铜包铝导体性能研究.doc

铜包铝导体性能研究0 前言电线电缆行业的发展，离不开铜、铝等导电材料。铜具有良好的电气性能，是传统的导电材料，但铜资源的匮乏和市场价格的不断提高，促使电缆行业积极寻求代用材料。铝是铜较好的代用材料，铝的资源丰富，价格相对较低，密度较小，电导率较高，但是铝的强度较低，耐腐蚀性较差，表面极易形成坚固的氧化膜，且接触电阻很大，接头难以形成可靠的连接。随着双金属复合技术的发展，人们利用铜的优良导电性与铝密度小的特点，在铝芯线外部牢固复合铜薄层，制成铜包铝线。铜包铝线是采用包覆焊接拉拔法，将铜层均匀而同心地包覆在铝芯线上，并使两者界面上的铜和铝原子实现冶金结合的双金属复合线，它具有导电性好，密度小，柔软，耐腐蚀，易焊接，价格较低等特点。在铜价节节攀升，居高不下的今天，铜包铝线更能显示性能上、经济上的种种特点，很多电线电缆企业都积极使用铜包铝线，以减少用铜量，降低原材料成本。下面我就分别对金属导体的导电机制、铜包铝的复合机理、铜包铝用作电缆主要材料的优点和目前的一些问题加以概述，最后对这些问题给出相应的几点看法。1 金属的导电机理及铜包铝复合机理1.1 金属导电机理由能带理论知金属导体的能带结构中最高占有带仅部分充满，即除了满带和空带外还存在不满带。在费米能级附近的电子，在热或其他作用的激发下，产生定向运动而导电。因此，材料的导电性取决于能带的结构和电子的填充情况。对金属导电有贡献的仅仅是费米能级附近的电子，这些自由电子即为金属导体的载流子，也只有这些电子才能在电场的作用下进入较高的能级，从而实现金属导体的导电。金属载流子在外电场和温度梯度的驱动下会发生定向运动，但他们同时也受到杂质、缺陷和晶格振动的散射，两种因素相互竞争、最终达到平衡，从而形成稳态的输运现象，其中弛豫时间t大致就是系统恢复平衡所用的时间。所以说电子在费米能级处的能态密度和弛豫时间对金属电导有着紧密的影响。1.2 铜包铝复合机理在单一的金属材料的结构中，各原子依靠较高强度的键合力连接在一起，因此冶金结合就是金属在这种稳固的原子间的键合力作用下连接在一起。铜包铝的复合机理就是在去除铜-铝接触面的氧化物层，再通过外界压力将这两种金属新产生的活性表面压合在一起而实现金属原子间的键和作用，得到的一种复合导体材料。2 铜包铝用作电缆主要材料的优点 2.1 降低交流电阻 2.1.1 交流电阻是电流载流量的主要依据，根据集肤效应的原理，单根导线的表面，其单位面积通过的电流比导线的圆心单位面积通过的电流要大，也就是说，大截面导体的圆心在相同导体相成的圆面积内，圆心比圆周通过的电流要小，所以把圆心导体与圆周导体用不同的金属组成是最合理、最经济的。 2.1.2 影响交流电阻指标除直流电阻、集肤效应外，还有邻近效应，与相同直流电阻的铜导体相比，采用铜复合导体后，单根导体内，铝在圆心，铜在外缘；在绞合导体内，内层是铜包铝，外层是纯铜，而铝对集肤效应和邻近效应都没有铜敏感，同时铜复合导体会使导体总截面增加一部份，因此也增加了导体的表面积，改善了电缆的散热条件，增加了散热面积，而铝的导热系数与铜相近，在同等的材料成本条件下，交流电阻的指标要经济得多。 2.2 具有良好的耐腐蚀性铝比铜易腐蚀，但由于铜包铝材料已经完全冶金化，铝完全被铜所覆，不会被水、空气接触，完全达到与铜一样的性能。铜包铝/铜复合导体还更用利于避免电缆在长期使用过程中由于腐蚀、碰伤或因紧压、锡焊接不好使导体与接线端子接触不良、发热引起铜层脱落和铜铝两种金属之间形成电势差，加速电化腐蚀，造成电缆端部烧毁的隐患。对于铝导体，特别是在沿海地区，大气中盐雾所含有的氯离子会凝聚在铝的表面，易在表面的杂质和缺陷周围引起局部腐蚀，形成孔洞、裂纹和微电池，加剧铝导体的腐蚀。 