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煙台市瑞奇金屬制品有限公司
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我國目前銅鋁複合排的應用和需求狀況

一、銅鋁複合排應用領域
 
    銅鋁複合排作為大電流導體材料,主要用于電控、配電等設備。配電設備包括:中低壓成套開關設備、箱式變電站、中壓封閉母線、低壓母線槽、變壓器、電抗器等。電控設備包括:風電光伏等新能源控制設備;通訊、電解、電鍍等電源設備;石油鑽機、冶煉等石化煉油控制設備;礦井提升、各種調速控制設備等傳動控制設備及軋機等冶金控制設備。配電設備廣泛應用于高層建築、現代化工廠、商業廣場、軌道交通等國民經濟各個行業的供電。電控設備廣泛應用于制造行業各種機器設備的運行控制。

二、銅鋁複合排需求分析

    1、配電設備
    低壓成套開關設備全國有規模的的生産企業超過1000家,2012年中國電器工業協會電控配電設備分會統計了上報的102家資料:換算到1000家,低壓開關櫃480萬面(1622億元),母線槽1246萬米(337億元),每面低壓櫃平均用銅120kg,折合銅鋁複合排60kg,480萬面需複合排約29萬噸。每米母線槽平均用銅30kg,折合成複合排約16.8kg,1246萬米需複合排21萬噸。低壓配電設備共需50萬噸。中壓配電設備需求量約是低壓的20-25%,因此,中壓配電設備年需銅鋁複合排也有10萬噸。高低壓配電設備需銅鋁複合排合計約60萬噸。
    我國每年新增裝機容量1億kW,需中壓開關櫃100多萬面,低壓開關櫃500萬面左右,母線槽2010年産值超300億元,與上述統計基本吻合。
    2、電控設備
    風電、光伏等新能源控制設備是正在發展的行業,對導體的需求量越來越大。城市軌道交通發展也非常迅速,全國36個城市線網規劃和建設規劃已獲批,也會增大銅鋁複合排需求量。電控設備年需銅鋁複合排在10萬噸以上。
    兩項合計,年需銅排約140萬噸。若全部替代,銅鋁複合排約需70萬噸,用銅31.5萬噸,可節銅 108.5萬噸,增加用鋁38.5萬噸。
 
三、國家各行業大力支持銅鋁複合排發展
 
    有色、電器、電力、建設、機械等行業和産品認證、标準部門為銅鋁複合排的推廣應用做出了很大的貢獻。
    (一)有色金屬工業協會
    2007年,對銅鋁複合排組織了科技成果的專家鑒定。2012年組織了銅鋁複合排産業化生産線的專家鑒定,該協會利用各種場合對銅鋁複合排進行宣傳推薦。
    (二)電器工業協會
    2010年,組織制訂了中國電器工業協會标準CEEIA B220-2010《電工用銅鋁複合母線》,對銅鋁複合母線的推廣起了重要作用。2008年至2011年在全國聯合設計的GCK2低壓開關設備、24kV箱變、新型節能母線槽中都選用銅鋁複合母線做導體。試驗成功後,先後三次組織專家鑒定會,對成套開關設備中采用銅鋁複合母線給予了極高的評價。
    電纜分會(上海電纜研究所)進行了“銅鋁複合母線的應用技術研究”并進行了大量試驗,包括可靠性試驗驗證。
    (三)電力企業聯合會
    組織制訂了電力行業标準DL/T247-2012《輸變電設備用銅包鋁母線》,組織了銅鋁複合母線的《中國電力認證》。有些供電公司還發了文件,在該地區推廣銅鋁複合排母線槽。
    (四)國家住建部
    中國建築标準設計研究院編制了設計參考圖集《銅鋁複合母線》。中國航空工業規劃設計研究院組織九大設計院編制的《工業與民用配電設計手冊》第四版增加了銅鋁複合母線設計選型的内容。
    中國建築設計研究院、航空院、航天院、中元國際等住建部十多家大型設計院舉辦了銅鋁複合母線的設計選型技術交流會。
    (五)國家機械系統
    機械系統已有十個設計院舉辦了銅鋁複合母線的設計選型技術交流會,并已在上百個工程項目設計中選用了銅鋁複合母線,取得了顯著成效。例汽車、石油、鐵路行業等建設工程中母線槽都選用了銅鋁複合排作導體,部分項目已經投入運行。
    (六)國家質量認證中心
    在銅鋁複合母線的“CQC”認證及下遊産品低壓成套開關設備、母線槽的3C認證工作中做了大量工作,給予了大力支持。
    (七)國家标準委
    銅鋁複合母線是電工材料,其标準歸口是全國裸電線标委會,已編制頒布的行業标準有能源行業标準NB/T42002-2012和機械行業标準JB/T11599-2013《電工用銅包鋁母線》。全國架空線路标委會組織制定了電力行業标準DL/T247-2012《輸變電設備用銅包鋁母線》。
    國家有關部門、行業領導專家和相關企業大力支持銅鋁複合母線行業的發展,将有利于擴大鋁應用,節約銅資源,實現以鋁節銅,對我國有色金屬資源的綜合利用具有重要意義。

