電工用鋁和鋁合金在電纜工業中的應用與前景

黃崇祺

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

銅、鋁均屬良導體，鋁的導電率僅次于銅，但其比重輕、價格低，所以歷來在國內外的電纜工業中都獲得了廣泛的應用，但兩者的應用比例按各國的實際發展進程而不同。

縱觀世界“以鋁節銅”的歷史長河，根據國情、科技的水平，各國有所不同，走走停停甚至出現反復，但總體是漸進式向前發展的，因此“以鋁節銅”的前景大體上是明朗的。但到底用銅的還是用鋁的電線電纜，應由終端使用的設計和使用者根據綜合技術經濟效果決定。“以鋁節銅”的范疇涉及:(1)以鋁和鋁合金節省銅;(2)以雙金屬節省銅;(3)以廢雜銅直接再生制桿制線，節省原生銅;(4)以電工用廢鋁保級再生利用，節省原生鋁;(5)以光纖代銅。

中國電纜工業“以鋁節銅”的驅動力來自以下幾個方面:(1)行業年用銅量很大，2011年行業銅、鋁用量分別已達484萬噸(約占全世界銅導體產量的1/3)和220萬噸，而且歷來電工用銅都屬高品位的99.95%和99.99%銅。但我國銅礦藏缺乏，且目前回收廢雜銅亦不多，要依靠進口;(2)世界性銅價飛漲嚴重壓縮了線纜產品的利潤空間;(3)經試用證明，確有取得良好技術經濟效果的鋁線纜產品。

導體“以鋁節銅”的含義是指該用銅的線纜產品就用銅，對可用銅或鋁作導體的產品，需經科學實驗，有了實際試用成功的產品，才能應用，反對盲目推廣。

1 現狀

1.1 電工用鋁和鋁合金導體

目前，中國電纜工業年產值已突破9 000億元大關，成為機械行業中僅次于汽車制造業的第二大產業，同時也極大地帶動了銅、鋁等重要原材料產業和上、下游相關產業的快速發展，在國民經濟發展中具有十分重要的作用。

2011年中國電纜工業銅、鋁導體總產量分別為484萬噸和220萬噸，分別約占全國用銅、鋁量的64%和13%，約占全球電線電纜銅導體產量的33%(根據CRU預測，2010年全世界銅導體產量為1 440萬噸);光纖用量約為8 000多萬km。目前中國電纜工業的規模、產量以及增長速度都列世界第一，并正以求質量、求壯實和求穩中向前發展。表1為2011年中國金屬導體“以鋁節銅”進展的概況。

表1 2011年中國金屬導體“以鋁節銅”進展的不完全統計

1.1.1 在架空輸、配電導線中的應用

電工鋁導體——我國鋁礦資源含硅高，不利于電工鋁生產。由我國獨立自主創新開發的“稀土優化綜合處理技術”，現已推廣應用，為我國電工鋁和電工鋁合金導體的生產和產品質量打下了堅實的基礎。

電工鋁合金導體——可生產的品種已包括高強度鋁鎂硅合金、高導電及高強度耐熱鋁合金、鋁鎂合金和8000系鋁合金，中強度等鋁合金亦正在開發之中。

2011年電工用鋁和鋁合金導體的總產量為220萬噸，其使用量和比例如表2、表3所示。

表2 2011年中國金屬裸導體總用量的不完全統計

表3 2011年電工用鋁和鋁合金使用比例

由表2、表3可以看出，電工用鋁和鋁合金導體絕大部分用于架空輸電、配電線路用的架空導線。其中電工用鋁合金在架空導線上的用量還很低，僅占1.4%，更不能和國外兩位數的使用量份額相比。主要原因，一是需方的需求滯后;二是供方的質量不穩定，導致成品率低、價格高。

