鋁母線的應(yīng)用
國家標準GB/T5585.2《電工用銅、鋁及其合金母線 第2部分：鋁和鋁合金母線》 要求鋁母線的化學(xué)成分鋁含量應(yīng)不小于99.50%，即相當于GB/T1196中牌號為鋁99.50的鋁錠化學(xué)成分。鋁合金母線的化學(xué)成分除主元素鋁之外，可有其他適當含量的化學(xué)元素，包括硅、鎂、鐵等，但應(yīng)保證鋁合金母線的機械和電氣性能符合規(guī)定。當成品鋁和鋁合金母線的出廠檢驗項目全部合格時，母線的化學(xué)成分可不作為檢驗指標。
由于純鋁比較軟，鋁1350被指定為電導(dǎo)體級鋁，鋁含量為99.50%。盡管它的導(dǎo)電率是銅的61%，但它在機械性能方面缺乏，這使得它作為設(shè)備中的導(dǎo)體并不理想。
鋁合金6101鋁含量96%左右，是一般使用的主要鋁母線材料，并且比鋁1350更強，因為它已經(jīng)通過熱處理硬化，但其電導(dǎo)率僅為銅的56%。
鋁合金6063鋁含量≥98%，是一種常用的鋁型材材料，鋁合金6063具有極佳的可塑性，可采用擠壓、滾壓、拉伸等工藝進行成型，能制造出各種復(fù)雜形狀的鋁型材。具有良好的加工可塑性和焊接性，易于進行切削加工、打孔、冷彎和拼接等工藝。鋁合金6063可通過陽極氧化、噴涂、電泳涂裝等表面處理手段提高防腐性和裝飾性。
在高壓GIS中，鑄鋁作為導(dǎo)電支架普遍使用，導(dǎo)電率IACS達52%、抗拉強度大于240MPa的高導(dǎo)電、高強度鑄造鋁合金材料可實現(xiàn)高導(dǎo)電、高強度以及鑄造性能的協(xié)同優(yōu)化提升。該材料可全面替代開關(guān)設(shè)備常用ZL101鑄造鋁合金材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和鑄造性能，可用于鑄造復(fù)雜的電工裝備用鑄造零部件。145kV環(huán)保型GIS等開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品通流能力提升20%左右，該新型鑄造鋁合金材料的開發(fā)及應(yīng)用可有效解決緊湊型開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的通流瓶頸，提高了產(chǎn)品運行可靠性，同時為大容量、小型化、輕量化開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供解決方案。耐熱鋁合金導(dǎo)線具有良好的高溫特性，能長期在150℃下使用(電工鋁導(dǎo)體的長期使用溫度為70℃)，因此在相同截面下，耐熱鋁合金導(dǎo)線的載流量較鋁導(dǎo)線提高1倍，在大容量線路輸電時可以減少導(dǎo)線的相分裂根數(shù)，提高安全可靠性。耐熱鋁合金導(dǎo)線的強度低于高強度鋁合金導(dǎo)線，只與電工鋁導(dǎo)體相同。高強度耐熱鋁合金比耐熱鋁合金的強度高35～63%，能用作大跨越導(dǎo)線，克服大跨越導(dǎo)線容量偏低的缺點。
中壓開關(guān)柜中，鋁制D型母線也廣泛使用。D型單母線為弓形結(jié)構(gòu)，雙母線別近似于圓型母線，它們的電場分布比矩形母線更加均勻，可減輕電場分布不均包引起的電暈放電對絕緣體的長期損害。
不同規(guī)格D型母線載流量見表2。單根D 型母線的截面積 1600mm2，是100x10mm規(guī)格矩形母線的1.6倍。D型鋁母線與100x10mm銅母線具有等同的導(dǎo)電率；D型母線截面周長367mm，是100x10mm規(guī)格形母線的1.72倍，根據(jù)電流的集膚效應(yīng)和表面積散熱特性，D型母線具有更好的導(dǎo)電性能。D型母線的機械強度是 100x10mm 規(guī)格矩形母線的6.3倍，滿足開關(guān)設(shè)備承受峰值耐受電流（動穩(wěn)定性能）的要求。
表2 不同規(guī)格D型母線的載流量
真空斷路器的導(dǎo)電支撐件、小電流斷路器和電壓互感器手車觸臂也普遍采用鋁合金6061棒材。手車式真空斷路器一次導(dǎo)電回路，見圖1。1250/2000A真空斷路器固封極柱滅弧室上部連接導(dǎo)體體積大，采用鋁合金代替銅重量輕、成本低。一次觸臂630/1250A 25/31.5kA外形尺寸一致，630A采用外徑44mm、內(nèi)徑30 mm 的鋁合金6061棒，1250A 25kA采用外徑50mm（與梅花觸頭連接處直徑42mm）、內(nèi)徑33mm的鋁合金6061棒作為觸臂，而31.5kA采用外徑50mm、內(nèi)徑33mm T2銅作為觸臂。從發(fā)熱角度考慮，由于圓管交流效應(yīng)影響小且散熱面積大，1250A采用鋁觸臂可以滿足溫升要求。但對于短時耐受電流25/31.5kA就需要考慮核驗熱效應(yīng)。
圖1 手車式真空斷路器一次導(dǎo)電回路
根據(jù)GB/T3906附錄D根據(jù)短時持續(xù)電流的熱效應(yīng)計算裸導(dǎo)體橫截面積的方法，見公式1。
式中:
S-導(dǎo)體橫截面積,單位為平方毫米(mm2)；
I--電流有效值,單位為安(A)；
α-以表示,并按下列規(guī)定取值：銅—13、鋁---8.5、鐵-4.5、鉛--2.