四、銅鋁複合排應用技術
 
    銅鋁複合排是電工材料,應用在電控、配電設備領域,因此應用技術研究是推廣應用的關鍵。
   (一)用戶最關心的問題
    1、銅鋁複合母線的使用可靠性,使用壽命能否滿足成套電氣設備的要求。
    2、兩種材料熱漲系數差别較大,銅鋁複合母線能否承受熱脹冷縮産生的應力。
    3、銅鋁複合母線與銅母線兩種導體的載流量如何換算。
    4、能否承受短路電流産生的動、熱沖擊,動、熱穩定設計時怎麼校驗。
    5、采用什麼設備進行沖孔、折彎、剪切加工,加工中銅鋁結合面能否保持完好;表面能否焊接,端面如何保護等等。
    用戶提出的這些問題就是應用技術研究要解決的問題。
  (二)應用技術的研究
    1、根據用戶提出的可靠性、熱脹冷縮應力的影響、加工方法等問題導出了銅鋁界面結合強度的概念、定義、表達方法、參數的要求、測試方法等。通過大量試驗,得出了影響界面結合強度的各種因素,确定了正确的生産工藝流程。确定了界面結合強度的最低要求。
    2、銅鋁複合排導電性能的研究,根據配電設備的結構要求,成本的要求,确定了銅層體積比的最佳比例參數。還測定了銅鋁複合排典型規格的載流量,制訂了載流量表,填補了國内空白。
    3、進行了銅鋁複合排機械性能的研究,确定了抗拉強度、延伸率等參數,進一步确定了它的彎曲性能和加工工藝。以上這些都為制定産品标準和推廣應用奠定了基礎,準備了資料。依據這些研究成果,已制定了電力、能源、機械三個行業标準。
    4、銅鋁複合母線的下遊産品低壓成套開關設備、母線槽都要進行國家強制性認證。為此,國家電控配電設備質量監督檢驗中心(天津),國家節能産品質量監督檢驗中心(濟南)對采用銅鋁複合排的低壓成套開關設備進行了3C型式試驗,已取得3C證書的企業有400多家。低壓開關櫃有GGD、GCK、GCS、MNS等;母線槽有長城母線槽公司的CCX168SJ,全國聯合設計的CMLJ、CKLJ、CFLJ等母線槽生産企業的産品。
    5、為了在成套電氣設備中推廣應用銅鋁複合排,并嚴格控制其質量,國家認監委TC24工作組立項研究“銅鋁複合排在低壓成套開關設備中的應用”。中國質量認證中心(CQC)頒布了“銅鋁複合母線CQC認證實施細則”。通過了CQC認證的銅鋁複合母線,就可用于強制性認證的下遊産品中作導體。
    6、為設計院設計選型銅鋁複合母線作導體提供依據,中國建築标準設計研究院編輯出版了《銅鋁複合母線》設計參考圖集,内容包括銅鋁複合母線的型号、規格、加工、安裝指導、載流量及銅鋁複合導體母線槽等資料,該圖集2013年7月出版。正在修訂的第四版《工業與民用配電設計手冊》也将銅鋁複合母線的設計選型資料列入其中。
 
