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淺析銅包鋁材料的實際應用探討的論文
我國現(xiàn)有的電線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纜，當時鋁芯產品的使用量達到了線纜市場份額一半以上，但是到了80年代和90年代，銅鋁差價又逐漸縮小。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。
改革開放以后，特別是近15年來，中國工業(yè)基礎建設飛速發(fā)展，使得發(fā)展過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、軍工產品等方面。因國內銅資源稀缺，其40%～50%的銅材依賴于進口，致使銅價在5年內上漲了4倍，最高時達到了83000元/噸，銅價格的過高給電纜行業(yè)帶來巨大的壓力，企業(yè)生產利潤驟減，一些企業(yè)不得停產、改行，為了適應市場競爭，很大一部分企業(yè)競相偷工減料，給工程用戶造成了用電隱患。
銅鋁間價差的迅速拉大，使銅電纜的經濟性失去價格優(yōu)勢，以2008年4月份銅鋁價格為例計算，用1萬元資金生產鋁芯電纜的長度是同規(guī)格銅芯電纜長度的10倍之多，可見當今鋁芯電纜的經濟性相對銅優(yōu)勢非常明顯。
1.國內外銅包鋁線的發(fā)展
銅包鋁線與銅線相比，鋁線生產成本低，相對銅生產成本下降20%～40%，市場價格相當穩(wěn)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、價格大起大落等弊端，因此可成為可靠的銅線代替品。在電力行業(yè)使用鋁芯線纜，可有效降低生產成品，合理規(guī)避行業(yè)風險。
歐美國家早在20世紀60年代就開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。銅包鋁產品開發(fā)，帶來了鋁代銅制品的轉機。開發(fā)早期，銅包鋁制品主要應用在建筑電線和廣播電視電纜上。近十來年其產品才在我國開始推廣應用，生產技術也日趨成熟，主要用于信號傳輸線，通訊行業(yè)的CATV同軸線纜，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(shù)對照表如表1所示：
2.主要生產工藝中的處理方法
由于鋁金屬存在不少力學性能和電學性能缺陷，為了克服這些缺陷，一些大的研發(fā)公司開發(fā)生產了銅包鋁導體(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的外表面，通過多道次拉拔及熱處理，制成電纜所需要的線徑及力學和電學性能技術要求。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，具有密度小、銅層密度均勻、高致密性、高延展性等特點，其較之純銅導體具有重量輕、線質柔軟、成本低廉、節(jié)約銅資源等明顯優(yōu)勢。銅包鋁導體可廣泛應用于有線電視信號傳輸線、大容量通訊、網絡信號傳輸線、低壓電力電纜產品;將該導體深加工成銅包鋁漆包線(CCAW)后，可應用于電感線圈、鎮(zhèn)流器線圈、音頻線圈、電視機激勵偏轉線圈等方面;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創(chuàng)了新紀元，符合國家提倡資源內節(jié)約型社會的大政策，由此可見銅包鋁具有廣泛的市場發(fā)展前景。
3.實際工程中的應用
3.1.影響輸送電能的主要要素
電線電纜在輸送電荷時能力主要取決于導體的材質、截面積大小、電壓等級與工作環(huán)境溫度。同等長度、規(guī)格的導體在相同時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;同等電壓不同材質導體的輸電能力由材質分子間運動能力決定的，分子運動越活躍即導電能力越強，同等材質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(xiàn)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(jù)MBR預計，2015年北美鋁線纜的發(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，在工程招標書中多有體現(xiàn)。在我國依然是銅芯電纜占據(jù)大部分市場份額，而鋁芯電纜市場份額還不到20%，目前銅價不斷飆升，企業(yè)為了節(jié)省成本引入鋁芯線纜，在逐步的推廣使用中，鋁芯產品的優(yōu)勢越來越明顯，這必然會形成鋁制產品逐漸取代銅制產品。我國2000多家電機生產企業(yè)和7000余家電線電纜生產企業(yè)將為鋁芯電纜創(chuàng)造一個龐大的市場。電力供應部門已經得到授權，指定在中低電壓電纜業(yè)使用鋁。
在這一領域，銅的總體消費量約60多萬噸將被鋁替代。據(jù)《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(guī)格為500平方毫米、長1640米的10千伏鋁芯電纜替代銅芯電纜后，可節(jié)約工程投資189萬元，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(Airbus)基于重量因素已經決定部分采用鋁制電纜制造A380客機。汽車行業(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。如果銅鋁價差繼續(xù)保持目前的水平或進一步拉大，那么相關產業(yè)界將有足夠的動力來研制鋁變壓器，實現(xiàn)對銅制變壓器的替代，一旦這種替代變成現(xiàn)實，鋁材在此領域的消費份額將較銅具有更大的發(fā)展?jié)摿�。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，可減少70%的銅耗，降低電纜總造價40%。由于“銅包鋁”有良好的防盜性能，已成為光明工程的專用電纜。據(jù)了解，我國建設工程線纜用銅量占全國的20%，銅包鋁電線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，已成上述產品的專用電纜。此外，銅包鋁電纜還有更為優(yōu)異的防盜性。據(jù)不完全統(tǒng)計，某市每年被盜電纜價值幾百萬元，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，回收利用都需要專門設備加工，盜賊無處銷贓。
事實也證明，銅包鋁電纜在全國多處工程實例運用中已經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(xù)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，并且被用戶接受。
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