电工用铝和铝合金在电缆工业中的应用与前景

黄崇祺

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

铜、铝均属良导体，铝的导电率仅次于铜，但其比重轻、价格低，所以历来在国内外的电缆工业中都获得了广泛的应用，但两者的应用比例按各国的实际发展进程而不同。

纵观世界“以铝节铜”的历史长河，根据国情、科技的水平，各国有所不同，走走停停甚至出现反复，但总体是渐进式向前发展的，因此“以铝节铜”的前景大体上是明朗的。但到底用铜的还是用铝的电线电缆，应由终端使用的设计和使用者根据综合技术经济效果决定。“以铝节铜”的范畴涉及:(1)以铝和铝合金节省铜;(2)以双金属节省铜;(3)以废杂铜直接再生制杆制线，节省原生铜;(4)以电工用废铝保级再生利用，节省原生铝;(5)以光纤代铜。

中国电缆工业“以铝节铜”的驱动力来自以下几个方面:(1)行业年用铜量很大，2011年行业铜、铝用量分别已达484万吨(约占全世界铜导体产量的1/3)和220万吨，而且历来电工用铜都属高品位的99.95%和99.99%铜。但我国铜矿藏缺乏，且目前回收废杂铜亦不多，要依靠进口;(2)世界性铜价飞涨严重压缩了线缆产品的利润空间;(3)经试用证明，确有取得良好技术经济效果的铝线缆产品。

导体“以铝节铜”的含义是指该用铜的线缆产品就用铜，对可用铜或铝作导体的产品，需经科学实验，有了实际试用成功的产品，才能应用，反对盲目推广。

1 现状

1.1 电工用铝和铝合金导体

目前，中国电缆工业年产值已突破9 000亿元大关，成为机械行业中仅次于汽车制造业的第二大产业，同时也极大地带动了铜、铝等重要原材料产业和上、下游相关产业的快速发展，在国民经济发展中具有十分重要的作用。

2011年中国电缆工业铜、铝导体总产量分别为484万吨和220万吨，分别约占全国用铜、铝量的64%和13%，约占全球电线电缆铜导体产量的33%(根据CRU预测，2010年全世界铜导体产量为1 440万吨);光纤用量约为8 000多万km。目前中国电缆工业的规模、产量以及增长速度都列世界第一，并正以求质量、求壮实和求稳中向前发展。表1为2011年中国金属导体“以铝节铜”进展的概况。

表1 2011年中国金属导体“以铝节铜”进展的不完全统计

1.1.1 在架空输、配电导线中的应用

电工铝导体——我国铝矿资源含硅高，不利于电工铝生产。由我国独立自主创新开发的“稀土优化综合处理技术”，现已推广应用，为我国电工铝和电工铝合金导体的生产和产品质量打下了坚实的基础。

电工铝合金导体——可生产的品种已包括高强度铝镁硅合金、高导电及高强度耐热铝合金、铝镁合金和8000系铝合金，中强度等铝合金亦正在开发之中。

2011年电工用铝和铝合金导体的总产量为220万吨，其使用量和比例如表2、表3所示。

表2 2011年中国金属裸导体总用量的不完全统计

表3 2011年电工用铝和铝合金使用比例

由表2、表3可以看出，电工用铝和铝合金导体绝大部分用于架空输电、配电线路用的架空导线。其中电工用铝合金在架空导线上的用量还很低，仅占1.4%，更不能和国外两位数的使用量份额相比。主要原因，一是需方的需求滞后;二是供方的质量不稳定，导致成品率低、价格高。

1.1.2 在电力电缆和电气装备线缆上的应用

电工用铝和铝合金导体在电力电缆和电气装备线缆上的用量还很低，它们的比例分别仅占10%和1.4%。在上世纪60～70年代，在以铝代铜的方针指引下，一度铝芯电力电缆和电气装备线缆的使用比例达40%左右。当时为了推广使用铝芯电缆，对电缆的连接也做了一些研究和推广应用工作。20世纪80年代改革开放以后，铝芯电力电缆的使用比例大幅下降，至目前可能10%都不到。其原因:(1)铜价格虽贵一些，但安全可靠，施工方便;(2)从安全可靠的角度出发，使用铝芯电力电缆的关键点是接头技术及其使用的可靠性，目前国内外铝芯力缆的连接有氩弧焊、冷压焊、螺钉(栓)压紧3种方法，且积累了一些经验;(3)在城市中，特别是大城市，由于地下敷设空间有限而不用铝芯电力电缆;(4)国内有些省份设计供电系统时曾发出指令，35 kV以下的铝芯电力电缆可以使用。