t--電流通過時間,單位為秒(s)；
?θ--溫升,單位為開(K);對裸導(dǎo)體一般取180K；如果時間超過2s但小于5s，△θ 值可增加到215K。
25kA、31.5kA短時耐受電流，銅、鋁材質(zhì)的熱效應(yīng)計算結(jié)果見表3，對于31.5kA采用鋁觸臂的安全系數(shù)比較低，因此采用T2銅作為觸臂材料。
表3 25kA、31.5kA短時耐受電流，銅、鋁材質(zhì)的熱效應(yīng)計算
氣體絕緣開關(guān)柜中的直動式三工位開關(guān)，如圖2所示。其三工位開關(guān)的動導(dǎo)電桿也采用鋁合金材料。為了標準化設(shè)計、減少規(guī)格，630/1250/1600A的開關(guān)外形尺寸相同、觸頭座通用，因此630/1250A采用鋁合金6063-T6材質(zhì)，而對于1600A則采用T2銅材質(zhì)。
對于小電流、小短時耐受電流的應(yīng)用中，使用鋁合金材料替代銅材是非常有效的方法。
圖2 氣體絕緣開關(guān)柜直動式 三工位開關(guān)
在低壓開關(guān)柜中，鋁制異型母線廣泛使用，利用鋁具有的延展性制造復(fù)雜形狀的母線，以改善導(dǎo)電性、剛性、通風(fēng)性和外觀。鋁的低密度及其延展性可以生產(chǎn)高技術(shù)異型母線，并且具有卓越的剛度和較小的重量。在相同的額定電流下，母線的重量是銅母線的1/2，可以很容易地固定在開關(guān)柜中，在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)最大功率。采用特殊設(shè)計的截面形狀，散熱面積明顯增加，機械強度增加，通過表面銅質(zhì)處理實現(xiàn)與銅排的直接連接，異型排為了滿足低壓開關(guān)柜母線連接變化多，設(shè)計溝槽實現(xiàn)無孔連接。對于低壓柜來說，空間、絕緣要求不高的情況，鋁合金的異形截面散熱面積大，重量輕，安裝方便。低壓開關(guān)柜異形母線，見圖3。
圖3 低壓開關(guān)柜異形母線
4.電工用銅鋁復(fù)合母線
4.1 電工用銅鋁復(fù)合母線
電工用銅鋁復(fù)合母線即銅包鋁，在二十多年前就曾風(fēng)靡一時，是減少銅材使用的一種有效方法。對于導(dǎo)體來說，由于趨膚效應(yīng)，交流電電流分布偏向于導(dǎo)體的表面，也就是電流在越靠近導(dǎo)體四周表面電流越大，而導(dǎo)體的中心區(qū)域則只有非常小的電流通過，因此靠近表面電流密度大的地方采用電阻率低的銅材料，而電流小的中心區(qū)域采用電阻率相對高一點的材料鋁，實現(xiàn)平衡，節(jié)省銅材料，重量減輕。
2010年中國電器工業(yè)協(xié)會發(fā)布了CEEIA B220-2010標準《電工用銅鋁復(fù)合母線》，2014年12月由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會主管的國家標準GB/T30586-2014《連鑄軋制銅包鋁扁棒、扁線》、標準適用于輸電、變電、配電等領(lǐng)域用的連續(xù)鑄造、軋制成形的銅包鋁扁棒、扁線。連鑄軋制銅包鋁扁棒、扁線為采用兩種金屬同時連鑄生產(chǎn)復(fù)合壞料，經(jīng)軋制成形的具有冶金結(jié)合(指銅鋁兩種金屬界面之間產(chǎn)生了原子相互擴散，形成一定厚度過渡層的結(jié)合)界面、較高結(jié)合強度的直條狀棒材或盤卷狀線材產(chǎn)品。國家能源局2021年10月頒布DL/T 2260-2021《電力用銅鋁復(fù)合母線選用導(dǎo)則》，標準適用于40.5kV及以下成套開關(guān)設(shè)備、變壓器等電力設(shè)備用銅鋁復(fù)合母線應(yīng)用選型，封閉母線、母線槽、裸母線等應(yīng)用銅鋁復(fù)合母線亦可適用。
