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淺析銅包鋁材料的實(shí)際應用探討的論文
我國現有的電線(xiàn)電纜材料所選用的內導體主要有銅、鋁兩種金屬。目前大部分企業(yè)還是以銅做內導體，但是我國的銅資源相對匱乏，而鋁資源卻很豐富。20世紀50～70年代中期，在全國范圍內推廣鋁芯線(xiàn)纜，當時(shí)鋁芯產(chǎn)品的使用量達到了線(xiàn)纜市場(chǎng)份額一半以上，但是到了80年代和90年代，銅鋁差價(jià)又逐漸縮小。由于銅本身的導電性能就比鋁好，使鋁芯電纜的推廣使用受到阻礙。
改革開(kāi)放以后，特別是近15年來(lái)，中國工業(yè)基礎建設飛速發(fā)展，使得發(fā)展過(guò)程中消耗了大量的銅材，主要應用在輸、配、變電設施，家用電器、工業(yè)設備、軍工產(chǎn)品等方面。因國內銅資源稀缺，其40%～50%的銅材依賴(lài)于進(jìn)口，致使銅價(jià)在5年內上漲了4倍，最高時(shí)達到了83000元/噸，銅價(jià)格的過(guò)高給電纜行業(yè)帶來(lái)巨大的壓力，企業(yè)生產(chǎn)利潤驟減，一些企業(yè)不得停產(chǎn)、改行，為了適應市場(chǎng)競爭，很大一部分企業(yè)競相偷工減料，給工程用戶(hù)造成了用電隱患。
銅鋁間價(jià)差的迅速拉大，使銅電纜的經(jīng)濟性失去價(jià)格優(yōu)勢，以2008年4月份銅鋁價(jià)格為例計算，用1萬(wàn)元資金生產(chǎn)鋁芯電纜的長(cháng)度是同規格銅芯電纜長(cháng)度的10倍之多，可見(jiàn)當今鋁芯電纜的經(jīng)濟性相對銅優(yōu)勢非常明顯。
1.國內外銅包鋁線(xiàn)的發(fā)展
銅包鋁線(xiàn)與銅線(xiàn)相比，鋁線(xiàn)生產(chǎn)成本低，相對銅生產(chǎn)成本下降20%～40%，市場(chǎng)價(jià)格相當穩定，具有良好的腐蝕性，其與錫的可焊性和銅相同，在傳輸性能上，載流量要比銅好，線(xiàn)損要比銅低;另外連接容易，可靠性好，重量輕，易于安裝和運輸，克服了銅成本高、價(jià)格大起大落等弊端，因此可成為可靠的銅線(xiàn)代替品。在電力行業(yè)使用鋁芯線(xiàn)纜，可有效降低生產(chǎn)成品，合理規避行業(yè)風(fēng)險。
歐美國家早在20世紀60年代就開(kāi)始研究和應用銅包鋁材料，使銅包鋁成為繼銅鋁后的第三種導體。鋁本身裸露在空氣中極易氧化，產(chǎn)生的氧氣膜不易消去，從而嚴重影響了鋁代銅制品的普及率。銅包鋁產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，帶來(lái)了鋁代銅制品的轉機。開(kāi)發(fā)早期，銅包鋁制品主要應用在建筑電線(xiàn)和廣播電視電纜上。近十來(lái)年其產(chǎn)品才在我國開(kāi)始推廣應用，生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟，主要用于信號傳輸線(xiàn)，通訊行業(yè)的CATV同軸線(xiàn)纜，銅包鋁在電力電纜中的應用不斷擴大，為銅包鋁電纜的普及起到重要的作用。銅、鋁、銅包鋁三種導體性能參數對照表如表1所示：
2.主要生產(chǎn)工藝中的處理方法
由于鋁金屬存在不少力學(xué)性能和電學(xué)性能缺陷，為了克服這些缺陷，一些大的研發(fā)公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了銅包鋁導體(CCA)，該導體采用了“包覆焊接拉拔”方法，將高純度銅帶同心地包覆在鋁桿線(xiàn)的外表面，通過(guò)多道次拉拔及熱處理，制成電纜所需要的線(xiàn)徑及力學(xué)和電學(xué)性能技術(shù)要求。該導體兼具銅的導電性好、強度高、可焊性強、易加工等優(yōu)點(diǎn)，具有密度小、銅層密度均勻、高致密性、高延展性等特點(diǎn)，其較之純銅導體具有重量輕、線(xiàn)質(zhì)柔軟、成本低廉、節約銅資源等明顯優(yōu)勢。銅包鋁導體可廣泛應用于有線(xiàn)電視信號傳輸線(xiàn)、大容量通訊、網(wǎng)絡(luò )信號傳輸線(xiàn)、低壓電力電纜產(chǎn)品;將該導體深加工成銅包鋁漆包線(xiàn)(CCAW)后，可應用于電感線(xiàn)圈、鎮流器線(xiàn)圈、音頻線(xiàn)圈、電視機激勵偏轉線(xiàn)圈等方面;還可以將該導體擠壓成銅包鋁扁排，可應用于配電柜匯流排、母線(xiàn)槽、大型變壓器、電焊機等方面。銅包鋁導體的誕生為銅、鋁資源的合理搭配利用開(kāi)創(chuàng )了新紀元，符合國家提倡資源內節約型社會(huì )的大政策，由此可見(jiàn)銅包鋁具有廣泛的市場(chǎng)發(fā)展前景。
