

(1) 电镀法。此方法生产设备及工艺简单, 但铜层与铝线结合性能差, 铜层很薄, 因此导电性能差, 而且氰化电镀液对环保影响很大, 此方法在国内外早期使用, 目前均已淘汰。

(2) 轧辊压接法。将两条经过钢丝刷清洗的铜带, 在惰性气体保护下通电加热, 同时将铝坯扒皮 (除去氧化铝层) , 从上、下两个方面将热铜带夹住铝线, 由轧辊压接成形。这种生产方法杆坯直径可较大, 质量较好, 但设备费用昂贵, 生产成本较高, 国内尚无使用。

(3) 静液挤压法。处理好铝坯料内表面, 把铜管套入铝坯料上, 中间放入润滑液, 通过高压挤压成形。这种方法可以生产各种异形铜包铝, 截面也可做大。但设备成本高, 产品长度受到限制。有研究机构已挤出较大截面的铜包铝母线, 但未实现生产化。

(4) 包覆焊接法/熔覆法 (多用于制造母线) 。以工业用铝为芯体, 将铜带包覆在已处理好的铝材上, 焊接铜带制成杆坯, 通过多次拉拔, 获得所需线材, 实现冶金结合。再通过热处理, 赋予所需力学性能, 这种方法设备成本低, 操作方便。目前国内生产铜包铝材使用此方法。

3 应用

3.1 国外铜包铝应用

在西方发达国家, 铜包铝的开发应用已有30多年, 但是应用量似乎并没有扩大应用。在欧美国家, 铜包铝主要应用在通信领域, 特别是高频领域中做导电芯与屏蔽用。在大容量特种导体例如铜包铝扁线、铜包铝母线、纸包扁线 (母线) 、纱包扁线 (母线) 也会得到应用。美国保险商试验室 (UL) 标准中允许铜包铝作电力的导体, 在其安全性标准中均规定, 可以使用铜包铝作导体材料。但要求“铜包层与铝芯在冶金学上结合, 应占据实心导体的截面或绞合导体的每根金属线 (单线) 的截面10%或以上, 且应同心包覆铝线。铜包层的厚度不得小于实心导体或金属单线直径的2.5%, 采用显微镜观察圆绞合或圆实心导体经过抛光的正截面进行测定”。在标志的导体规格处标注“AL (CU-CLAD) ”、“ALUM (COPPER-CLAD”或“COPPERCLA DALUM”等字标, 并在包装标志上还应出现系列的说明, 例如。

(1) “铜包铝只能用于标作与铝导体连接用的设备”。

(2) 对于 (3.31-5.26) mm2 (12-10AWG) 实心铜包铝导体, “可用于允许与铜导体连接用接线螺丝、压接板和插入式弹簧型连接机构”。

(3) 如果电线连接器中发生任何组合铜包铝、铜和铝导体的物理性接触, 该连接器应标作这类混合用途的类型, 且该接头只限于干燥场所。

从以上的标志和说明来看, 美国UL83标准中, 把铜包铝归属到铝导体一类中, 它改善了铝导体的连接性能。

3.2 国内铜包铝应用场合

基本上是通信电缆领域。近年, 由于铜价波动太大, 电工行业制造商经受不起这种波动, 对铜包铝取代铜予以极大关注, 特别是成套设备 (母线槽) 、线缆行业, 越来越多的企业开始生产铝母线、铜包铝母线。应该指出的是:国外铜包铝归属铝电缆, 取代部分铝电缆, 目的是改善性能, 而国内铜包铝取代铜, 目的是降低成本, 二者有很大的区别。当然随着铜价逐步攀升, 国外以铜包铝取代铜 (降低成本) 为目的应用也逐渐增多。

相较于替代品来说, 铜在成套设备 (母线槽) 、线缆的行业的应用历史悠久, 且产品性能稳定, 无论是在电工产品的制造方还是用户方, 都深得人心。而作为新生事物的替代品, 虽然具有诸多优势, 但要成为市场主流不是一件易事。据目前状况分析, 对于铜包铝应用推广应用, 还有不小的障碍, 其主要原因如下。

(1) 最终用户反对使用铜包铝, 它使能耗增大, 工艺、可靠性均有影响。

(2) 由于铜包铝制造工艺的要求, 其制造成本还是比较高, 使得使用铜包铝技术经济效益不高, 考虑到其性价比, 许多企业还是选择放弃。

(3) 铜包铝热处理与接头技术各厂尚未真正掌握。

根据了解, 由于部分替代技术还不成熟, 铜包铝的接头以及热处理技术尚未真正过关、容易造成断线、分层、开裂事故。

随着技术、工艺的不断进步, 以上情况也在不断的改变, 就目前的情况看:已经有母线槽制造商设计和制造了系列的母线槽产品, 并完成试验, 对于成套设备, 广东地区也已有个别企业在尝试用铜包铝的导体制作开关柜, 根据我们目前试验的情况显示如下。

(1) 密集型母线槽。

铜覆铝导体规格230×5/每相, 通以2000A的电流, 其最高的温升为64K, 铜覆铝导体规格140×4/每相, 通以1000A的电流, 其最高的温升为45K, 电流密度约为 (1.7-1.8) A/m 2。

(2) 成套设备。

铜覆铝导体规格垂直母线 (50+30) ×5/每相, 通以1000A的电流, 其最高的温升64K。

铜母线、铝母线、铜覆铝复合母线各项性能指标见表1。

铜覆铝复合母线解决了使用铝母线 (铝排与铝排之间) 搭接处的接地电阻及表面化学稳定性等问题, 可以达到替代铜母线的目的, 其它用电产品和种类成套装置也可采用同样方法进行选用。

4 国外最新的铜铝复合技术

目前, 国外最新的铜铝复合技术为分子渗透技术, 由于母线性能最薄弱的环节在于电气连接位置 (连接头和插接口等) , 在这些区域有以下特点。

(1) 温升高。

(2) 能耗集中。

(3) 故障多发。

因此, 提高电气连接性能成为母线设计的关键。

国外采用了独有的分子渗透技术, 将不同的金属融为一体, 突破母线电气连接的问题, 使电流传输性能得到提高, 结构如图1所示。

通过试验验证利用这种结构进行的连接, 其接触效果非常良好, 目前, 国内还没有企业能实现这种材料的生产。随着国内材料制造业在铜替代品上的不断探索, 也将促进电工行业在应用替代铜导体方面的发展, 进一步的提高各企业在行业内的竞争力, 增加企业的效益, 铜铝复合母线在电工领域的发展应是有一定空间的。

摘要：通过对电工设备对铜需求的分析, 叙述了铜替代品的发展, 并给出了不同的铜替代品的应用及其存在的问题。本文对于了解铜替代品的发展具有一定的实用价值。

关键词：电工设备,铜替代,应用,发展