1.1.3 在绕组线上的应用

绕组线主要用于电磁线圈、变压器和电机等领域。一般电机设计寿命为20年，不考虑用铝线;变压器行业是用铜大户，目前用铜已达40万吨左右，特别是10 kVA以上的变压器一般不用铝线。近些年来，绕组线用铝和铝合金线有所增长，主要用于微波炉变压器、洗衣机电动机、电扇电动机、冰箱压缩机，特别是在电子变压器中有着广泛的使用。

膜包矩形绞和组合膜包矩形绞铝绕组线在超高压和特高压直流输电中的应用是近年来在该领域的一个创新。它的特点是可节铜、重量轻、价廉，绕组线中的股线电阻均匀、涡流损耗低，可在超高压和特高压直流输电的干式平波电抗器中应用。近些年来，我国通过自主研究设计和试制已成功开发出了用该种铝绕组线制造的线圈和电抗器。经验证，该种铝绕组线已达到了设计和试验的要求。目前这种电抗器已进入线路实际试用阶段。

1.1.4 在通信电缆上的应用

“光进铜退”意味着光纤逐步向用户端延伸，最终实现光纤到户和光纤到桌面;铜线缆逐步向用户端退缩，并最终退网。现在除核心网、城域网尚留有少量铜线缆外，接入网还有70%的铜线缆将被光纤代替(并且已开始进入个域网、片域网)。目前我国接入网用电缆有5亿线对 km(年降2.2%)，而光缆只有0.5亿纤芯km。个域网线缆组件(电子消费类产品)是个大市场(现全部用铜)，2010年我国电子线缆市场为370.8亿元(其中一半为汽车线束)，预计到2015年将达到750亿元。

另外，移动网用的射频铜电缆，用铝电缆代替已成为现实。

1.2 复合双金属导体

复合双金属是另一类“以铝节铜”的导体，我国2011年复合双金属的总用量已达25.3万吨。它们的使用比例如表4所示。

1.2.1 铜包铝线

铜包铝线主要在通信线缆(弱电)上应用，2011年和前些年相比已有所增加，在漆包线上应用也略有增加，但在电力类(强电)线缆上的应用看不到有多少突破。国外铜包铝线的开发比我国早很多，设备也先进，但实际应用情况同样也没有突显佳绩，也多半在弱电上应用。

表4 2011年复合双金属使用比例

铜包铝线的质量优劣，从根本上取决于铜、铝冶金结合的优劣。我国铜包铝线生产的质量问题，主要在于包覆生产线和原材料铝合金杆生产的落后，此外，后续拉线工艺和装备也没有及时跟进。由此拉出的铜包铝线断头率高、表面露铝(脱皮)，在使用中产生加速的电化腐蚀而断线，致使线缆产品使用寿命大减。对此不求技术改进，只求低价竞争的局面必须尽快结束。

为了规范市场，对主要用于屏蔽、通信电缆的音频和视频线的《铜包铝镁合金线》的行业标准正在制订之中。

1.2.2 铜包铝排(母线)

铜包铝排在国外用流体静力挤压法早在几十年前就已开发，其主要是在开关和绝缘母线槽上应用。近些年来，我国对铜包铝排的开发有3种方法:铜管铸铝成锭—热轧成型法;铜、铝冷配合成锭—热轧成型法;铜铝冷配合—冷压—拉制法。铜包铝排质量的优劣和铜包铝线一样取决于铜、铝的冶金结合。因此，随着这些方法在工艺、装备上的完善，生产效率、成材率和利润率尚有提升的空间。铜包铝排2011年的产量约0.3万吨。为了规范市场，“电工用铜包铝母线”的行业标准已经制订并上报，待审批发布，主要技术指标如表5所示。

铜包铝排的主要应用之一是绝缘母线槽，其竞争产品是铝母排(线)。绝缘铝母线槽在国外早已应用，在国内由国外进口的绝缘铝母线槽在大宾馆中亦有应用，但目前国产的绝缘铝母线槽反而不使用。

铜包铝排和铜包铝线还有一个同样的问题需要解决，就是废旧铜包铝制品的铜、铝分离回收问题，至今还没有找到技术经济效果和环保效果好的方法。如果铜包铝大量应用，为了节材，不影响材料再生利用，这个问题是必须解决的。

