解决铝合金电缆连接点的发热和抗氧化性技术方案
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Abstract: aluminum alloy cable connection point oxidation and heat cause analysis, and the properties of aluminum alloy material, ultra high pressure coefficient of aluminum alloy conductor, nano mold, the thickness of insulation, aluminum alloy cable terminal proposed technical solutions.
摘要：就铝合金电缆连接点氧化和发热原因分析，并在铝合金材料性能、超高紧压系数铝合金导体、纳米模具、标准规定、铝合金电缆专用终端提出技术解决方案。
关键词：铝合金电缆连接性、超高紧压系数铝合金导体、提高企业标准、电缆终端
近三年来，上海摩恩电气股份有限公司对铝合金电缆做了大量的研发工作，主要在住宅建筑设计、商业地产、体育馆、教育系统、钢铁、风力发电等行业进行了使用和试用。从目前各方面技术参数看，铝合金运行可靠，可以达到铜芯电缆主要技术指标。但是，目前国内少数的客户对铝合金电缆存在疑虑，关注重点是铝合金电缆的连接处氧化、发热和连接点易松动的弱点。因为连接点稳定性也决定了系统的稳定性。主要是受到铝芯电缆存在的缺陷的影响以及对铝合金电缆缺乏了解，铝芯电缆的连接处的腐蚀性主要问题是：第一，抗蠕变性能差，长期通电运行，接触电阻增大导致发热，有可能形成故障点。二，没有使用专用的铜铝过渡接头及相关附件，导致铝和铜之间发生电化学腐蚀。
影响铝合金电缆连接性的主要因素是导体材的电气性能和机械性能、导体紧压系数、电缆终端接头、施工水平、绝缘水平等，根据目前的施工水平，我们主要采取了以下措施：首先， 导体材料选择AA8030铝合金。国内AA8000铝合金材料标准正在起草中，所以，大部分厂家AA8030系列铝合金是参照ASTM B800的规定，它是在电工纯铝的基础上，添加了铜、铁、锌、镁、硅、硼元素，元素含量详见表1
硅元素熔点为1687℃，铜元素熔点为1083℃，铁元素熔点为1535℃，硼元素的熔点为2300℃，镁元素熔点为649℃，锌元素的熔点仅为419.5℃。元素熔点相差甚大，且所占合金的质量百分小，以AA8030为例，六种元素占质量百分比仅为1.34%，所以元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程。元素的溶解与其性质有密切关系，受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在铝液中的扩散速度控制。通常与铝形成易熔共晶的元素容易溶解；与铝形成包晶转变的，特别是熔点相差很大的元素难于溶解。如Al－Mg、Al－Zn、Al－Cu、为共晶型合金系，其熔点与铝也较接近，合金元素较容易溶解，在熔炼过程中可直接添加铝熔体中；但Al－Si、Al－Fe等合金系虽也存在共晶反应，由于熔点与铝相差较大，溶解很慢，需要较大的过热才能完全溶解。这些元素改变铝的晶格结构，成为铝合金材料。也就是说，目前，国内较多厂家冶炼方法达不到AA8030铝合金电气和机械性能。
微量元素的作用主要体现在以下几个方面：铜调节抗拉强度、导电率和耐热性；铁增强了抗蠕变性能，镁具有提高抗拉强度，增加有效接触面积；硼具有改善在熔炼、铸造、焊接和挤压加热过程中的氧化问题。
由于六种元素的作用使电工铝合金性能发生了较大的变化，尤其提高铝合金连接点的抗氧化性能，主要表现在以下几点：
抗蠕变性能
在运行条件下，电磁力会在导线上形成一定的应力负荷，因而，在一定负荷下的导线接头，要有好的蠕变特性和可靠性是很重要的。铝合金的特殊合金配方与热处理工艺大大减少了金属在受热和压力的“蠕变”倾向。与纯铝电缆相比，抗蠕变性与压紧性提高300%，特别是当导体退火时，添加的铁产生高强度抗蠕变性能，即使在长时间过载和过热时，也能保证连接稳定性。
连接性能
铝合金的热膨胀系数比铜略高，它比铜膨胀或收缩更多一点。因此，铝电缆不能用铜连接器来连接。多年来，铝连接器一直可靠地用于铜和铝导体。由于当今使用的大部分电气连接器都是用铝制造的，这尤其适合铝合金导体。这时，导体与连接器的膨胀和收缩完全一致。采用铜铝过渡端子作为合金导体与接线铜排的连接方式，充分考虑到铜铝连接的安全性，易用性和稳定性。
