铜包铝母线的载流性能研究

蔡西川， 顾荣荣（上海电缆研究所，上海200093）

铜包铝母线的载流性能研究

蔡西川， 顾荣荣
（上海电缆研究所，上海200093）

试验研究了不同铜层体积比的铜包铝母线的稳态载流量。研究结果表明，当铜层体积比由零增大至20%左右时，铜包铝母线的稳态载流量显著增大；铜层体积比继续增大时，铜包铝母线的稳态载流量缓慢增大。铜包铝母线的稳态载流量随母线宽度和厚度的增加而增大，其变化为线性的。宽厚比大的铜包铝母线因其具有较大的散热表面而表现出更大的载流能力。

铜包铝母线；载流性能；铜层体积比；宽厚比

0　引言

铜包铝母线是除铜母线和铝母线之外的一种大截面复合导体，其典型结构是铝芯为基体，铜层完全包覆在铝基体表面。铜包铝母线作为一种复合材料载流导体，广泛应用于开关柜、母线槽等输配电设备中。由于这些输配电设备的电流输送容量较大，一般都在几千安培以上，因此这些设备对载流母线的首要要求就是能够输送较大电流，保证这些设备在输送大容量电流时，设备的部件温升不会过高、结构及支撑材料不被破坏等。

铜包铝母线作为一种新型载流导体，其载流能力与纯铜母线及铝母线有较大差异。在一些标准及出版物中已提供了典型规格的铜母线以及铝母线的载流量值，但未给出铜包铝母线的载流量值。本文将从试验研究的角度出发，对典型规格铜包铝母线的稳态载流量值进行测量和归纳分析，并对铜包铝母线载流能力的影响因素进行探讨，以期为下游设计单位和用户提供参考。

考虑到影响导体载流能力的因素众多，包括导体材料、结构、外部环境、敷设状态等，本文在试验研究时将主要针对复合导体材料本身的差异，对不同材质组成及结构差异的铜包铝母线的载流性能进行比较试验研究。试验时，所有母线的外部环境条件及敷设状态保持一致，对母线加载电流，在温升相同的条件下记录稳态载流量值。

1　铜层体积比对铜包铝母线载流性能的影响

影响导体载流性能的最直接因素即为材料本身。导体电阻越大，在导体通过相同电流时，导体自身产生的热量也就越大，在外部散热条件一致时，导体的温升就越高，而反映出的载流能力也就越小。铜包铝母线是由铜和铝两种导体材料组成，铜在20℃的电阻率为0.017 241Ω·mm2/m，即100% IACS；铝在20℃的电阻率为0.028 264Ω·mm2/m，即61%IACS。在铜包铝母线中，铜含量越高，铜包铝母线的电阻越小，导电性能越高。在铜包铝母线行业中常用铜层体积比来表示母线中铜的含量，目前国内外大量使用的铜包铝母线的铜层体积比范围为15%～25%［1-2］。从理论上分析，复合母线的导电率（%IACS）与铜层体积比是呈线性关系的。

本文在试验研究时，首先进行了相同规格不同铜层体积比铜包铝母线的载流量比较试验。选用的母线规格为6 mm×80 mm（厚度×宽度），除选用不同铜层体积的铜包铝母线外，还选择了相同规格的铜母线（相当于铜层体积比为100%）和铝母线（相当于铜层体积比为0）进行对比试验。

表1是在规格相同，单根母线平放，不同铜层体积比的母线温升为50K时的稳态载流量值。图1是相同规格母线的稳态载流量值随铜层体积比的变化曲线。

表1　不同铜层体积比的母线温升50K时的稳态载流量值

图1　母线稳态载流量随铜层体积比的变化曲线

从表1和图1中可以看出，相同规格母线的稳态载流量值随铜层体积比的增加而增大。从母线材料本身来看，铜层体积比增大，母线的电阻率降低，导电率提高，电流通过导体时产生的热量降低，母线载流能力提高。从图1的变化曲线来看，母线50 K时的稳态载流量值与铜层体积并非呈线性关系，这与导电率与铜层体积比的关系是不同的。当母线材料由纯铝变为带有包覆铜层的复合母线时，由于带有铜包覆层的复合母线黑度系数要高于铝材质，其表面散热状况发生了根本的改变，复合母线的载流量有显著增加；但当铜层体积比继续增加时，母线的载流能力仅呈现缓慢增加。

从图1中还可以看出，在铜层体积比由0增大至100%过程中，铜层体积比为20%左右时，母线的载流能力出现一个较为明显的拐点。根据表1中的数据，20%铜层体积比的母线在50 K温升时的载流量已达到纯铜母线的97.8%。由于铜包铝复合母线有多种不同制备工艺，每种工艺制备的母线铜层体积比并不一致，而且铜层体积比也直接决定了复合母线的材料成本，因此铜层体积比的选择和规定一直以来是困扰铜包铝母线行业发展的最重要问题。结合图1复合母线稳态载流量随铜层体积比的变化曲线来看，铜层体积比选择在20%左右时是合理的，因为继续增大铜层体积比时，复合母线的材料及加工成本会有较大提高，但复合母线的载流能力仅有缓慢增加。

