稀土高铁阻燃铝合金电缆在通信供配电领域的应用优势分析

刘 峰

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

随着大数据时代的到来，电力电缆在通信供配电领域的使用量越来越大，铜缆弯曲半径大、重量重、造价高、施工难度大、抗蠕变性差以及延伸率差等问题日益凸显。通信电源用高功率密度稀土高铁铝合金导体阻燃软电缆的研制成功解决了以上问题，其电气性能与机械性能都超越铜芯电缆，同时降低了造价，延长了使用寿命，可以有效实现“以铝节铜”。

1 稀土高铁铝合金导体阻燃电缆特点与加工工艺

1.1 特 点

（1）细化晶粒。稀土高铁铝合金导体在熔炼过程中加入了稀土、铁、硼以及其他微量的合金元素，性能得到提升。稀土起到净化的作用，使熔体中的氧化物减少，增强导电性，提高热加工性、韧性、高温下的蠕变特性以及耐高温腐蚀性等。而铁、硼及其他的微量元素与铝形成金属间化合物，成为铝之外的“第二相”，在铝中高度分散。在凝固过程中，这些高度分散的“第二相”成为铝结晶的核心，核心越多，形成的晶粒就越多，每个晶粒的尺寸也就越小，从而有效细化了晶粒。细化晶粒对金属起到了强化作用，强度和韧性都有所提高，保证了电缆在长时间过载和过热时的连接稳定。此外，电缆载流量更好、重量更轻，敷设、安装也更加方便。

（2）“第二相”弥散强化。铁及其他的微量元素与铝形成的金属间化合物，是铝之外的“第二相”。这些“第二相”几何形状为等轴状，呈细小弥散态均匀分布在铝基体中，也起到了显著的强化作用。从材料学上讲，金属拉伸断口上覆盖的大量显微微坑，被称为“韧窝”。“韧窝”是金属断裂时发生微观变形的痕迹，“韧窝”的底部都会有一个或一个以上的“第二相”粒子，其数量和大小反映了“第二相”的数量、大小和分布，也反映了材料的韧性大小。稀土高铁铝合金单丝断口上的“韧窝”整体数量较多，分布均匀，证明导体的韧性很好。而普通铝单丝断口上的“韧窝”数量较少，分布不均，证明韧性很差。普通铜单丝的断口上只有少量大“韧窝”，且“韧窝”底部有明显较大的硬颗粒杂质，这种较大的颗粒起到了割裂金属基体的作用，导致其韧性降低[1]。

1.2 生产加工流程

稀土高铁铝合金杆制备流程如图1所示，稀土高铁铝合金电缆生产流程如图2所示。

图1 稀土高铁铝合金杆制备流程

图2 稀土高铁铝合金电缆生产流程

2 稀土高铁铝合金电缆与铜芯电缆优势对比分析

2.1 抗蠕变性能

稀土高铁铝合金电缆在铝基材中加入铁元素，经过退火处理后起到强化作用，抗蠕变性能相比于纯铝提高了300%，避免因长期受到机械力的作用而出现蠕变，引起接触电阻增大导致事故。铜、铝和稀土高铁铝合金的抗抗蠕变特性如图3所示。

图3 铜、铝和稀土高铁铝合金的抗抗蠕变特性

2.2 抗拉强度和延伸率

稀土高铁铝合金导体相比于纯铝导体，由于加入了特殊的成分并采用了特殊的加工工艺，因此极大地提高了抗拉强度，且延伸率提高到30%，使用更加安全可靠。铜、铝和稀土高铁铝合金的延伸率对比如图4所示。

图4 铜、铝和稀土高铁铝合金的延伸率对比

2.3 防腐蚀性能

铝固有的防腐性能源自铝表面与空气接触时形成薄而坚固的氧化层，这种氧化层能够承受各种形式的腐蚀。合金中添加的稀土元素又能进一步改善铝合金的耐腐蚀性能，特别是电化学腐蚀。腐蚀的产生通常与不同的金属在潮湿环境中的连接有关，可以使用相应的保护措施来防止腐蚀的发生，例如使用润滑油、抗氧化剂以及保护涂层等。碱性土壤和某些类型的酸性土壤环境对铝有较大的腐蚀性，直埋敷设的铝导体应使用绝缘层或模压护套防止腐蚀。在含硫的环境中，例如铁路隧道和其他类似地方，稀土高铁铝合金的抗腐蚀性能大大优于铜。

