銅包鋁母線的載流性能研究

蔡西川， 顧榮榮（上海電纜研究所，上海200093）

銅包鋁母線的載流性能研究

蔡西川， 顧榮榮
（上海電纜研究所，上海200093）

試驗研究了不同銅層體積比的銅包鋁母線的穩態載流量。研究結果表明，當銅層體積比由零增大至20%左右時，銅包鋁母線的穩態載流量顯著增大；銅層體積比繼續增大時，銅包鋁母線的穩態載流量緩慢增大。銅包鋁母線的穩態載流量隨母線寬度和厚度的增加而增大，其變化為線性的。寬厚比大的銅包鋁母線因其具有較大的散熱表面而表現出更大的載流能力。

銅包鋁母線；載流性能；銅層體積比；寬厚比

0　引言

銅包鋁母線是除銅母線和鋁母線之外的一種大截面復合導體，其典型結構是鋁芯為基體，銅層完全包覆在鋁基體表面。銅包鋁母線作為一種復合材料載流導體，廣泛應用于開關柜、母線槽等輸配電設備中。由于這些輸配電設備的電流輸送容量較大，一般都在幾千安培以上，因此這些設備對載流母線的首要要求就是能夠輸送較大電流，保證這些設備在輸送大容量電流時，設備的部件溫升不會過高、結構及支撐材料不被破壞等。

銅包鋁母線作為一種新型載流導體，其載流能力與純銅母線及鋁母線有較大差異。在一些標準及出版物中已提供了典型規格的銅母線以及鋁母線的載流量值，但未給出銅包鋁母線的載流量值。本文將從試驗研究的角度出發，對典型規格銅包鋁母線的穩態載流量值進行測量和歸納分析，并對銅包鋁母線載流能力的影響因素進行探討，以期為下游設計單位和用戶提供參考。

考慮到影響導體載流能力的因素眾多，包括導體材料、結構、外部環境、敷設狀態等，本文在試驗研究時將主要針對復合導體材料本身的差異，對不同材質組成及結構差異的銅包鋁母線的載流性能進行比較試驗研究。試驗時，所有母線的外部環境條件及敷設狀態保持一致，對母線加載電流，在溫升相同的條件下記錄穩態載流量值。

1　銅層體積比對銅包鋁母線載流性能的影響

影響導體載流性能的最直接因素即為材料本身。導體電阻越大，在導體通過相同電流時，導體自身產生的熱量也就越大，在外部散熱條件一致時，導體的溫升就越高，而反映出的載流能力也就越小。銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導體材料組成，銅在20℃的電阻率為0.017 241Ω·mm2/m，即100% IACS；鋁在20℃的電阻率為0.028 264Ω·mm2/m，即61%IACS。在銅包鋁母線中，銅含量越高，銅包鋁母線的電阻越小，導電性能越高。在銅包鋁母線行業中常用銅層體積比來表示母線中銅的含量，目前國內外大量使用的銅包鋁母線的銅層體積比范圍為15%～25%［1-2］。從理論上分析，復合母線的導電率（%IACS）與銅層體積比是呈線性關系的。

本文在試驗研究時，首先進行了相同規格不同銅層體積比銅包鋁母線的載流量比較試驗。選用的母線規格為6 mm×80 mm（厚度×寬度），除選用不同銅層體積的銅包鋁母線外，還選擇了相同規格的銅母線（相當于銅層體積比為100%）和鋁母線（相當于銅層體積比為0）進行對比試驗。

表1是在規格相同，單根母線平放，不同銅層體積比的母線溫升為50K時的穩態載流量值。圖1是相同規格母線的穩態載流量值隨銅層體積比的變化曲線。

表1　不同銅層體積比的母線溫升50K時的穩態載流量值

圖1　母線穩態載流量隨銅層體積比的變化曲線

從表1和圖1中可以看出，相同規格母線的穩態載流量值隨銅層體積比的增加而增大。從母線材料本身來看，銅層體積比增大，母線的電阻率降低，導電率提高，電流通過導體時產生的熱量降低，母線載流能力提高。從圖1的變化曲線來看，母線50 K時的穩態載流量值與銅層體積并非呈線性關系，這與導電率與銅層體積比的關系是不同的。當母線材料由純鋁變為帶有包覆銅層的復合母線時，由于帶有銅包覆層的復合母線黑度系數要高于鋁材質，其表面散熱狀況發生了根本的改變，復合母線的載流量有顯著增加；但當銅層體積比繼續增加時，母線的載流能力僅呈現緩慢增加。

從圖1中還可以看出，在銅層體積比由0增大至100%過程中，銅層體積比為20%左右時，母線的載流能力出現一個較為明顯的拐點。根據表1中的數據，20%銅層體積比的母線在50 K溫升時的載流量已達到純銅母線的97.8%。由于銅包鋁復合母線有多種不同制備工藝，每種工藝制備的母線銅層體積比并不一致，而且銅層體積比也直接決定了復合母線的材料成本，因此銅層體積比的選擇和規定一直以來是困擾銅包鋁母線行業發展的最重要問題。結合圖1復合母線穩態載流量隨銅層體積比的變化曲線來看，銅層體積比選擇在20%左右時是合理的，因為繼續增大銅層體積比時，復合母線的材料及加工成本會有較大提高，但復合母線的載流能力僅有緩慢增加。