1.1.2 在電力電纜和電氣裝備線纜上的應用

電工用鋁和鋁合金導體在電力電纜和電氣裝備線纜上的用量還很低，它們的比例分別僅占10%和1.4%。在上世紀60～70年代，在以鋁代銅的方針指引下，一度鋁芯電力電纜和電氣裝備線纜的使用比例達40%左右。當時為了推廣使用鋁芯電纜，對電纜的連接也做了一些研究和推廣應用工作。20世紀80年代改革開放以后，鋁芯電力電纜的使用比例大幅下降，至目前可能10%都不到。其原因:(1)銅價格雖貴一些，但安全可靠，施工方便;(2)從安全可靠的角度出發，使用鋁芯電力電纜的關鍵點是接頭技術及其使用的可靠性，目前國內外鋁芯力纜的連接有氬弧焊、冷壓焊、螺釘(栓)壓緊3種方法，且積累了一些經驗;(3)在城市中，特別是大城市，由于地下敷設空間有限而不用鋁芯電力電纜;(4)國內有些省份設計供電系統時曾發出指令，35 kV以下的鋁芯電力電纜可以使用。

1.1.3 在繞組線上的應用

繞組線主要用于電磁線圈、變壓器和電機等領域。一般電機設計壽命為20年，不考慮用鋁線;變壓器行業是用銅大戶，目前用銅已達40萬噸左右，特別是10 kVA以上的變壓器一般不用鋁線。近些年來，繞組線用鋁和鋁合金線有所增長，主要用于微波爐變壓器、洗衣機電動機、電扇電動機、冰箱壓縮機，特別是在電子變壓器中有著廣泛的使用。

膜包矩形絞和組合膜包矩形絞鋁繞組線在超高壓和特高壓直流輸電中的應用是近年來在該領域的一個創新。它的特點是可節銅、重量輕、價廉，繞組線中的股線電阻均勻、渦流損耗低，可在超高壓和特高壓直流輸電的干式平波電抗器中應用。近些年來，我國通過自主研究設計和試制已成功開發出了用該種鋁繞組線制造的線圈和電抗器。經驗證，該種鋁繞組線已達到了設計和試驗的要求。目前這種電抗器已進入線路實際試用階段。

1.1.4 在通信電纜上的應用

“光進銅退”意味著光纖逐步向用戶端延伸，最終實現光纖到戶和光纖到桌面;銅線纜逐步向用戶端退縮，并最終退網。現在除核心網、城域網尚留有少量銅線纜外，接入網還有70%的銅線纜將被光纖代替(并且已開始進入個域網、片域網)。目前我國接入網用電纜有5億線對 km(年降2.2%)，而光纜只有0.5億纖芯km。個域網線纜組件(電子消費類產品)是個大市場(現全部用銅)，2010年我國電子線纜市場為370.8億元(其中一半為汽車線束)，預計到2015年將達到750億元。

另外，移動網用的射頻銅電纜，用鋁電纜代替已成為現實。

1.2 復合雙金屬導體

復合雙金屬是另一類“以鋁節銅”的導體，我國2011年復合雙金屬的總用量已達25.3萬噸。它們的使用比例如表4所示。

1.2.1 銅包鋁線

銅包鋁線主要在通信線纜(弱電)上應用，2011年和前些年相比已有所增加，在漆包線上應用也略有增加，但在電力類(強電)線纜上的應用看不到有多少突破。國外銅包鋁線的開發比我國早很多，設備也先進，但實際應用情況同樣也沒有突顯佳績，也多半在弱電上應用。

表4 2011年復合雙金屬使用比例

銅包鋁線的質量優劣，從根本上取決于銅、鋁冶金結合的優劣。我國銅包鋁線生產的質量問題，主要在于包覆生產線和原材料鋁合金桿生產的落后，此外，后續拉線工藝和裝備也沒有及時跟進。由此拉出的銅包鋁線斷頭率高、表面露鋁(脫皮)，在使用中產生加速的電化腐蝕而斷線，致使線纜產品使用壽命大減。對此不求技術改進，只求低價競爭的局面必須盡快結束。