1.2.3 铝包钢线和钢铝复合导电轨

(1)铝包钢线。近些年来，随着超高压架空线路，特别是光纤复合架空地线和高强度大跨越导线的发展，铝包钢线的市场旺盛，前景看好。目前铝包钢生产线已有41条，2011年产量达11万吨，单机生产线年产量已达4 000～4 800吨，说明其生产已日趋成熟。

表5 铜包铝母线的主要技术要求

(2)钢铝复合导电轨。在轨道交通中使用的钢铝复合导电轨已实现国产化。用钢铝复合导电轨代替普通钢轨对电力机车第三轨移动供电。导电轨由工字形导电铝合金本体和槽形不锈钢接触带复合而成。它的优点在于导电性好，可节省运行用电30%，不用额外沿线敷设馈电电缆，并可将牵引供电站的设置距离提高2.5倍以上，总投资可降低20%左右;重量轻;以不锈钢作滑动接触面磨耗低，寿命可达60年;可靠性比柔性悬挂接触网高两个数量级，故障率低，保养简单，维修方便。

1.2.4 铜包钢线

2011年全国总产量在3.0万吨左右，目前其主要应用于弱电场合，如CATV线、广电线、芯片骨架线、汽车用线等。今后随着电站接地网、线路避雷线等的改造和应用，在该领域也有它的应用前景。

2 废杂铜和电工用废铝的直接再生利用

电缆工业历来使用高品位的电解精铜以及99.7E或99.7%铝经稀土优化综合处理达电工级别的重熔用铝。废杂铜和废电工用铝保级再生利用，是与“以铝节铜”相应的重要方面，它们对节能、环保、城市矿产废物资源化起着重要的作用。

2.1 废杂铜直接再生制杆利用

为了规范市场，“电工用火法精炼再生铜线坯”的有色金属行业标准已经报批，并即将由中华人民共和国工业和信息化部发布。这种优质再生铜杆的主要技术指标如表6、表7所示。

表6 TH1、TH2、TH3牌号铜线坯的化学成分

表7 TH1、TH2、TH3牌号铜线坯的机电性能

2.2 电工用废铝的保级再生利用

随着老的架空线路和农网的改造以及废旧铝芯电线电缆的替换，就会产生大量的电工用废铝。生产再生铝的能耗仅为原生铝的5%，是一项低污染、大幅节能的重要措施。符合质量要求的再生电工铝杆与用原生铝生产的电工铝杆相比，在使用中几乎具有同样的效果，这点与再生电工用铜杆是不同的。

电工用废铝是比较好的铝，应该保级利用才能收到较好的技术经济效果。所谓保级指的是铝的纯度(99.7%铝)和质量(达到电工铝杆的技术指标)。为此，废电工用铝原料必须经分拣预处理，再熔过程亦必须仔细处理。废铝表面往往有油污，精炼除气必须加强，否则影响可轧性和可拉性。为了保证导电率，对杂质元素必须要有针对性的分别处理。导电率和抗拉强度是互相矛盾的，因此也必须要有针对性的处理。

3 前景

3.1 在架空输、配电线路上的应用

电工用铝在架空输、配电线路上的应用仍为主角，今后仍将量大面广地应用。目前电工用铝合金在架空线路上用量只占1.4%，与国外的两位数百分比相比，相差甚大，今后会不断增加。这点已和电力部门取得共识，尤其是对中强度铝合金已提出需求。为了在架空线路上获得良好的技术经济指标，由电工用铝、电工用退火铝，甚至高纯铝、高强度铝合金、耐热铝合金、铝包钢等与碳纤维、铝基陶瓷纤维、特种钢线、光导纤维等组合绞制成的架空导线和地线，可以满足工程的特殊需要。

3.2 在电力电缆及电气装备线缆上的应用

电力电缆和电气装备线缆芯线用的铝和铝合金目前用量甚少，且电压等级一般都在35 kV以下，低压电缆占多，应用前景清楚。

国外铝和铝合金电缆的用量已达两位百分数，应用面已涉及低、中、高各个电压等级。实芯铝电缆早已大量应用，甚至要求很高的海底实芯电缆，其最大铝截面已达1 600mm2。国外电缆线芯用的导线，除铝外，“电工用退火和中间热处理的8000系铝合金线”早已在北美洲应用，现在也在中国推广应用;“具有高导电率和受控抗拉强度和伸长率的铝合金导线”和“汽车用铝合金线束”已在日本开发成功。由此可以看出我国铝芯电力电缆的扩大应用尚留有相当的空间。

