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烟台市瑞奇金属制品有限公司
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我国目前铜铝复合排的应用和需求状况

一、铜铝复合排应用领域
 
    铜铝复合排作为大电流导体材料,主要用于电控、配电等设备。配电设备包括:中低压成套开关设备、箱式变电站、中压封闭母线、低压母线槽、变压器、电抗器等。电控设备包括:风电光伏等新能源控制设备;通讯、电解、电镀等电源设备;石油钻机、冶炼等石化炼油控制设备;矿井提升、各种调速控制设备等传动控制设备及轧机等冶金控制设备。配电设备广泛应用于高层建筑、现代化工厂、商业广场、轨道交通等国民经济各个行业的供电。电控设备广泛应用于制造行业各种机器设备的运行控制。

二、铜铝复合排需求分析

    1、配电设备
    低压成套开关设备全国有规模的的生产企业超过1000家,2012年中国电器工业协会电控配电设备分会统计了上报的102家资料:换算到1000家,低压开关柜480万面(1622亿元),母线槽1246万米(337亿元),每面低压柜平均用铜120kg,折合铜铝复合排60kg,480万面需复合排约29万吨。每米母线槽平均用铜30kg,折合成复合排约16.8kg,1246万米需复合排21万吨。低压配电设备共需50万吨。中压配电设备需求量约是低压的20-25%,因此,中压配电设备年需铜铝复合排也有10万吨。高低压配电设备需铜铝复合排合计约60万吨。
    我国每年新增装机容量1亿kW,需中压开关柜100多万面,低压开关柜500万面左右,母线槽2010年产值超300亿元,与上述统计基本吻合。
    2、电控设备
    风电、光伏等新能源控制设备是正在发展的行业,对导体的需求量越来越大。城市轨道交通发展也非常迅速,全国36个城市线网规划和建设规划已获批,也会增大铜铝复合排需求量。电控设备年需铜铝复合排在10万吨以上。
    两项合计,年需铜排约140万吨。若全部替代,铜铝复合排约需70万吨,用铜31.5万吨,可节铜 108.5万吨,增加用铝38.5万吨。
 
三、国家各行业大力支持铜铝复合排发展
 
    有色、电器、电力、建设、机械等行业和产品认证、标准部门为铜铝复合排的推广应用做出了很大的贡献。
    (一)有色金属工业协会
    2007年,对铜铝复合排组织了科技成果的专家鉴定。2012年组织了铜铝复合排产业化生产线的专家鉴定,该协会利用各种场合对铜铝复合排进行宣传推荐。
    (二)电器工业协会
    2010年,组织制订了中国电器工业协会标准CEEIA B220-2010《电工用铜铝复合母线》,对铜铝复合母线的推广起了重要作用。2008年至2011年在全国联合设计的GCK2低压开关设备、24kV箱变、新型节能母线槽中都选用铜铝复合母线做导体。试验成功后,先后三次组织专家鉴定会,对成套开关设备中采用铜铝复合母线给予了极高的评价。
    电缆分会(上海电缆研究所)进行了“铜铝复合母线的应用技术研究”并进行了大量试验,包括可靠性试验验证。
    (三)电力企业联合会
    组织制订了电力行业标准DL/T247-2012《输变电设备用铜包铝母线》,组织了铜铝复合母线的《中国电力认证》。有些供电公司还发了文件,在该地区推广铜铝复合排母线槽。
    (四)国家住建部
    中国建筑标准设计研究院编制了设计参考图集《铜铝复合母线》。中国航空工业规划设计研究院组织九大设计院编制的《工业与民用配电设计手册》第四版增加了铜铝复合母线设计选型的内容。
    中国建筑设计研究院、航空院、航天院、中元国际等住建部十多家大型设计院举办了铜铝复合母线的设计选型技术交流会。
    (五)国家机械系统
    机械系统已有十个设计院举办了铜铝复合母线的设计选型技术交流会,并已在上百个工程项目设计中选用了铜铝复合母线,取得了显著成效。例汽车、石油、铁路行业等建设工程中母线槽都选用了铜铝复合排作导体,部分项目已经投入运行。
    (六)国家质量认证中心
    在铜铝复合母线的“CQC”认证及下游产品低压成套开关设备、母线槽的3C认证工作中做了大量工作,给予了大力支持。
    (七)国家标准委
    铜铝复合母线是电工材料,其标准归口是全国裸电线标委会,已编制颁布的行业标准有能源行业标准NB/T42002-2012和机械行业标准JB/T11599-2013《电工用铜包铝母线》。全国架空线路标委会组织制定了电力行业标准DL/T247-2012《输变电设备用铜包铝母线》。
    国家有关部门、行业领导专家和相关企业大力支持铜铝复合母线行业的发展,将有利于扩大铝应用,节约铜资源,实现以铝节铜,对我国有色金属资源的综合利用具有重要意义。

