铜包铝线特性对铜包铝电缆使用性能的影响

郑传涛，戴雅康

（大连通发复合线缆科技发展有限公司，辽宁大连116000）

铜包铝线特性对铜包铝电缆使用性能的影响

郑传涛，戴雅康

（大连通发复合线缆科技发展有限公司，辽宁大连116000）

根据铜包铝线由不同性质的铜和铝组成的特点，介绍了铜包铝线所具有的结构特性以及力学性能、电学性能、物理性能和化学性能。论述了这些特性参数对铜包铝线缆使用性能的影响，以提高铜包铝线缆产品的质量和使用效果。

铜包铝线；铜包铝线缆；使用性能；冶金结合；铜层体积比；连接特性

0 引 言

铜包铝线是由纯铜带包覆铝杆后经铜带纵缝焊接、坯料拉拔及退火等工序制成。铜和铝的不同性能，对铜包铝线的结构参数、力学性能、电学性能、物理性能、化学性能等将产生很大影响，从而影响到铜包铝电缆的安装和使用，因此受到生产企业及用户的普遍关注。

表1列出了铜包铝线及纯铜线、纯铝线的主要特性参数。本文将根据已取得的试验研究成果，论述这些特性参数对铜包铝电缆使用性能的影响，以提高铜包铝电缆产品的质量和使用效果。

1 铜包铝线的铜、铝界面冶金结合状态

铜包铝线不是铜管“套”在铝芯线上的“铜套铝”，而是界面上的铜、铝原子之间如同经过冶炼过程一样结合在一起，形成一个整体，称之为“冶金结合”。这是保证铜包铝线在使用过程中具有单一特性的前提，是对铜包铝电缆质量最基本的要求。

采用包覆焊接法生产的铜包铝线，实现冶金结合的类型及机理在文献［1］中已作了论述，文献［2］介绍了退火工艺对冶金结合的影响。本文不再赘述。

铜、铝界面的冶金结合特性可在选购或使用铜包铝电缆的现场，采用简易方法进行鉴别。从电缆中截取一小段铜包铝线，用手或手钳将其反复弯曲折断，观察其断口宏观形貌。如果断口上铜层与铝芯分开（如图1a所示），则表明未实现冶金结合；如果铜层紧密包覆铝芯（如图1b所示），则表明冶金结合良好。

图1 铜包铝线弯曲断裂后的断口宏观形貌

未实现冶金结合的铜包铝线是典型的废品，使用过程中极易破断，不能用做电缆导体。

2 铜包铝线的结构参数

铜包铝线的结构参数，一般用铜层体积（VCu）占整个铜包铝线体积（VCCA）的百分比来表示，称为“铜层体积比”。在《铜包铝线》国家标准［3］中将“铜层体积比”分为10%、15%和20%三个档次（允许有2%的偏差）。这三个档次的铜层厚度一般不小于半径的3.5%、5.0%及7.0%。

表1 铜包铝线的主要特性

由于铜层体积比对铜包铝电缆的力学性能、载流量以及成本和售价有很大影响，因此在选购和使用铜包铝电缆时，可采用简易的“溶铜检测法”对电缆的标识中所规定的铜层体积比进行检测。

在铜包铝电缆中截取一段长度约为150 mm左右的样品，扒去绝缘层，取出铜包铝导体。若导体为绞线，可取其中一根经校直后作为试样。首先，用精度为0.01 mm的千分尺测量试样的直径d，然后将试样端头约20 mm长浸入硝酸溶液中，待铜层全部溶解后立即从溶液中取出。经清洗后用千分尺测量铝芯线的直径，两者之差即为铜层厚度t。

根据铜包铝线直径d及铜层厚度t，可按下式计算出该铜包铝线的铜层体积比r，以确定铜包铝线的档次。

若测出的铜层体积比小于规定的数值，则说明铜层厚度太薄。这会降低电缆的承载能力、增大铜包铝线的电阻率，不能满足电缆载流量的要求，并增加电缆使用过程中的安全隐患。这是生产企业的“偷工减料”行为，应予以摒弃。

3 铜包铝线的力学性能

铜包铝线的力学性能主要为抗拉强度和断裂伸长率，这是电缆在成缆加工和安装、使用时的主要性能指标。

从表1可见，铜包铝线的力学性能介于纯铜线和纯铝线之间，并比电缆导体用铝合金线［4］的高，足以满足成缆加工和使用的要求。

铜包铝线的力学性能除了与铜层体积比有关外，还取决于它的加工状态。经过拉拔变形的线材，抗拉强度较高，断裂伸长率较低，称为硬态；拉拔后经过退火的线材，抗拉强度降低，断裂伸长率升高，称为软态。