3.實(shí)際工程中的應用
3.1.影響輸送電能的主要要素
電線(xiàn)電纜在輸送電荷時(shí)能力主要取決于導體的材質(zhì)、截面積大小、電壓等級與工作環(huán)境溫度。同等長(cháng)度、規格的導體在相同時(shí)間內電壓越高導體分子間傳遞的電荷越多即輸電能力越強;同等電壓不同材質(zhì)導體的輸電能力由材質(zhì)分子間運動(dòng)能力決定的，分子運動(dòng)越活躍即導電能力越強，同等材質(zhì)截面積越大輸電能力越強，工作環(huán)境溫度越高輸電能力越弱，反之越強。研究表明，銅分子的活躍性比鋁分子要強得多，由于銅包鋁導體外圓是銅，所以在銅包鋁導體上電流加大時(shí)銅就成了主要傳遞電荷的主要載體，內芯鋁的電荷單位面積上比銅少得多，而且銅包鋁電纜更加能體現出導體的集膚效應和鄰近效應。
3.2.鋁芯電纜(銅包鋁芯)
鋁芯電纜最早在英國、美國、日本研究并應用推廣，據MBR預計，2015年北美鋁線(xiàn)纜的發(fā)貨量將提高8%～10%。然而在發(fā)展中國家還僅僅停留在文字的提倡層面上，在工程招標書(shū)中多有體現。在我國依然是銅芯電纜占據大部分市場(chǎng)份額，而鋁芯電纜市場(chǎng)份額還不到20%，目前銅價(jià)不斷飆升，企業(yè)為了節省成本引入鋁芯線(xiàn)纜，在逐步的推廣使用中，鋁芯產(chǎn)品的優(yōu)勢越來(lái)越明顯，這必然會(huì )形成鋁制產(chǎn)品逐漸取代銅制產(chǎn)品。我國2000多家電機生產(chǎn)企業(yè)和7000余家電線(xiàn)電纜生產(chǎn)企業(yè)將為鋁芯電纜創(chuàng )造一個(gè)龐大的市場(chǎng)。電力供應部門(mén)已經(jīng)得到授權，指定在中低電壓電纜業(yè)使用鋁。
在這一領(lǐng)域，銅的總體消費量約60多萬(wàn)噸將被鋁替代。據《中國電力報》報道：常州供電公司首次成功使用了鋁芯電纜，此批規格為500平方毫米、長(cháng)1640米的10千伏鋁芯電纜替代銅芯電纜后，可節約工程投資189萬(wàn)元，只相當于銅芯電纜費用的23%。另外，從國外電纜行業(yè)的發(fā)展情況看，鋁制電纜將應用于航空業(yè)，空中客車(chē)(Airbus)基于重量因素已經(jīng)決定部分采用鋁制電纜制造A380客機。汽車(chē)行業(yè)鋁制電纜應用也正在研究之中。
變壓器繞組的鋁材替代一個(gè)370kVA變壓器約使用33噸銅。因為鋁只有銅一半的導電性，但是同樣只有其重量的1/3，只需要60%鋁的重量能達到同樣的導電性。在國外，銅和鋁的變壓器都有供應。然而在中國，目前只有銅變壓器。如果銅鋁價(jià)差繼續保持目前的水平或進(jìn)一步拉大，那么相關(guān)產(chǎn)業(yè)界將有足夠的動(dòng)力來(lái)研制鋁變壓器，實(shí)現對銅制變壓器的替代，一旦這種替代變成現實(shí)，鋁材在此領(lǐng)域的消費份額將較銅具有更大的發(fā)展潛力。電子材料行業(yè)的鋁材將在功率模塊中替代銅材。
3.3.“銅包鋁”使電纜盜賊“失業(yè)”
用銅包鋁取代純銅電線(xiàn)，可減少70%的銅耗，降低電纜總造價(jià)40%。由于“銅包鋁”有良好的防盜性能，已成為光明工程的專(zhuān)用電纜。據了解，我國建設工程線(xiàn)纜用銅量占全國的20%，銅包鋁電線(xiàn)電纜除了可全面用于建設工程外，其最突出的優(yōu)勢是用于高頻通信(有線(xiàn)電視電纜)和電焊機等，因為有比純銅更優(yōu)越的性能，已成上述產(chǎn)品的專(zhuān)用電纜。此外，銅包鋁電纜還有更為優(yōu)異的防盜性。據不完全統計，某市每年被盜電纜價(jià)值幾百萬(wàn)元，間接損失更為慘重，尤其是一些光明工程“屢換屢盜”令人頭疼。換上銅包鋁電纜，最近雖然也有被盜，但發(fā)案率大為降低。由于是銅鋁復合材料，回收利用都需要專(zhuān)門(mén)設備加工，盜賊無(wú)處銷(xiāo)贓。
事實(shí)也證明，銅包鋁電纜在全國多處工程實(shí)例運用中已經(jīng)完全代替了銅電纜的性能。全國已有30多家電纜企業(yè)在按照自己的企業(yè)標準制造銅包鋁電力電纜，并且還有繼續擴大的趨勢。目前，鄭州電纜公司、上海盛華電纜集團公司、武漢電纜集團公司、興樂(lè )集團和青島漢纜集團等都在批量制造銅包鋁電力電纜，并且被用戶(hù)接受。
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