為了規范市場，對主要用于屏蔽、通信電纜的音頻和視頻線的《銅包鋁鎂合金線》的行業標準正在制訂之中。

1.2.2 銅包鋁排(母線)

銅包鋁排在國外用流體靜力擠壓法早在幾十年前就已開發，其主要是在開關和絕緣母線槽上應用。近些年來，我國對銅包鋁排的開發有3種方法:銅管鑄鋁成錠—熱軋成型法;銅、鋁冷配合成錠—熱軋成型法;銅鋁冷配合—冷壓—拉制法。銅包鋁排質量的優劣和銅包鋁線一樣取決于銅、鋁的冶金結合。因此，隨著這些方法在工藝、裝備上的完善，生產效率、成材率和利潤率尚有提升的空間。銅包鋁排2011年的產量約0.3萬噸。為了規范市場，“電工用銅包鋁母線”的行業標準已經制訂并上報，待審批發布，主要技術指標如表5所示。

銅包鋁排的主要應用之一是絕緣母線槽，其競爭產品是鋁母排(線)。絕緣鋁母線槽在國外早已應用，在國內由國外進口的絕緣鋁母線槽在大賓館中亦有應用，但目前國產的絕緣鋁母線槽反而不使用。

銅包鋁排和銅包鋁線還有一個同樣的問題需要解決，就是廢舊銅包鋁制品的銅、鋁分離回收問題，至今還沒有找到技術經濟效果和環保效果好的方法。如果銅包鋁大量應用，為了節材，不影響材料再生利用，這個問題是必須解決的。

1.2.3 鋁包鋼線和鋼鋁復合導電軌

(1)鋁包鋼線。近些年來，隨著超高壓架空線路，特別是光纖復合架空地線和高強度大跨越導線的發展，鋁包鋼線的市場旺盛，前景看好。目前鋁包鋼生產線已有41條，2011年產量達11萬噸，單機生產線年產量已達4 000～4 800噸，說明其生產已日趨成熟。

表5 銅包鋁母線的主要技術要求

(2)鋼鋁復合導電軌。在軌道交通中使用的鋼鋁復合導電軌已實現國產化。用鋼鋁復合導電軌代替普通鋼軌對電力機車第三軌移動供電。導電軌由工字形導電鋁合金本體和槽形不銹鋼接觸帶復合而成。它的優點在于導電性好，可節省運行用電30%，不用額外沿線敷設饋電電纜，并可將牽引供電站的設置距離提高2.5倍以上，總投資可降低20%左右;重量輕;以不銹鋼作滑動接觸面磨耗低，壽命可達60年;可靠性比柔性懸掛接觸網高兩個數量級，故障率低，保養簡單，維修方便。

1.2.4 銅包鋼線

2011年全國總產量在3.0萬噸左右，目前其主要應用于弱電場合，如CATV線、廣電線、芯片骨架線、汽車用線等。今后隨著電站接地網、線路避雷線等的改造和應用，在該領域也有它的應用前景。

2 廢雜銅和電工用廢鋁的直接再生利用

電纜工業歷來使用高品位的電解精銅以及99.7E或99.7%鋁經稀土優化綜合處理達電工級別的重熔用鋁。廢雜銅和廢電工用鋁保級再生利用，是與“以鋁節銅”相應的重要方面，它們對節能、環保、城市礦產廢物資源化起著重要的作用。

2.1 廢雜銅直接再生制桿利用

為了規范市場，“電工用火法精煉再生銅線坯”的有色金屬行業標準已經報批，并即將由中華人民共和國工業和信息化部發布。這種優質再生銅桿的主要技術指標如表6、表7所示。

表6 TH1、TH2、TH3牌號銅線坯的化學成分

表7 TH1、TH2、TH3牌號銅線坯的機電性能

2.2 電工用廢鋁的保級再生利用

隨著老的架空線路和農網的改造以及廢舊鋁芯電線電纜的替換，就會產生大量的電工用廢鋁。生產再生鋁的能耗僅為原生鋁的5%，是一項低污染、大幅節能的重要措施。符合質量要求的再生電工鋁桿與用原生鋁生產的電工鋁桿相比，在使用中幾乎具有同樣的效果，這點與再生電工用銅桿是不同的。