但是必须注意，若铜包铝线拉拔和退火工序的工艺参数选择不当，则会破坏铜铝界面的冶金结合质量，虽然其力学性能可能在合格范围内，但也将成为废品。这是鉴别力学性能指标时必须注意的。

4 铜包铝线的电学性能

铜包铝线作为电缆导体，其电学性能（电阻率或电导率）是重要的使用性能指标。

铜包铝线的电学性能除了与铜层体积比有关外，还取决于它的加工状态。经过退火的软态铜包铝线的电导率，比冷拔加工硬态的要高。软态铜包铝线的电导率与退火加热温度和在该温度下的保持时间有关。图2［5］所示为φ2.0 mm的铜包铝线在不同温度下经不同时间退火后对电导率的影响。由图2可见，当在250℃温度下退火，随着保温时间的增长，铜和铝在拉拔过程中产生的“加工硬化”现象逐渐消除，铜、铝界面上所形成的金属间化合物层较薄，对电导率没有太大影响，甚至有所增加。但在较高温度下经较长时间退火，金属间化合物层的厚度不断增加，使界面上一部分铜和铝原子形成化合物层而减少了铜层和铝芯的体积，从而大大降低了铜包铝线的电导率。这是鉴别铜包铝线缆的电学性能指标时必须重视的。

图2 退火工艺规程对铜包铝线电导率的影响

5 铜包铝电缆与铜用配线器具的连接特性

5.1 接触面的接触电阻

由于铝的接触电阻很大，因此，人们往往担心铜包铝导体连接时，是否会增大接触电阻？图3所示为各种导体连接时，接触载荷与接触电阻关系的试验结果［6］。由图3可见，由于铝的表面易氧化，铝/铝、铝/铜的接触电阻较大。铜包铝线表面是铜，因此铜包铝/铜包铝连接时，大体上与铜/铜连接相似，接触电阻都较小。这是铜包铝电缆优于铝导体电缆的一个重要特性。

图3 各种导体的接触载荷与接触电阻的关系

5.2 通电热循环试验结果

铜包铝电缆用压接式和机械式连接金具长期连接时，其接头经受冷热不同温度更迭变换，会不会丧失稳定性？这是人们使用铜包铝电缆的又一个顾虑。

对于这个问题，日本早在上世纪70年代就将铜包铝线与不同的铜用配线器具连接，并采用不同的连接方式，在规定电流下进行200次通电热循环试验。试验表明，铜包铝线与所有铜用配线器具连接都具有稳定的特性［6］。

对于大截面的铜铝复合母线长期在大电流通/断电情况下，其连接部位能否承受电流动冲击和热冲击的影响？导体的直流电阻率是否会发生变化？上海电缆研究所对苏州华铜复合材料有限公司提供的HT-TLMY铜铝复合母线在用螺栓连接后依据相关标准［7］进行了1 000次通/断电热循环试验。每次当温度达到平衡状态时，由所测试的电流和直流电阻计算初始离散度和平均离散度，并计算每次热循环后电阻比率的比值。试验结果完全符合标准的要求［8］。该项试验结果充分说明了铜包铝电缆在使用中的可靠性。

6 铜包铝线的比热

所谓“比热”就是使1 kg物质温度上升1℃所需的热量（Q），单位为J/kg·℃。

由表1可见，铜包铝线的比热比纯铜线的大得多。这就意味着，要将相同重量的铜包铝线温度升高1℃所需的热量要比纯铜线的多；而且在重量和直径相同的条件下，铜包铝线的长度要比纯铜线的长得多，因而散热条件比纯铜线的好。若使铜包铝线和纯铜线电阻相同，并在通以相同电流的条件下，经相同时间后，铜包铝线电缆的温度一定比纯铜线的低。例如，我国有关企业曾对铜包铝导体的聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆与相同型号的铜导体电力电缆，通以90 A恒定电流，稳定2 h后测量导体的温度，结果铜包铝导体电缆的平均温度为64.6℃，而铜导体电缆为69.1℃。这对安全供电有很大好处。

7 铜包铝线的热膨胀系数

众所周知，金属受温度的影响会产生热胀冷缩现象，其伸缩量的大小可用线膨胀系数来表示。已知铜和铝的线膨胀系数分别为17×10-6（1/℃）和24×10-6（1/℃），两者相差较大。因此，人们往往担心，当温度变化时是否会导致铜包铝线的铜层与铝芯长度不一致而影响使用性能？