2　宽度对铜包铝母线载流性能的影响

在开关柜及母线槽中，有众多不同规格的母线可供选择。本文选择铜层体积比为20%、厚度为6 mm、宽度在60～160 mm范围内的铜包铝母线进行试验研究。表2是在母线采取单根平放方式，外部环境一致条件下，母线温升50 K时的稳态载流量值。图2是温升50 K时稳态载流量随母线宽度的变化曲线。

表2　不同宽度的母线温升50K时的稳态载流量值

图2　温升50 K时母线稳态载流量随宽度的变化曲线

从图2可看出，在厚度一致的条件下，铜包铝母线的稳态载流量值随宽度的变化呈近似线性关系。电流通过母线时，导体自身产生热量致使其温度上升，当母线自身产生的热量与表面散热量相等时，导体在某一加载电流条件下达到平衡状态，其温度保持不变。在铜层体积比相同的条件下，随着母线宽度增加，导体发热量和表面散热量也呈比例增大，因此，母线的稳态载流量也随母线宽度呈线性增大。

3　厚度对铜包铝母线载流性能的影响

选择铜层体积比为20%、宽度为100 mm、厚度在6～12 mm范围内的铜包铝母线进行试验，研究铜包铝母线载流性能与厚度之间的关系。表3是在母线采取单根平放方式，外部环境一致条件下，母线温升50 K时的稳态载流量值。图3是温升50 K时稳态载流量随母线宽度的变化曲线。

表3　不同厚度的母线温升50K时的稳态载流量值

图3　温升50 K时母线稳态载流量随厚度的变化曲线

从图3可看出，在宽度一致的条件下，铜包铝母线的稳态载流量值随厚度的变化也呈近似线性关系。从理论上分析，这与母线载流量随宽度变化的规律是一致的。当铜层体积比一定时，母线厚度增加，母线产生的热量和表面散热量均呈比例增大，因此母线在温升50 K时的稳态载流量随着厚度增加呈线性增大。

4　导体截面形状对铜包铝母线载流性能的影响

在开关柜和母线槽中可选择不同宽厚比的母线，本文在试验时对两种常用的截面积相等、不同宽厚比的母线进行载流量试验对比研究。这两种母线的规格分别为6 mm×80 mm（厚度×宽度）和8 mm×60 mm（厚度×宽度），铜层体积比为20%。表4是母线采取单根平放方式，在外部环境一致条件下，温升50 K时的稳态载流量值。

表4　不同宽厚比母线温升50 K时的稳态载流量

对于表4中两种规格的母线，在铜层体积比相同的条件下，具有相同电阻，通过相同电流时，其导体的发热量是相同的。比较表4中的数据可以看出，宽厚比较大的母线（6 mm×80 mm）载流能力是宽厚比较小母线（8 mm×60 mm）的1.12倍。这表明宽厚比较大的母线具有更好的散热效果，其原因在于宽厚比较大的母线具有更大的散热面积。因此，在开关柜和母线槽选择设计时，可优先选择宽厚比较大的母线。

5　结 论

（1）铜包铝母线的稳态载流量随铜层体积比的增大而增大。当铜层体积比由0增至20%时，母线的载流量显著增大；铜层体积比继续增加时，母线的载流量缓慢增大。

（2）厚度相同时，铜包铝母线的稳态载流量随母线宽度的增大呈线性增大；宽度相同时，铜包铝母线的稳态载流量随母线厚度的增大呈线性增大。

（3）相同体积比、同等截面积的铜包铝母线稳态载流量与导体截面形状有关，宽厚比较大的母线具有更大的载流能力。

［1］ JB/T 11599—2013 电工用铜包铝母线［S］.

［2］ DL/T 247—2012 输变电设备用铜包铝母线［S］.

Research of Current Carrying Capacity of Copper-Clad-Aluminum Bus Bar

CAIXi-chuan，GU Rong-rong
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

ExPerimentwas carried out to study the current carrying caPacity of different volume ratioof coPPer layerof coPPer-clad-aluminum bus bars.Research results show thatwhen the volume ratio of coPPer layer increases from zero to about20%，the current carrying caPacity ofbus-bars increases significantly.When the volume ratio of coPPer layer continues to increase，the currentcarrying caPacity of bus-bars increasesslowly.The current carrying caPacity of coPPer-clad-aluminum bus bars increased with the increase of width and thickness，the change is linear.Because of larger radiating surface，current carrying caPacity of bus-barwith larger flakiness ratio is greater than smaller flakiness ratio ones.

coPPer-clad-aluminum bus bar；current carrying caPacity；volume ratio of coPPer layer；flakiness ratio

TM244.3

A

1672-6901（2016）02-0004-03

2015-11-17

蔡西川（1980-），男，工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.