電工用廢鋁是比較好的鋁，應該保級利用才能收到較好的技術經濟效果。所謂保級指的是鋁的純度(99.7%鋁)和質量(達到電工鋁桿的技術指標)。為此，廢電工用鋁原料必須經分揀預處理，再熔過程亦必須仔細處理。廢鋁表面往往有油污，精煉除氣必須加強，否則影響可軋性和可拉性。為了保證導電率，對雜質元素必須要有針對性的分別處理。導電率和抗拉強度是互相矛盾的，因此也必須要有針對性的處理。

3 前景

3.1 在架空輸、配電線路上的應用

電工用鋁在架空輸、配電線路上的應用仍為主角，今后仍將量大面廣地應用。目前電工用鋁合金在架空線路上用量只占1.4%，與國外的兩位數百分比相比，相差甚大，今后會不斷增加。這點已和電力部門取得共識，尤其是對中強度鋁合金已提出需求。為了在架空線路上獲得良好的技術經濟指標，由電工用鋁、電工用退火鋁，甚至高純鋁、高強度鋁合金、耐熱鋁合金、鋁包鋼等與碳纖維、鋁基陶瓷纖維、特種鋼線、光導纖維等組合絞制成的架空導線和地線，可以滿足工程的特殊需要。

3.2 在電力電纜及電氣裝備線纜上的應用

電力電纜和電氣裝備線纜芯線用的鋁和鋁合金目前用量甚少，且電壓等級一般都在35 kV以下，低壓電纜占多，應用前景清楚。

國外鋁和鋁合金電纜的用量已達兩位百分數，應用面已涉及低、中、高各個電壓等級。實芯鋁電纜早已大量應用，甚至要求很高的海底實芯電纜，其最大鋁截面已達1 600mm2。國外電纜線芯用的導線，除鋁外，“電工用退火和中間熱處理的8000系鋁合金線”早已在北美洲應用，現在也在中國推廣應用;“具有高導電率和受控抗拉強度和伸長率的鋁合金導線”和“汽車用鋁合金線束”已在日本開發成功。由此可以看出我國鋁芯電力電纜的擴大應用尚留有相當的空間。

2012年1月由上海上纜藤倉電纜有限公司生產的230 kV YJLLW03 1×1 800mm2高壓大截面鋁導體光電復合交聯電纜(電壓230 kV，5分裂鋁導體，截面1 800mm2)，經上海電纜研究所/國家電線電纜質量監督檢驗中心檢測合格，電纜(包括附件)完全符合IEC 6207:2011標準，于當年5月交付巴西供電局使用。這是國內首次高壓電纜用鋁導體代替銅導體，從而打破了國內該類電纜完全依賴銅導體的局面。

至于銅包鋁(線)電力電纜，一度有電纜廠從經濟利益出發自訂企標推行此種電纜。目前既無國標，亦無行標。歸根結底在電力電纜上目前無法推廣的原因有二:一是銅包鋁線制造水平低，用戶對質量擔憂;二是銅包鋁電力電纜和鋁電力電纜是相互競爭的產品，用戶往往寧愿使用更價廉、一樣適合使用的鋁電力電纜而不用銅包鋁電力電纜。

3.3 在航空、汽車領域的應用

鋁和鋁合金、銅包鋼和包覆質量好的銅包鋁線纜的應用，對航空、汽車制造業減輕機(車)身重量、節約能源有重要的作用。A380飛機已首先采用鋁合金芯電纜和薄壁電纜，并且為了方便維護、安裝，已配套開發成功鋁線激光預標志的新方法，并可應用于各種飛機。這種技術和裝備亦適用于汽車中對鋁線連接的預標志。這說明飛機所用裝備用線纜的以鋁節銅已取得了實質性的進展。每架飛機需用許多電氣裝備用線纜，見表8。