2　寬度對銅包鋁母線載流性能的影響

在開關柜及母線槽中，有眾多不同規格的母線可供選擇。本文選擇銅層體積比為20%、厚度為6 mm、寬度在60～160 mm范圍內的銅包鋁母線進行試驗研究。表2是在母線采取單根平放方式，外部環境一致條件下，母線溫升50 K時的穩態載流量值。圖2是溫升50 K時穩態載流量隨母線寬度的變化曲線。

表2　不同寬度的母線溫升50K時的穩態載流量值

圖2　溫升50 K時母線穩態載流量隨寬度的變化曲線

從圖2可看出，在厚度一致的條件下，銅包鋁母線的穩態載流量值隨寬度的變化呈近似線性關系。電流通過母線時，導體自身產生熱量致使其溫度上升，當母線自身產生的熱量與表面散熱量相等時，導體在某一加載電流條件下達到平衡狀態，其溫度保持不變。在銅層體積比相同的條件下，隨著母線寬度增加，導體發熱量和表面散熱量也呈比例增大，因此，母線的穩態載流量也隨母線寬度呈線性增大。

3　厚度對銅包鋁母線載流性能的影響

選擇銅層體積比為20%、寬度為100 mm、厚度在6～12 mm范圍內的銅包鋁母線進行試驗，研究銅包鋁母線載流性能與厚度之間的關系。表3是在母線采取單根平放方式，外部環境一致條件下，母線溫升50 K時的穩態載流量值。圖3是溫升50 K時穩態載流量隨母線寬度的變化曲線。

表3　不同厚度的母線溫升50K時的穩態載流量值

圖3　溫升50 K時母線穩態載流量隨厚度的變化曲線

從圖3可看出，在寬度一致的條件下，銅包鋁母線的穩態載流量值隨厚度的變化也呈近似線性關系。從理論上分析，這與母線載流量隨寬度變化的規律是一致的。當銅層體積比一定時，母線厚度增加，母線產生的熱量和表面散熱量均呈比例增大，因此母線在溫升50 K時的穩態載流量隨著厚度增加呈線性增大。

4　導體截面形狀對銅包鋁母線載流性能的影響

在開關柜和母線槽中可選擇不同寬厚比的母線，本文在試驗時對兩種常用的截面積相等、不同寬厚比的母線進行載流量試驗對比研究。這兩種母線的規格分別為6 mm×80 mm（厚度×寬度）和8 mm×60 mm（厚度×寬度），銅層體積比為20%。表4是母線采取單根平放方式，在外部環境一致條件下，溫升50 K時的穩態載流量值。

表4　不同寬厚比母線溫升50 K時的穩態載流量

對于表4中兩種規格的母線，在銅層體積比相同的條件下，具有相同電阻，通過相同電流時，其導體的發熱量是相同的。比較表4中的數據可以看出，寬厚比較大的母線（6 mm×80 mm）載流能力是寬厚比較小母線（8 mm×60 mm）的1.12倍。這表明寬厚比較大的母線具有更好的散熱效果，其原因在于寬厚比較大的母線具有更大的散熱面積。因此，在開關柜和母線槽選擇設計時，可優先選擇寬厚比較大的母線。

5　結 論

（1）銅包鋁母線的穩態載流量隨銅層體積比的增大而增大。當銅層體積比由0增至20%時，母線的載流量顯著增大；銅層體積比繼續增加時，母線的載流量緩慢增大。

（2）厚度相同時，銅包鋁母線的穩態載流量隨母線寬度的增大呈線性增大；寬度相同時，銅包鋁母線的穩態載流量隨母線厚度的增大呈線性增大。

（3）相同體積比、同等截面積的銅包鋁母線穩態載流量與導體截面形狀有關，寬厚比較大的母線具有更大的載流能力。

［1］ JB/T 11599—2013 電工用銅包鋁母線［S］.

［2］ DL/T 247—2012 輸變電設備用銅包鋁母線［S］.

Research of Current Carrying Capacity of Copper-Clad-Aluminum Bus Bar

CAIXi-chuan，GU Rong-rong
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

ExPerimentwas carried out to study the current carrying caPacity of different volume ratioof coPPer layerof coPPer-clad-aluminum bus bars.Research results show thatwhen the volume ratio of coPPer layer increases from zero to about20%，the current carrying caPacity ofbus-bars increases significantly.When the volume ratio of coPPer layer continues to increase，the currentcarrying caPacity of bus-bars increasesslowly.The current carrying caPacity of coPPer-clad-aluminum bus bars increased with the increase of width and thickness，the change is linear.Because of larger radiating surface，current carrying caPacity of bus-barwith larger flakiness ratio is greater than smaller flakiness ratio ones.

coPPer-clad-aluminum bus bar；current carrying caPacity；volume ratio of coPPer layer；flakiness ratio

TM244.3

A

1672-6901（2016）02-0004-03

2015-11-17

蔡西川（1980-），男，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.