在實(shí)際應(yīng)用中,由于繞組線(xiàn)對(duì)體積的要求相對(duì)較高,鋁對(duì)銅的替代作用不是特別明顯;但在電力線(xiàn)和通信線(xiàn)領(lǐng)域,情況則要嚴(yán)重的多。在射頻信號(hào)傳輸領(lǐng)域,CCA(CooperCladAluminum,銅包鋁)材料對(duì)銅的替代能力相當(dāng)強(qiáng)。銅包鋁是在鋁或鋁鋼合金芯材表面同心包覆銅層,按規(guī)格的不同,銅重量占比主要在15%-25%之間。由于高頻信號(hào)傳輸?shù)内吥w效應(yīng),有線(xiàn)電視信號(hào)在0.008mm以上的銅層表面?zhèn)鬟f,銅包鋁內(nèi)導(dǎo)體能*信號(hào)傳輸要求,其信號(hào)的傳輸特性與相同直徑線(xiàn)銅體相一致。
電纜行業(yè)的“銅鋁之爭(zhēng)”持續(xù)了很多年,尤其在銅價(jià)居高不下,電纜生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)率急劇下滑的情況下,“以鋁節(jié)銅”甚至是“以鋁代銅”的呼聲尤為高漲。但是對(duì)于“以鋁節(jié)銅”是否行得通卻是各有說(shuō)法。有的以歐美為例,證明鋁合金電纜的可靠性;而另外一方面卻在通過(guò)另外一些證明材料,來(lái)說(shuō)明鋁合金與銅芯電纜才存在一定的差異性。因此,“銅鋁之爭(zhēng)”一直難以分出高低,鋁合金電纜的發(fā)展也一直止步不前。
到了2006年,國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部發(fā)布了《住宅建設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》,給鋁合金電纜可謂是澆了冷水,在《住宅建設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)電氣的章節(jié)中,明確出現(xiàn)了“導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)采用銅線(xiàn)的規(guī)定”。自此,銅芯電纜繼續(xù)占據(jù)上風(fēng),而“以鋁節(jié)銅”則又變成了一種行業(yè)的呼吁,但未能有相關(guān)政策保駕護(hù)航。
但這樣的情況在zui近終于發(fā)生了改觀(guān)。日前,在國(guó)家質(zhì)檢中心與安徽省政府等聯(lián)合舉辦的電線(xiàn)電纜峰會(huì)上,工信部可謂給鋁合金電纜正了名,工信部表示,將引導(dǎo)企業(yè)積極開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)、前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)研究,通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。推進(jìn)自然交聯(lián)線(xiàn)纜工序,促進(jìn)循環(huán)水冷或氣冷技術(shù)應(yīng)用,加速電纜料設(shè)備研發(fā)、硅烷交聯(lián)乙丙橡膠電纜研發(fā)、硅烷交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的再生利用研究。
而在不久前的“以鋁節(jié)銅研討會(huì)”上,工信部以及國(guó)家發(fā)改委都表示,將擴(kuò)大鋁材在電力行業(yè)的應(yīng)用,并由此取代銅材。據(jù)悉,以鋁合金為芯線(xiàn)的電纜在低壓建筑物、構(gòu)筑物及其附屬設(shè)施配套等場(chǎng)合可以大量利用。以此可緩解銅價(jià)居高不下而造成國(guó)內(nèi)電纜行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格高、利潤(rùn)率低的問(wèn)題。根據(jù)工信部提供的數(shù)據(jù)顯示,2012年,國(guó)內(nèi)電線(xiàn)電纜行業(yè)用銅量逐漸升高,其中電網(wǎng)行業(yè)用銅量超過(guò)500萬(wàn)噸,占國(guó)內(nèi)銅消耗的60%以上。由此可見(jiàn),鋁合金電纜技術(shù)以及鋁包銅技術(shù)在未來(lái)將迎來(lái)極大的發(fā)展,對(duì)于整個(gè)電纜行業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)或許也是功不可沒(méi)。
而之所以電纜銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體會(huì)有那么大的分歧,其實(shí)很大一部分原因在于銅銷(xiāo)售方和鋁銷(xiāo)售方,并非全部站在電纜行業(yè)發(fā)展的角度考慮。銅開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售方自然希望電纜行業(yè)多選用銅材,相反的,鋁開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售方又希望電纜行業(yè)能夠使用鋁材。但是對(duì)于電纜行業(yè)來(lái)說(shuō),那種材料性能穩(wěn)定、成本低、自然才是被選用的根本條件。
