铜与铝合金导体连接可靠性研究及相关替代

铜、铝导体的选择对我国民用建筑来说，是一个与生命和财产安全息息相关的命题，因此它不容轻视。我国的民用建筑配电电缆每年产值近750亿元。每年新增的民用建筑资产逾40000亿元。这些建筑物关系到近7亿人的生活、工作和用电安全。 　　 　　有关铜铝导体的旧话题再次被热议，是因为近年来出现的铝合金电缆正尝试着改变业内对铜铝导体性能差异的认识。几年前铜铝差价的增大和国外铝合金电缆进入中国，引发了以铝代/节铜的持续升温。通常，产品在市场扩张阶段的利润较高，所以一些本土厂商推出了类似的铝合金电缆产品。 　　 　　正值国内“以铝代铜”、“以铝节铜”升温之际，本文介绍了北美的一项连接可靠性试验，分析了中国的实际情况，并提出应当理性、谨慎地对待我国民用建筑配电领域的导体选择。提供更多信息以便设计院和甲方单位参考。 　　 　　1、试验概要 　　 　　2005年，加拿大英属哥伦比亚电力实验室负责进行了一项试验，在同等环境条件下比较AA8xxx系列铝合金导体、纯铜导体的连接性能。试验将铜和铜、铝和铜、铝和铝连接的接头暴露在腐蚀环境，以大电流短时间试验2000小时，使其加速老化。 　　 　　结果表明，铝合金导体的连接可靠性与全铜连接的可靠性相差甚远。铜的连接在试验期间的电阻变化很小，没有出现报废的样本，在本次试验中表现最好。40%的铝合金的连接在试验中因电阻超过设定标准而报废。 　　 　　该试验的英文原文是2005年IEEE（电气与电子工程师协会）发布的论文。 　　 　　2、试验样本 　　 　　试验样本包括美国线规19股AWG2/0（接近公制70mm2）铜缆，加拿大的AA8xxx系列18股AWG4/0（接近公制95mm2）铝合金缆。二者的载流量比较接近。 　　 　　试验采用的电缆、接头及抗氧化剂均为标准的商业化产品。 　　 　　3、接头的安装 　　 　　采用压接及机械式螺栓单孔连接，所有的铝合金导体的压接都镀锡并填充抗氧化剂。接头安装在50厘米长的一段导体上，并采取下列安装程序： 　　 　　•安装接头之前，所有的导体立即擦净； 　　 　　•安装机械接头的铝合金导体使用Thomas&BettsContaxCTB8抗氧化剂； 　　 　　•铜导体和铜接头不用抗氧化剂； 　　 　　•压接式接头采用Thomas&Betts（Blackburn）TBM5型压接工具； 　　 　　•机械式接头的安装采用的力矩； 　　•在每根导体的另一端以焊接方式安装补偿器，使导体的电流试验和电阻试验的电流分配更好。 　　 　　4、试验内容 　　 　　试验包括腐蚀循环试验和大电流的猝发试验，将腐蚀环境作用于接头，呈现接触电阻随着试验进程升高的情景。循环试验按下列程序进行： 　　 　　•在500小时的时间段内进行盐雾腐蚀循环试验； 　　 　　•在每个500小时时间段内进行电流猝发试验； 　　 　　•腐蚀试验期间每隔约170小时，以及在每组电流猝发试验的前后，读取每个接头的直流电阻； 　　 　　•在总计约2000小时的盐雾试验中进行总计4组的盐雾和电流猝发试验。 　　 　　4.1腐蚀循环试验 　　 　　各组样本放置在环境实验室中的3个PVC架上。导体和接头按水平排列。接头部位悬于空气中。各组样本的位置定期调换，使其获得几近相同的外界条件。每4小时的腐蚀试验周期包括下列步骤： 　　 　　（1）喷放含有用PH值为5.5的硝酸冲淡的风干3%氯化钠溶液的盐雾，持续1小时45分钟； 　　 　　（2）在2小时内将其加热达到最高700℃，使其变干； 　　 　　（3）以清洁水清洗15分钟； 　　 　　在腐蚀循环试验期间，上述步骤不断重复。 　　 　　4.2电流猝发试验 　　 　　采用电流猝发试验的目的是研究接头与导体连接的老化。为此，对AWG4/0铝合金导体采用的电流等级是1750A，对AWG2/0铜导体的采用的是1800A。每次试验的电流保持在以上等级，使导体的温度在规定时间内达到2500℃根据处于控制导体中央位置的热电偶试验，从接近室温时开始升高到2500℃通常需要施加约50秒的电流。 　　 　　样本要通过下列电流猝发试验： 　　 　　•每组10个接头串联起来同时进行电流猝发试验； 　　 　　•控制导体和组装的接头串联起来。热电偶装在每根控制导体的中央，监测在电流猝发试验期间导体的温度。 　　 　　•连续5次短时间大电流猝发。每次猝发间隔中，允许样本冷却到400℃。 　　 　　在每组5次电流猝发试验前后，每个样本的电阻（从补偿器到接头）是在室温条件下用微欧姆表试验得出的。