銅鋁復(fù)合母線采用特定工藝使銅鋁接觸界面融合或擴散，形成緊密冶金結(jié)合的雙金屬復(fù)合導(dǎo)體，亦稱銅鋁復(fù)合母線。銅鋁復(fù)合母線由鋁芯和緊密包覆其外的銅層構(gòu)成，銅層應(yīng)均勻連續(xù)地包覆在鋁芯上，其表面應(yīng)光滑平整。銅鋁復(fù)合母線銅鋁結(jié)合面應(yīng)達到冶金結(jié)合。在環(huán)境溫差變化較大時銅鋁界面不分層。銅鋁復(fù)合母線中外層銅層體積占銅鋁復(fù)合母線總體積的百分比決定著母線的導(dǎo)電率，體積比可采用20%、25%、30%。
20℃時銅鋁復(fù)合母線的體積電導(dǎo)率，如圖4所示。00x10mm鋁母排、銅包鋁母排、銅母排的載流量1載流量，見表4。
圖4 鋁、不同銅層體積比的銅鋁復(fù)合母線、銅的最小電導(dǎo)率
表4 100x10mm鋁母排、銅包鋁母排、銅母排的載流量
4.2 銅鋁復(fù)合板帶
根據(jù)國家標準《GB/T 32468—2015銅鋁復(fù)合板帶》規(guī)定，銅鋁復(fù)合板材是指以鋁及鋁合金為基層，采用連續(xù)鑄造半熔態(tài)軋制復(fù)合方法或者其他方法，在其一面或兩面連續(xù)復(fù)合一定厚度銅及銅合金板帶的復(fù)合材料，其復(fù)合界面為冶金結(jié)合。銅鋁復(fù)合母線和銅鋁復(fù)合板截圖，見圖5。銅鋁復(fù)合板帶的品種相對較多，應(yīng)用廣泛，如鋁基覆銅箔層壓板應(yīng)用于電視機、摩托車和汽車等的印制電路板中；平板太陽能熱水器的銅鋁復(fù)合集熱板是公認的新—代太陽能熱水器理想的集熱元件。
銅鋁復(fù)合母線和雙面銅鋁復(fù)合板帶20℃直流電阻率和抗拉強度，見表5。T2/1050/T2 狀態(tài)H18的直流電阻率高于30%銅層體積比的復(fù)合母線，抗拉強度與25%銅體積比復(fù)合母線相同。
圖5 銅鋁復(fù)合母線和銅鋁復(fù)合板截圖
表5 銅鋁復(fù)合母線和雙面銅鋁復(fù)合板帶的電阻率和抗拉強度
2. 結(jié)語
銅是一種低電阻率、高機械強度的導(dǎo)體材料，已在開關(guān)設(shè)備上進行了大量應(yīng)用驗證，并且當最終更換設(shè)備時，銅將具有較高的回收價值。但銅作為稀缺金屬，面臨著資源短缺的問題，異形鋁母線、銅鋁復(fù)合母線可以在一些體積要求不高、電流不高、短時耐受電流不高的場合應(yīng)用，但銅鋁復(fù)合排整體強度、界面結(jié)合強度、載流量等性能在開關(guān)設(shè)備使用中受到限制，通過新技術(shù)新工藝提升含鋁合金或復(fù)合金屬的電氣性能、機械性能，根據(jù)含鋁材料的性能選擇適當?shù)膽?yīng)用，部分減少銅材的使用，也是實現(xiàn)雙碳目標的重要措施。未來發(fā)展趨勢，銅鋁復(fù)合母線需要根據(jù)客戶的使用要求不斷進行原材料創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，提升銅鋁復(fù)合母線的力學(xué)性能控制水平，滿足各種加工變形要求，銅鋁復(fù)合排需要嚴格的測試認證，應(yīng)用于開關(guān)設(shè)備中需要嚴酷的試驗，以滿足各種工況下長期安全、可靠運行。
來源：會說電氣