2.4 柔韧性

稀土高铁铝合金独特的合金配方、加工工艺使其柔韧性大幅提高，稀土高铁铝合金比铜柔韧性高30%，反弹性比铜低40%。铜、铝和稀土高铁铝合金的抗疲劳性对比如图5所示。

图5 铜、铝和稀土高铁铝合金的抗疲劳性对比

2.5 铠装特性

国内常用的铠装电缆大多采用钢带铠装，安全级别低，在受到外界破坏力时其抵御能力差，容易导致击穿。此外，其安装成本相当高，加之耐腐蚀性能差，使用寿命不长。而金属连锁铠装电缆采用的是铝合金带连锁铠装，其层与层之间的连锁结构保证电缆能经受外界强大的破坏力，即使电缆遭受较大的压力和冲击力时，电缆亦不易被击穿，提高了安全性能。同时，铠装结构使电缆与外界隔离，铠装层提高了电缆的阻燃耐火级别，降低了火灾的危险系数。铝合金带铠装结构相对于钢带铠装敷设便利，可免桥架安装，能减少20%～40%的安装费用。根据使用场所的不同，可以选择不同的外护套层[2]。

2.6 紧压特性

单从体积电导率方面考虑，铝合金不及铜，但稀土高铁铝合金导体不仅从材料性能方面进行了改进，而且在工艺方面也取得了很大的突破。采用超常规的紧压技术，使紧压系数达到0.93，而异型线的紧压系数能达到0.95。通过最大极限的紧压，可以弥补铝合金在体积导电率上的不足，使绞合导体线芯如实心导体一般，明显降低线芯外径，提高导电性能。

2.7 节能环保

有研究数据表明，生产相同载流量和长度的铝合金电缆比生产铜缆消耗的能源更少，CO2排放更少，更加环保节能。铜的熔点在1 080 ℃，而铝的熔点在680 ℃，冶炼能耗低，CO2排放少。相同载流量下，稀土高铁铝合金电缆的重量是铜缆的一半，运输、安装敷设更加方便快捷。铝合金的回收率很高，再生铝的综合能耗只是电解铝的5%，而再生铜的综合能耗则是冶炼铜的18%。低烟无毒耐火新型电缆可以实现1 000 ℃高温下不延燃、不滴落、无毒气以及无烟雾，有效降低了火灾风险和人身安全隐患。相较于铜缆，稀土高铁铝合金电缆在战略资源储备、材料成本、施工成本、线路线损等方面均具有显著优势[3]。

2.8 填补通信领域空白

稀土高铁铝合金电缆技术及产品研制、推广，填补了通信领域应用空白，同时满足集团电力电缆应用需求，降本增效效果明显[4]。稀土高铁铝合金电缆导体材料是在高纯度铝材基础上加入了不同种类及适当比例的稀土及铁硅等微量元素，除去了铝中的杂质，生成了铝基之外的金属间化合物，细化了铝的晶粒，在保证优异导电性能的情况下具有更好的机械性能。其导体中的稀土合金成分大大改进了传统铝导体的抗蠕变性能，尤其是当导体退火时，添加的铁元素产生高强度抗蠕变性能。电缆即使长时间过载和过热，也能保证连接的稳定性，进而成功地解决了铝电缆不能完全代替铜电缆的技术瓶颈，为我国实现创新绿色发展奠定了基础[5]。

3 稀土高铁铝合金电缆应用前景剖析

稀土高铁铝合金电缆现阶段产品系列适用于供配电系统，除消防回路外，涵盖通信行业的35 kV及以下所有供配电领域。稀土高铁铝合金电缆具备抗氧化耐腐蚀性能，绿色环保优势得以充分体现。稀土高铁铝合金电缆采用绿色环保绝缘护套，耐高温、耐低温、抗紫外线，使用具备经济性。节能减排是推进经济产业结构调整和建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。同等载流量的稀土高铁铝合电缆重量只有铜电缆的一半，同时还有机械强度高、转弯半径小、回弹量小等特点。与铜缆相比，稀土高铁铝合电缆运输方便，安装灵活，整个生产和使用过程中减少了碳排放量，具备推广价值。

自然界中铝资源的含量要远远高于铜，开采成本也低于铜，使得铝价也远远低于铜价。稀土高铁铝合金导体的主要成分是铝基，经成本核算，其成缆电缆售价接近移动集团集采铜电缆的80%左右，为基于“以铝节铜”的稀土高铁铝合金的大面积推广及应用奠定了市场基础。

4 结 论

稀土高铁铝合金电缆具有强柔韧、易弯曲、低反弾以及抗蠕变等特性，机械性能和物理性能优异而稳定，能够减少相关维护和检修行为消耗的能源。同时，其具备施工简便、造价低等优势，将逐渐成为未来供配电系统的重要应用载体。