四、铜铝复合排应用技术
 
    铜铝复合排是电工材料,应用在电控、配电设备领域,因此应用技术研究是推广应用的关键。
   (一)用户最关心的问题
    1、铜铝复合母线的使用可靠性,使用寿命能否满足成套电气设备的要求。
    2、两种材料热涨系数差别较大,铜铝复合母线能否承受热胀冷缩产生的应力。
    3、铜铝复合母线与铜母线两种导体的载流量如何换算。
    4、能否承受短路电流产生的动、热冲击,动、热稳定设计时怎么校验。
    5、采用什么设备进行冲孔、折弯、剪切加工,加工中铜铝结合面能否保持完好;表面能否焊接,端面如何保护等等。
    用户提出的这些问题就是应用技术研究要解决的问题。
  (二)应用技术的研究
    1、根据用户提出的可靠性、热胀冷缩应力的影响、加工方法等问题导出了铜铝界面结合强度的概念、定义、表达方法、参数的要求、测试方法等。通过大量试验,得出了影响界面结合强度的各种因素,确定了正确的生产工艺流程。确定了界面结合强度的最低要求。
    2、铜铝复合排导电性能的研究,根据配电设备的结构要求,成本的要求,确定了铜层体积比的最佳比例参数。还测定了铜铝复合排典型规格的载流量,制订了载流量表,填补了国内空白。
    3、进行了铜铝复合排机械性能的研究,确定了抗拉强度、延伸率等参数,进一步确定了它的弯曲性能和加工工艺。以上这些都为制定产品标准和推广应用奠定了基础,准备了资料。依据这些研究成果,已制定了电力、能源、机械三个行业标准。
    4、铜铝复合母线的下游产品低压成套开关设备、母线槽都要进行国家强制性认证。为此,国家电控配电设备质量监督检验中心(天津),国家节能产品质量监督检验中心(济南)对采用铜铝复合排的低压成套开关设备进行了3C型式试验,已取得3C证书的企业有400多家。低压开关柜有GGD、GCK、GCS、MNS等;母线槽有长城母线槽公司的CCX168SJ,全国联合设计的CMLJ、CKLJ、CFLJ等母线槽生产企业的产品。
    5、为了在成套电气设备中推广应用铜铝复合排,并严格控制其质量,国家认监委TC24工作组立项研究“铜铝复合排在低压成套开关设备中的应用”。中国质量认证中心(CQC)颁布了“铜铝复合母线CQC认证实施细则”。通过了CQC认证的铜铝复合母线,就可用于强制性认证的下游产品中作导体。
    6、为设计院设计选型铜铝复合母线作导体提供依据,中国建筑标准设计研究院编辑出版了《铜铝复合母线》设计参考图集,内容包括铜铝复合母线的型号、规格、加工、安装指导、载流量及铜铝复合导体母线槽等资料,该图集2013年7月出版。正在修订的第四版《工业与民用配电设计手册》也将铜铝复合母线的设计选型资料列入其中。
 