3.4 在繞組線上的應用

鋁和鋁合金在繞組線上的應用將會繼續推進，預計我國鋁漆包線除在家用電器上進一步應用外，將在電子變壓器、超高壓和特高壓直流輸電干式平波電抗器中擴大應用。電子變壓器有中頻、音頻、脈沖、電源、片式等多種。中國電子變壓器生產量占世界總產量的20%以上，其中60%供應國際市場。電子變壓器“銅改鋁”已不可逆，深信在新技術、新材料、新工藝的推動下，電子變壓器行業的“銅改鋁”將迎來新的春天;干式平波電抗器每臺需用40多噸鋁繞組線，現以正在開始實施的溪洛渡和糯扎渡兩條輸電線路為例，需44臺這種干式平波電抗器，總計需1 760～2 000噸。隨著我國輸電事業的發展，這種繞組線將展現出美好的前景。

表8 每架飛機需用的電氣裝備用線纜

當前鋁漆包線的應用與銅漆包線相比，后者尚處絕對的優勢，雖然鋁漆包線IEC標準、許多國家標準都對鋁線的性能規定了要求，如EN 60317為典型的歐洲標準，NEMA標準 ANSI/NEMAMW/000—2008為典型的北美標準。為了改進鋁漆包線的性能，國外的研究方向為開發“新一代的鋁合金漆包線”，達到具有高的常溫和高溫機械性能、再結晶溫度，比純鋁線還好的可拉性。

3.5 在通信電纜上的應用

通信領域的電纜市場“光進銅退”和“以鋁節銅”勢不可擋。以前用了15年的時間，把通信領域占行業總用銅量的9%，降到了目前的4.5%，預計再用差不多的時間將把銅用量降低到可預料的最低水平。

移動網用的射頻銅電纜，用鋁電纜代替不僅可以降低成本，而且在安裝、重量、減少能耗等方面也有顯著優勢。事實上，從全球規模商業的情況看，鋁電纜已成為一種可顯著減少固定資產投資，可代替銅電纜的方案。

3.6 在復合雙金屬線上的應用

復合雙金屬線目前在不同領域也有相當的用量。

銅包鋁線仍將在通信電纜(弱電)上擴大應用。國產銅包鋁生產線裝備(特別是包覆生產線)和原材料鋁或鋁合金桿生產落后，影響產品質量和應用，應加快技術升級換代。

銅包鋁排如試用成功，將在絕緣母線槽和開關上擴大應用。由于其產品截面大、重，因此將有相當的節銅量。

鋁包鋼線市場前景看好，將在架空輸電線路的地線、特種導線上擴大應用。

隨著我國軌道交通的發展，已國產化的可除冰的、抗振的、鋼側邊帶燕尾槽的和波紋管膨脹接頭的鋼鋁復合導電軌將在城市軌道交通中擴大應用。

在我國，銅包鋼線的應用在現有的基礎上，將主要擴大至電站接地網、線路避雷線等領域。

4 結束語

(1)電纜工業的“以鋁節銅”是國際趨勢，其進程根據各國的實際情況有所不同，只能隨著科技的發展、人們習慣勢力的改變而漸進式地發展。

(2)當前中國電纜工業擴大鋁的應用，其方向在電工用鋁合金;研究開發電工用鋁合金的實質和基礎在具有真正自主創新的合金桿材、線材和連接附件，而不是絞制的成品導線或芯線;擴大應用體現在材料的品種、性能和質量的穩定性上。

(3)我國電纜工業發展電工用鋁和鋁合金，有技術潛力，但生產裝備急需升級換代，否則將影響產品質量和推廣應用。

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