这个问题的关键在于铜包铝线的铜和铝界面是否实现了冶金结合而形成一个整体。在结合良好的情况下，当温度变化时，铜与铝的伸缩变形量可相互制约和协调，使两者具有共同的线膨胀系数。例如，铜层体积比为15%的铜包铝线，其线膨胀系数为21.9×10-6（1/℃），介于铜和铝的线膨胀系数之间，不会出现两种金属的错动现象。近年来，人们还对铜铝复合母线在低于200℃温度下承受热胀冷缩应力对界面剪切强度影响［8］进行了试验。试验表明，铜铝复合母线在通常使用的最高温度（90～110℃）下，其界面产生的剪切应力大于剪切强度（＞35 MPa），表明是安全可靠的。

8 铜包铝线的电化学腐蚀现象

铜包铝线中的铜与铝是电极电位不同的两种金属，它们的标准电极电位：铜为+0.345 V，铝为-1.670 V。当其处于电解质溶液（如含有CO2或SO2的潮湿介质）中时，易产生电化学腐蚀现象，使负电性的铝遭受腐蚀。

图4所示即为铜包铝线端面浸入0.1 mol/L的Na2SO4蒸馏水溶液中50 d后其端面上铝的电化学腐蚀形貌［9］。由于铝被侵蚀，致使铜层与铝芯交界面逐渐分离。这是生产铜包铝线及安装铜包铝电缆时应重视的。

图4 铜包铝线端面电化学腐蚀形貌

为了防止铜包铝线产生电化学腐蚀现象，在生产铜包铝线过程中必须通过涡流探伤，检测铜层中的露铝现象，并对铜包铝线冷压焊接头的露铝部分采用局部镀铜以覆盖铝层。对于在施工中截断的铜包铝线的端头部位可涂一层快干漆或导电胶进行保护。

9 结 论

（1）铜包铝线的铜、铝界面未实现冶金结合，是典型的废品；铜包铝线的铜层体积比或铜层厚度达不到结构参数要求，是偷工减料产品。这两种现象都可通过简易试验方法在购买和施工现场进行检测。

（2）质量合格的铜包铝线，其电缆的力学性能和电学性都能满足使用要求，并与铜用配线器具有较好的连接特性，可放心使用。

（3）铜包铝线比热、线膨胀系数等物理性能，对铜包铝电缆的使用性能没有不良影响。但铜与铝由于电极电位相差较大，而使铜包铝线的露铝部位在电解质溶液中产生电化学腐蚀现象。在铜包铝线的生产过程中及铜包铝电缆的安装使用过程中应采取措施予以克服。

［1］ 戴雅康，主玉凯，刘丕家，等.包覆焊接-拉拔法铜包铝线冶金结合机理的探讨［J］.电线电缆，2013（6）：1-6.

［2］ 赵正树，戴雅康.铜包铝线退火工艺的试验研究［J］.电线电缆，2011（6）：6-8.

［3］ GB/T 29197—2012 铜包铝线［S］.

［4］ GB/T 30552—2014 电缆导体用铝合金线［S］.

［5］ 山口，高山.銅クラツドアルミ線の開発（第1報製造および基礎的特性）［J］.日本藤倉電線技報，1972：47.

［6］ 石下ガ，庄司宽，水庭隆.銅被アルミニム線の屋内配電缐への適用［J］.日立评論，1974，56（3）：85-90.

［7］ GB/T 9327—2008 额定电压35 kV（Um=40.5 kV）及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具试验方法和要求［S］.

［8］ 中国建筑标准设计研究院.铜铝复合母线参考图集［M］.北京：中国计划出版社，2013.

［9］ 戴雅康，刘丕家，王玉凯.冷压焊接头对铜包铝线使用性能的影响［J］.电线电缆，2009（1）：6-9.

The Characteristics of Copper Clad Alum inum W ire Effect on the Service Performance of Copper Clad Alum inum Cable

ZHENG Chuan-tao，DAIYa-kang
（Dalian TOFA Composite Cable Technology Development Co.，Ltd.，Dalian 116000，China）

According to the nature of copper clad aluminum wire which ismade of different characteristics of copper and aluminum，the paper introduces its structural characteristics，mechanical properties，electrical properties，physical properties and chemical properties.With the research results，this paper discusses the affect for the performance of copper clad aluminum cable under using these parameters，in order to improve the quality and using effectof copper clad aluminum cable.

copper clad aluminum wire；copper clad aluminum cable；service performance；metallic bonding；copper layer volume ratio；connection characteristics

TM244.1

：A

：1672-6901（2016）06-0004-04

2016-03-24

郑传涛（1960-），男，董事长，高级工程师.

作者地址：辽宁大连市中山区丹东街港景园18-2-401［116000］.