铜铝复合母线在低压成套设备中的应用分析

窦爱林 朱立国 赵亭

摘要：铜铝复合材料作为一种新兴的电工材料，正在引发一场由单种金属向复合材料转变的材料革命。从铜铝复合母线对产品质量的影响因素，关键技术性能，加工工艺，应用与经济效益等方面展开分析。

关键词：铜铝复合；技术性能；加工工艺

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）13019502

1铜铝复合母线对产品质量的影响因素

在低压成套设备中对载流导体的主要要求是它的载流量和机械强度，具体考核指标就是温升和承受短路电流的能力。对复合材料还必须保证两种材料的界面结合强度，在剪、冲、折弯工艺加工时不分层，同时还要保证复合材料能承受热胀冷缩时产生的应力。

导体材料主要影响设备的温升和承受短路电流的能力，不同的导体材料，其直流电阻率不同，在相同电流下，达到所要求的温升其截面积不同。因此，在相同电流情况下，应研究在温升相同情况下铜铝复合母线和铜母线的截面对应关系。

温升与导体的直流电阻率、截面及设备散热条件有关，在设备散热条件不变的情况下，根据导体导电率选择合适的截面即可。下面以铜母线为例，通过牛顿热计算公式（PS=KTAτ）计算在相同的电流等级相同温升下，铜铝复合母线和铜母线的截面对应关系。

导体的稳定温升通过下式计算：

τ=i2KfRKA=i2KfρLSKA

i2KfR是导体电阻损耗产生的热量，τKA是通过辐射和对流散发的热量，当导体产生的热量和通过辐射、对流散发的热平衡时，达到稳定温升。

式中：i-试验电流峰值（A）；L-导体长度（m）；

S-导体截面积（m2）；

A-导体表面积（m2）；

Kf-趋肤系数；

K-总散热系数（是辐射和对流散热系数及导体散热系数的总和）。

计算铜母线和铜铝复合母线截面比例时，温升相同，电流相同，导体长度相同。趋肤系数Kf，截面较小时，铜铝复合母线与铜母线之间的差异可以不考虑，这里作为常数进行计算。总散热系数K是辐射和对流散热系数及导体散热系数的总和，铜母线和铜铝复合母线的试验结构及环境条件相同，辐射和对流散热系数相同，在计算时视为常数。此时i2KfL/K视为常数，用F来代表。

导体厚度设为a，宽度设为b，截面积S=a×b，散热表面积A=2（a+b）L，单位长度散热表面积A=2（a+b）（L=1m）。因此，温升取决于导体直流电阻率ρ和导体尺寸a和b。

设铜母线温升为τT，铜铝复合母线温升为τF，则

τT=FρT2ab（a+b）τF=FρF[2ab（a+b）]F

[ab（a+b）]F为铜铝复合母线截面参数，ab（a+b）为铜母线截面参数。其中：ρT=001777，ρF=002554，分别是铜母线和铜铝复合母线20℃时的直流电阻率。

通过以上公式，令τT=τF可以计算出单片母线在同等温升下、电流相同、导体长度相同的铜母线和铜铝复合母线的截面对应关系：

当铜铝复合母线与铜母线宽度相同，厚度增加33%；铜铝复合母线与铜母线厚度相同，宽度增加20%。

应用示例如表1。

表1厚度规格

序号TMY规格（mm×mm）TLMY规格（mm×mm）

12

16×608×606×80

28×6010.6×608×80

1.宽度相同，厚度增加33%；2.厚度相同，宽度增加20%.

设备承受短路电流动稳定的能力，主要取决于产品结构、绝缘紧固件的材质和固定导体的绝缘支撑件间距离L，在三相系统中，满足动热稳定的条件为电动力所产生的应力要小于材料的最大允许应力。

短路电流通过硬母线产生的应力σ=M/W

M-短路电流所产生的力距（N·M），当跨数为2时，M=FL/8，当跨数大于2时，M=FL/10；

F-中间相最大作用力，F=0.173KX（ip3）2L/D；

KX-导体的形状系数；

ip3-三相短路峰值电流（kA）；

W-导体截面系数（m3），在导体立放时W=0167a2b（水平放时W=0167b2a）；

a-导体厚度（m）；

b-导体宽度（m）；

当跨数大于2时，σ=0.0173KX（ip3）2L2/DW（pa）

通过上式得出导体的电动力与导电排两支撑点之间的距离L的平方成正比，与导体厚度平方成反比。因此在开关柜中减小导电排两支撑点之间的距离，用增大导体截面，尤其是加大导体的厚度，可大大提高导电排抗动稳定的能力。

热稳定只与导体截面有关。一般情况下，按经济电流密度选取导体截面后，其热稳定均能满足要求。

铜铝复合导体除了满足温升极限和动热稳定之外，其铜、铝之间的界面结合强度还必须满足冲孔、折弯加工和克服热胀冷缩产生应力的要求，而界面结合强度与其制造工艺有直接关系。制造工艺方法不同，其界面结合强度不同。

2铜铝复合母线的关键技术性能

2.1铜铝复合母线的性能参数

作为载流导体，铜铝复合母线性能参数有电气性能和机械性能。电气性能可以用20℃时直流电阻率或载流量来表达，机械性能可用抗拉强度、伸长率、弯曲性能和界面结合强度来表达。