防腐性能
铝材固有的防腐性能，缘自当铝表面与空气接触时，会立即形成2×10-4薄而坚固的氧化层。这种氧化层特别耐受各种形式的腐蚀。腐蚀的产生通常与不同的金属在潮湿环境中接触有关，可采取相应的保护措施来防止腐蚀的发生，比如使用润滑油、抗氧化剂和保护涂层。
柔韧性：
铝合金导体比铜柔韧得多，而且不象铜那样容易“变形反弹”。铝合金有很好的弯曲性能，因此更容易进行端子连接。合金电缆的反弹性能比铜电缆少40%，在室温条件下将铜电缆与合金电缆弯曲90度，应力释放后，电缆的平均反弹角度如图所示：
第二，高紧压绞合导体是提高铝合金电缆连接点的抗氧化性的关键
普通绞线一般是正规同心绞合导体，主要弊端是导体紧压系数仅为82%～88%，个别的可以达到90%。当铝合金端子在长期通电作用下发生蠕变，由于单丝间缝隙大，导致端子与导体间连接不紧固，原来的紧压力不够，使得接触电阻迅速增大，电流流过后造成接头处过热，如果不定期维修，就会引发断路、火灾事故。
上海摩恩电气股份有限公司引进目前国际最先进的、国内第一家引进的铝合金导体专用生产线，采用具有自主知识产权的异型铝合金导体结构，使紧压系数达到95%～97%，在国内属于首创。
导体截面图详见图1。普通圆形紧压导体与新异形超高紧压绞合导体性能对比见表２。
图1 普通圆形紧压导体截面图 新异形超高紧压绞合导体截面图
通过上述对比可知，新异型超高紧压绞合导体能最大极限实现导体紧压，使绞合导体线芯如实心导体一般，因此导体连接非常紧密，提高了连接的稳定性。当导体通电时，根据集肤效应原理，导体电流主要是在绞线外围传输，由于绞线外围光滑，单丝之间缝隙小，单丝由原来的圆形变为梯形型，接触点的有效接触面积增大，接触点增加，则收缩电阻减小，接触电阻也减小。所以，在导体截面相同的情况下，异形高紧压系数铝合金导体能提高导电性能和连接的稳定性，同时，导线外围电场均匀，提高绝缘水平，提高产品质量，延长电缆使用寿命。
第三，采用纳米金刚石复合涂层拉拔模具，显著提高绞线表面光洁度，改善连接稳定性
采用纳米金刚石复合涂层紧压模，使导体表面呈现镜面般的光亮，外径均匀，可改善电场分布的均匀状况，提高电缆的绝缘水平，从而延长了电缆使用寿命。
第四、根据目前国内电缆敷设安装现状，提高提高企业标准。
为了保证电缆有良好的弯曲和柔性性能，通常自锁铠装电缆没有填充和内护套。根据目前国内施工队伍文化水平不高，经常出现由于施工不当造成电缆擦伤、损坏现状，上海摩恩公司制定企业标准，高于同等国家标准水平，以提高电缆质量，延长电缆的使用寿命，以适用于因施工因素造成损伤。
第五，选用专用的铝合金电缆终端
由于铜和铝合金之间存有电位差，易产生电化学腐蚀，因此，应采用铝合金电缆专用的铜缆过渡端子，安装压接端子工序应符合10CD106《铝合金电缆敷设与安装》的规定。
结论
综上所述，在受到铝芯电缆存在的缺陷的影响以及对铝合金电缆缺乏了解的前提下，担心铝合金电缆连接氧化和接触发热。事实上，通过选择AA8030铝合金材料、超高紧压系数铝合金导体、提高标准水平、采用专用铝合金专用终端，经实践证实表现可靠。铝合金电缆是铜芯电缆的最佳替代品，不但可以降低工程造价、减少施工难度，同时为国家节约资源，造福子孙后代。目前，去年国内不少厂家在铝合金材料中增加了稀土元素，从理论上看，铝合金增加了稀土后的机械加工性能和电气性能都会有所改善，但是，到目前为止，缺少大量使用数据证明，稀土铝合金电缆能达到AA8030材料电气和机械性能，而AA8030在国外已使用近40年，大量的试验和使用数据证明是安全可靠的。
参考文献
[1] ICEA S-81-570 Setion7.1 Flexure and Appendix E on Flexure Test Set-up.
[2] ASTM B800 Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wire for Electrical Purposes―Annealed and Intermediate Tempers
[3]上海电缆研究所《金属导体及其应用》黄崇祺编著，2007年8月
[4] 《金属学原理》余永宁编，北京，冶金工业出版社2000
[5] 中国建筑标准设计研究院，10CD106《铝合金电缆敷设与安装》2010年12月