五、铜铝复合排可靠性试验验证
 
(一)电控配电设备对导体材料的要求
   1、性能要求:满足温升和短路状态下的动、热稳定;
   2、使用环境要求:最高、最低温度、湿度、海拔高度等;
   3、加工要求:正常的剪切、冲孔、折弯不破坏铜铝结合面;
   4、使用可靠性和寿命的要求;
   5、电控配电设备所需导体截面从3x30到12x200,需一百多种规格,如规格不全无法满足用户选用需求。
    铜铝复合母线作为导体用于电控配电设备,首先必须满足以上基本要求。在这个前提下,成本越低越好,也就是说,工艺流程越短越好,生产效率越高越好。
    经理论分析和试验验证,无论是铜排还是铜铝复合排,只要截面积选择合适,都可以满足性能要求。要满足使用环境和加工的要求,铜铝复合排的界面结合强度、铜层体积比必须达到行业标准。至于使用可靠性和寿命必须通过试验来验证。
(二)使用可靠性和寿命试验
   1、热胀冷缩应力的试验
     对不同规格的铜铝复合排进行了0—200℃,100次热循环试验。界面结合强度没有降低,这说明200 ℃温差热胀冷缩产生的应力破坏不了它,成套电气设备正常使用温度超不过110℃,因此使用是安全的。
   2、可靠性和电气寿命试验验证
    为了验证铜铝复合排的电气寿命,上海电缆研究所依据GB/T9327《额定电压35kV(Um=40.5kV)及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具试验方法和要求》对HT-TLMY铜铝复合排做了1000次热循环试验,电阻比率和离散度都满足标准要求,结果完全合格。 (机械工业电工材料及特种线缆产品质量监督检验中心,报告编号MTN2010-0242)。
    这说明在整个试验后,铜铝复合排的材质没有发生变化。该试验历时8个多月,充分证实了铜铝复合排的使用寿命满足标准要求。
    有色金属加工、电控配电设备、电工材料三个行业权威检测机构的检测和可靠性试验验证结果证实了铜铝复合排完全满足电控、配电设备的要求。
 
六、铜铝复合排料头再生和循环利用
 
    铜铝复合排在加工过程中产生的料头如不能回收、分解再利用,不但不能为国家节约材料,反而会造成浪费。这是铜铝复合排推广应用的最大障碍。行业内在产品研发初期就意识到了这个问题,经过近几年的研发,成功研究了铜铝复合排的料头分解工艺,分解出的铜和铝循环使用,解决了铜铝复合材料行业共同面临的问题。
    铜铝复合母线的推广应用刚开始,要取得实质突破,最大限度的替代铜排,还需要解决很多问题。比如,电力部门的认可和推广,3C认证还要做大量试验等等,要解决这些问题需要行业内生产企业共同努力,协同作战,同时要得到**及有关部门的大力支持。只有这样,铜铝复合材料行业才能获得快速发展。
 
七、在成套电气设备中的应用案例
 
  (一)在全国联合设计产品中的应用
    中国电器工业协会电控、配电设备分会组织了三次成套电气设备全国联合设计,全部采用铜铝复合排作导体。
    2008年组织了GCK2低压柜的联合设计,4000A三面样机导体全部采书。在鉴定会上专家对低压开关设备采用铜铝复合排作导体给予了极高评价。
    2011年全国联合设计的新型节能母线槽产品中,空气型400A-2000A、密集型2500A-7200A试验样机全部采用华铜复合排作导体,试验全部合格。该产品在同年10月中国电器工业协会组织的专家鉴定会上被评价为达到“国际先进水平”。
  (二)在工程项目上的运行
    从2008年起,北京华北长城母线槽有限公司、正泰电气、江苏泰宇、江苏华强等母线槽生产企业相继做了一百多项铜铝复合排母线槽工程。这些工程大部分已运行五年,没有出现任何故障,反映良好。
    2011年至2013年,长城汽车徐水一、二期,天津一、二期,中兴汽车,江铃汽车等12个大型厂房母线槽项目导体全部采用铜铝复合排。
  (三)在新能源产品中的应用
    风电系统的导电轨、变流器、箱变和光伏系统的逆变器等设备已开始规模应用。
 
八、经济效益分析
 
  (一)降低导体材料成本
    以电解铜每吨5万元计算,铜排的密度是8.9,铜铝复合排密度是3.94。以10x100截面为例,同等界面情况下:铜排每米474.7元,铜铝复合排每米 255.7元,每米节约成本219元,节约46%。
    同等载流量情况下:铜排每米474.7元,铜铝复合排每米 307.3元,每米节约成本167.4元,节约35.3%。
  (二) 降低线路能耗
    成套电气设备中导体传输电能的同时也消耗电能,导体截面越大,电阻越小,耗能越小。铜铝复合排成本比铜排低得多,因此,可以以较低的成本选用较大的截面,减小线路能耗。
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