目前市场上推出的铜铝复合母线其技术性能如表2所示，这些性能参数界于铜排和铝排之间。

表2导电材料性能对比

性能指标铜排TMY铝排LMY铜铝复合排TLMY

密度（g/cm3）8.892.73.94

20℃时电阻率（Ωmm2/m）0.017770.0290.02554

导电率（%IACS）≥97≥59.5≥86

表面性能接触电阻小，氧化后仍具有导电性，不影响供电安全。表面极易氧化，氧化后形成绝缘层，接头处易出现故障，即使表面镀一层金属，镀层易脱落，寿命也有限，尤其插接处寿命更短。铜层占整个截面的20%，表面性能与铜相同，导电率接近于铜排，可以替代铜排。

2.2关铜铝复合母线的关键参数

铜铝复合界面结合强度，是铜铝复合排最核心的关键参数，要大于DL/T247标准规定值（35MPa），如果小于标准规定值，热胀冷缩产生的应力会破坏铜铝界面结合，造成电化腐蚀，运行中存在严重的故障隐患，发生击穿短路，甚至引起电气火灾。

铜层体积比，是铜铝复合排的关键参数，在铜铝复合母线中铜层越厚，导电率越高，加工难度越大，成本越高。超过一定厚度时，导电率增加不多，但成本上升较大。电力行业标准DL/T247给出了体积比为20%，当达到20%时，其载流量达到T2铜排的86%，如果小于标准规定值，将导致载流量减小，增高成套电气设备温升，增大能耗，影响设备的使用安全。界面结合强度和铜层截面比例决定了铜铝复合母线的各项性能参数，是铜铝复合母线最关键的两项参数。

3加工工艺要求

3.1铜铝复合排的选用

（1）要符合相关标准，铜铝复合母线应有相应的有效检测报告、有效的认证结果（检验机构必须是经国家认监委认可的权威检验部门，报告上有CNAS标志）。

（2）铜铝复合排的关键参数符合标准要求，铜层截面比为18%-22%，界面结合强度不小于35MPa。

3.2加工工艺

为了保证在加工中不破坏界面结合强度，在加工中注意以下事项。

（1）切断：采用设备切断时不应使工件截面中间或两侧严重变形，造成铜铝分层。

（2）打孔：采用钻床钻孔时下部要垫板，决不允许悬空；在钻时必须用乳液或肥皂水冷却；在即将要钻透或钻透后向上回钻头时，要轻压轻提，避免底部或顶部的铜铝分层。

（3）折弯：铜包铝排折弯时按下表要求的弯曲柱面直径进行折弯，或者比表内尺寸更大，折弯模具的R角应根据材料的厚度及时调整。

（4）焊接：

图1焊接两边去掉铜皮情况

①复合排焊缝两边需要各去掉4-6毫米铜皮，使铝的部分裸露。如图1所示。

②用交流氩弧焊机焊接复合排裸露铝的部分。

③对焊缝处进行喷砂处理。

④用专用铜热喷敷机进行喷敷。

⑤对焊缝处喷敷的铜粉进行打磨使其表面光滑平整。

（5）紧固：用螺栓紧固铜包铝排时，要用加厚大平衡圈，有蝶簧时，蝶簧内要垫一层2～3mm厚钢板，以分散在铜包铝排上的压力，紧固力矩应符合GBJ149-90要求。

4应用与经济分析

以全国联合设计新产品-GCK低压成套开关设备为例，在进线柜为4000A的三面样机中全部采用了华铜公司生产的铜铝复合母线。表3给出了GCK低压成套开关设备中在进线柜、馈电柜、抽屉柜中铜铝复合母线与选用铜母线的对比情况。

表3配电柜单元中母线比较

配电柜单元TLMY规格长度（m）重量（kg）TLMY规格长度（m）重量（kg）

进线柜

4000A

水平母线相线3×3×10×1202.4100.33×310×1202.4226.56

N线2×10×1002.412.342×10×1002.441.80

PE线10×1002.49.2510×1002.420.90

垂直母线相线3×6×10×1002.4194.323×4×10×1002.4250.82

N线2×10×1002.116.192×10×1002.136.58

馈电柜2500A垂直母线

相线3×2×10×1201.644.583×2×10×1001.683.61

N线10×1002.18.0910×1002.118.29

馈电柜1600A垂直母线相线3×2×10×801.425.773×2×10×601.443.25

馈电柜630A垂直母线相线3×10×601.46.483×10×501.417.89

抽屉柜1250A垂直母线

相线3×6×120216.843×6×100231.63

N线3×10×800.54.63×10×600.57.72

PE线10×602.25.0110×602.211.33

合计443.77790.38

成本2.44万元3.48万元

电解铜价格以4万元/吨计算，三面柜子载流导体总重量减轻了44%，成本下降了30%。

参考文献

[1]铜铝复合母线在低压成套设备中的应用规范（CQC-5TR-C01-2014）[S] .

[2]崔静，王阳，韩东明等.铜铝复合母线的技术性能及市场应用探讨[J].电器工业，2010，（04）.