從成本方面來(lái)看,鋁材的價(jià)格自然要遠(yuǎn)低于銅材,那么問(wèn)題的關(guān)鍵就出在兩者的性能對(duì)比上。由于銅的比重為8.96克/立方厘米,是鋁(2.7克/立方厘米)的3.65倍,而銅的電阻率為0.01851Ωmm2/m,是鋁(0.0294Ω"mm2/m)的63%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在20℃時(shí),銅的某截面直流電阻值與對(duì)應(yīng)大兩個(gè)規(guī)格的鋁相當(dāng),從理論上來(lái)說(shuō),用鋁作為電線(xiàn)電纜的原料比銅劃算的多。
1.直流電阻率:銅包鋁線(xiàn)的電阻率比純銅線(xiàn)大,約為純銅線(xiàn)的1.5倍,在阻值相同時(shí)(截面積比銅大),銅包鋁線(xiàn)重量約為純銅線(xiàn)的1/2。根據(jù)集膚效應(yīng)計(jì)算,在50MHz以上高頻時(shí),與相同截面的銅導(dǎo)體相比,其電阻率相等。在50Hz頻率的電力電纜的使用中,其銅導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)在150mm2以上就逐漸顯得突出,同時(shí)由于工礦企業(yè)設(shè)備動(dòng)力(如高頻爐、大功率電機(jī)等)起動(dòng)、運(yùn)行時(shí)的故障,產(chǎn)生高次諧波電流的能源會(huì)注入到供電系統(tǒng)中,在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生相應(yīng)頻率的高次諧波電壓,致使電壓的波形發(fā)生畸變,增加供電系統(tǒng)的損耗,使導(dǎo)體發(fā)熱增加。
隨著近年來(lái)鋁合金電纜以及以鋁代銅技術(shù)不斷優(yōu)化,其性能也大為改觀(guān)。在此,以市面上比較成熟而普遍的銅包鋁電力電纜和電氣裝備用電線(xiàn)電纜為例,我們看到優(yōu)勢(shì)十分明顯。
此外,電纜使諧波放大,在接頭處產(chǎn)生過(guò)電壓而損壞電纜頭。采用銅包鋁導(dǎo)體會(huì)起到降低高次諧波產(chǎn)生的交流阻抗(電阻)的作用。在其他使用場(chǎng)合,通過(guò)采取提高銅包鋁單絲中銅的體積和相應(yīng)的工藝措施,使銅包鋁導(dǎo)體在現(xiàn)有同規(guī)格導(dǎo)體的外徑尺寸上限內(nèi),滿(mǎn)足導(dǎo)體直流電阻要求。
2.采用銅包鋁導(dǎo)體可滿(mǎn)足目前延續(xù)多年的電線(xiàn)電纜在產(chǎn)品選型、設(shè)計(jì)、使用、安裝等方面的習(xí)慣,還對(duì)電纜的接線(xiàn)端子緊壓、錫焊接有利。
3.降低交流電阻:交流電阻是電流載流量的主要依據(jù),根據(jù)集膚效應(yīng)的原理,單根導(dǎo)線(xiàn)的表面,其單位面積通過(guò)的電流比導(dǎo)線(xiàn)的圓心單位面積通過(guò)的電流要大。也就是說(shuō),大截面導(dǎo)體的圓心在相同導(dǎo)體組成的圓面積內(nèi),圓心比圓周通過(guò)的電流要小,所以把圓心導(dǎo)體與圓周導(dǎo)體用不同的金屬組成是zui合理、的。
此外,影響交流電阻指標(biāo)除直流電阻、集膚效應(yīng)外,還有鄰近效應(yīng),與相同直流電阻的銅導(dǎo)體相比,應(yīng)采用截面放大的銅包鋁導(dǎo)體,在單根導(dǎo)體內(nèi),鋁在圓心,銅在外圓;放大后的銅包鋁導(dǎo)體由于導(dǎo)體總截面增加一部分,因此也增加了導(dǎo)體的表面積,改善了電纜的散熱條件,增加了散熱面積,而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)與銅相近,在同等的材料成本條件下,交流電阻的指標(biāo)要經(jīng)濟(jì)得多。
4.成本低,重量輕:與相同技術(shù)指標(biāo)的銅芯電線(xiàn)相比,銅包鋁導(dǎo)體電纜可節(jié)約成本40%以上。銅包鋁線(xiàn)的比重僅為純銅線(xiàn)的37%-40%,在線(xiàn)徑、重量相等的情況下,其長(zhǎng)度是純銅線(xiàn)的2.5倍。
5.具有良好的耐腐蝕性:鋁比銅易腐蝕,但由于銅包鋁材料已經(jīng)*冶金化,鋁*被銅所包覆,不會(huì)被水、空氣接觸,*達(dá)到和銅一樣的性能。對(duì)于鋁導(dǎo)體,特別是沿海地區(qū),大氣中鹽霧所含有的氯離子會(huì)凝聚在鋁的表面,易在表面的雜質(zhì)和缺陷周?chē)鹁植扛g,形成孔洞、裂紋和微電池,加劇鋁導(dǎo)體的腐蝕。
6.良好的焊接性:銅包鋁線(xiàn)由于其表面同心包覆了一層純銅,因此具有跟純銅線(xiàn)一樣的可焊性,方便生產(chǎn)。
此外,隨著“以鋁代銅”事業(yè)的推進(jìn),國(guó)內(nèi)電纜產(chǎn)品將價(jià)格更低、性能更加穩(wěn)定,有利于競(jìng)爭(zhēng),從而正面使用法寶(物廉價(jià)美),而不是以降低質(zhì)量為代價(jià)。可見(jiàn),通過(guò)工藝的不斷成熟和新技術(shù)的不斷研發(fā),“以鋁節(jié)銅”將更加卓有成效,而鋁合金電纜或許將國(guó)內(nèi)電纜行業(yè)邁向更大的發(fā)展。
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