2.3 成本低重量轻与相同技术指标的铜芯电缆相比，铜包铝导体电缆可节约成本40%以上，铜包铝/铜复合导体电缆可节约成本20%以上。铜包铝线的比重仅为纯铜线的37%-40%。在线径、重量相等的情况下，其长度是纯铜线的2.5倍。 2.4 良好的焊接性铜包铝线由于其表面同心包覆了一层纯铜，因此具有跟纯铜线一样的可焊性，方便生产。3 目前应用复合导体电缆中的一些问题3.1 尚无相应的国家标准早在上个世纪60年代欧美一些国家就在研究和应用铜包铝复合导体电缆，并制定了相应的标准，现已进入了实用阶段；而我国铜包铝或铜包铝铜复合导体电缆的生产和应用还处于起步阶段，国家还没有制定相应的标准。各个厂家的产品还没有通过3C认证，当然，这些都是要经过一段时间应用积累后才能逐步形成。正是由于这个原因造成目前选用复合导体电缆存在一些问题。3.2 集肤效应和邻近效应有的厂家资料介绍复合导体电缆充分利用了电流的集肤效应原理，导体表面通过的电流比中心要大，把电阻率低的铜包在电阻率高的铝的外表是一种最合理的导体结构，在这里显然是把集肤效应的作用夸大了，甚至易使人进入认识误区，以为铜包铝复合导体就是利用了电流的集肤效应。其实集肤效应还会使导体表面的发热加剧，这对载流导体来说是不利的。导体通过交流电流时应按下式计算其交流电阻：影响集肤效应系数的因素很多，如频率越高，集肤效应越显著；导体截面大的比截面小的集肤效应要大；还有导体的电阻率、导磁率、导体的工作温度等。在工频(50 Hz)导体截面不超过240 mm2时,都可视为1。可见集肤效应对交流电阻的影响非常小。邻近效应系数与导体的尺寸、相邻距离、工作频率和导体的电阻即材质有关。导体尺寸及相邻距离相同时，频率越高，导体电阻越小，邻近效应的影响越大，因此相对来说铝导体的邻近效应影响比铜的要小，由于铜包铝复合导体的主要材料是铝，因此邻近效应对它的影响比铜材要小。但总的来说，在工频情况下，邻近效应差异是非常之小的， 因此对交流电阻的影响也很小。导体通过电流时会产生电压降。在通过交流电流时。计算电压降不仅要考虑导体的电阻，还要考虑导体的电抗，在工程计算中，为简化手续，电缆线路的容抗由于很小，可忽略不计，只计算线路感抗，影响电缆线路感抗的因素虽然很多但导体材料对线路感抗是不会产生影响的，在电缆截面、工作温度和长度等因素相同时铝芯电缆和铜芯电缆的感抗是相同的，因此可以推知，铜包铝复合导体电缆和铜导体电缆的感抗数据也基本上是相同的也就是说，在电缆截面、工作温度和长度因素相同时，影响线路电压降的因素还是电阻。如果铜包铝复合导体电缆和铜导体电缆的电阻不是相等的，相同截面的铜包铝复合导体电缆的电压降要比铜导体电缆的大。从上面的分析可以看出导体在通过交流电流时会发热和产生电压降， 但在工频情况下，影响这些变化的主要因素还是直流电阻，集肤效应和邻近效应的影响是比较小的。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“集肤效应”。集肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，集肤效应越显著。式中 f-信号的频率 -透入深度当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象邻近效应。4 几点看法a由于我国铜资源相对缺少， 铝资源较为丰富，在条件许可的情况下，推广以铝代铜符合建设资源节约型社会的基本国策，从这点出发铜包铝材料应该大力推广。b应尽快地制定出相应的国家标准。复合导体中的铜铝含量不管是按体积比还是按重量比都要有一个统一规定，要组织对该项产品进行3C认证，使用户用得放心。 c.加强对产品质量的检测和监控，要从原材料抓起，这也是影响产品质量的