五、銅鋁複合排可靠性試驗驗證
 
(一)電控配電設備對導體材料的要求
   1、性能要求:滿足溫升和短路狀态下的動、熱穩定;
   2、使用環境要求:最高、最低溫度、濕度、海拔高度等;
   3、加工要求:正常的剪切、沖孔、折彎不破壞銅鋁結合面;
   4、使用可靠性和壽命的要求;
   5、電控配電設備所需導體截面從3x30到12x200,需一百多種規格,如規格不全無法滿足用戶選用需求。
    銅鋁複合母線作為導體用于電控配電設備,首先必須滿足以上基本要求。在這個前提下,成本越低越好,也就是說,工藝流程越短越好,生産效率越高越好。
    經理論分析和試驗驗證,無論是銅排還是銅鋁複合排,隻要截面積選擇合适,都可以滿足性能要求。要滿足使用環境和加工的要求,銅鋁複合排的界面結合強度、銅層體積比必須達到行業标準。至于使用可靠性和壽命必須通過試驗來驗證。
(二)使用可靠性和壽命試驗
   1、熱脹冷縮應力的試驗
     對不同規格的銅鋁複合排進行了0—200℃,100次熱循環試驗。界面結合強度沒有降低,這說明200 ℃溫差熱脹冷縮産生的應力破壞不了它,成套電氣設備正常使用溫度超不過110℃,因此使用是安全的。
   2、可靠性和電氣壽命試驗驗證
    為了驗證銅鋁複合排的電氣壽命,上海電纜研究所依據GB/T9327《額定電壓35kV(Um=40.5kV)及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接金具試驗方法和要求》對HT-TLMY銅鋁複合排做了1000次熱循環試驗,電阻比率和離散度都滿足标準要求,結果完全合格。 (機械工業電工材料及特種線纜産品質量監督檢驗中心,報告編号MTN2010-0242)。
    這說明在整個試驗後,銅鋁複合排的材質沒有發生變化。該試驗曆時8個多月,充分證實了銅鋁複合排的使用壽命滿足标準要求。
    有色金屬加工、電控配電設備、電工材料三個行業權威檢測機構的檢測和可靠性試驗驗證結果證實了銅鋁複合排完全滿足電控、配電設備的要求。
 
六、銅鋁複合排料頭再生和循環利用
 
    銅鋁複合排在加工過程中産生的料頭如不能回收、分解再利用,不但不能為國家節約材料,反而會造成浪費。這是銅鋁複合排推廣應用的最大障礙。行業内在産品研發初期就意識到了這個問題,經過近幾年的研發,成功研究了銅鋁複合排的料頭分解工藝,分解出的銅和鋁循環使用,解決了銅鋁複合材料行業共同面臨的問題。
    銅鋁複合母線的推廣應用剛開始,要取得實質突破,最大限度的替代銅排,還需要解決很多問題。比如,電力部門的認可和推廣,3C認證還要做大量試驗等等,要解決這些問題需要行業内生産企業共同努力,協同作戰,同時要得到**及有關部門的大力支持。隻有這樣,銅鋁複合材料行業才能獲得快速發展。
 
七、在成套電氣設備中的應用案例
 
  (一)在全國聯合設計産品中的應用
    中國電器工業協會電控、配電設備分會組織了三次成套電氣設備全國聯合設計,全部采用銅鋁複合排作導體。
    2008年組織了GCK2低壓櫃的聯合設計,4000A三面樣機導體全部采書。在鑒定會上專家對低壓開關設備采用銅鋁複合排作導體給予了極高評價。
    2011年全國聯合設計的新型節能母線槽産品中,空氣型400A-2000A、密集型2500A-7200A試驗樣機全部采用華銅複合排作導體,試驗全部合格。該産品在同年10月中國電器工業協會組織的專家鑒定會上被評價為達到“國際先進水平”。
  (二)在工程項目上的運行
    從2008年起,北京華北長城母線槽有限公司、正泰電氣、江蘇泰宇、江蘇華強等母線槽生産企業相繼做了一百多項銅鋁複合排母線槽工程。這些工程大部分已運行五年,沒有出現任何故障,反映良好。
    2011年至2013年,長城汽車徐水一、二期,天津一、二期,中興汽車,江鈴汽車等12個大型廠房母線槽項目導體全部采用銅鋁複合排。
  (三)在新能源産品中的應用
    風電系統的導電軌、變流器、箱變和光伏系統的逆變器等設備已開始規模應用。
 
八、經濟效益分析
 
  (一)降低導體材料成本
    以電解銅每噸5萬元計算,銅排的密度是8.9,銅鋁複合排密度是3.94。以10x100截面為例,同等界面情況下:銅排每米474.7元,銅鋁複合排每米 255.7元,每米節約成本219元,節約46%。
    同等載流量情況下:銅排每米474.7元,銅鋁複合排每米 307.3元,每米節約成本167.4元,節約35.3%。
  (二) 降低線路能耗
    成套電氣設備中導體傳輸電能的同時也消耗電能,導體截面越大,電阻越小,耗能越小。銅鋁複合排成本比銅排低得多,因此,可以以較低的成本選用較大的截面,減小線路能耗。
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