2012年1月由上海上缆藤仓电缆有限公司生产的230 kV YJLLW03 1×1 800mm2高压大截面铝导体光电复合交联电缆(电压230 kV，5分裂铝导体，截面1 800mm2)，经上海电缆研究所/国家电线电缆质量监督检验中心检测合格，电缆(包括附件)完全符合IEC 6207:2011标准，于当年5月交付巴西供电局使用。这是国内首次高压电缆用铝导体代替铜导体，从而打破了国内该类电缆完全依赖铜导体的局面。

至于铜包铝(线)电力电缆，一度有电缆厂从经济利益出发自订企标推行此种电缆。目前既无国标，亦无行标。归根结底在电力电缆上目前无法推广的原因有二:一是铜包铝线制造水平低，用户对质量担忧;二是铜包铝电力电缆和铝电力电缆是相互竞争的产品，用户往往宁愿使用更价廉、一样适合使用的铝电力电缆而不用铜包铝电力电缆。

3.3 在航空、汽车领域的应用

铝和铝合金、铜包钢和包覆质量好的铜包铝线缆的应用，对航空、汽车制造业减轻机(车)身重量、节约能源有重要的作用。A380飞机已首先采用铝合金芯电缆和薄壁电缆，并且为了方便维护、安装，已配套开发成功铝线激光预标志的新方法，并可应用于各种飞机。这种技术和装备亦适用于汽车中对铝线连接的预标志。这说明飞机所用装备用线缆的以铝节铜已取得了实质性的进展。每架飞机需用许多电气装备用线缆，见表8。

3.4 在绕组线上的应用

铝和铝合金在绕组线上的应用将会继续推进，预计我国铝漆包线除在家用电器上进一步应用外，将在电子变压器、超高压和特高压直流输电干式平波电抗器中扩大应用。电子变压器有中频、音频、脉冲、电源、片式等多种。中国电子变压器生产量占世界总产量的20%以上，其中60%供应国际市场。电子变压器“铜改铝”已不可逆，深信在新技术、新材料、新工艺的推动下，电子变压器行业的“铜改铝”将迎来新的春天;干式平波电抗器每台需用40多吨铝绕组线，现以正在开始实施的溪洛渡和糯扎渡两条输电线路为例，需44台这种干式平波电抗器，总计需1 760～2 000吨。随着我国输电事业的发展，这种绕组线将展现出美好的前景。

表8 每架飞机需用的电气装备用线缆

当前铝漆包线的应用与铜漆包线相比，后者尚处绝对的优势，虽然铝漆包线IEC标准、许多国家标准都对铝线的性能规定了要求，如EN 60317为典型的欧洲标准，NEMA标准 ANSI/NEMAMW/000—2008为典型的北美标准。为了改进铝漆包线的性能，国外的研究方向为开发“新一代的铝合金漆包线”，达到具有高的常温和高温机械性能、再结晶温度，比纯铝线还好的可拉性。

3.5 在通信电缆上的应用

通信领域的电缆市场“光进铜退”和“以铝节铜”势不可挡。以前用了15年的时间，把通信领域占行业总用铜量的9%，降到了目前的4.5%，预计再用差不多的时间将把铜用量降低到可预料的最低水平。

移动网用的射频铜电缆，用铝电缆代替不仅可以降低成本，而且在安装、重量、减少能耗等方面也有显著优势。事实上，从全球规模商业的情况看，铝电缆已成为一种可显著减少固定资产投资，可代替铜电缆的方案。

3.6 在复合双金属线上的应用

复合双金属线目前在不同领域也有相当的用量。

铜包铝线仍将在通信电缆(弱电)上扩大应用。国产铜包铝生产线装备(特别是包覆生产线)和原材料铝或铝合金杆生产落后，影响产品质量和应用，应加快技术升级换代。

铜包铝排如试用成功，将在绝缘母线槽和开关上扩大应用。由于其产品截面大、重，因此将有相当的节铜量。

铝包钢线市场前景看好，将在架空输电线路的地线、特种导线上扩大应用。

随着我国轨道交通的发展，已国产化的可除冰的、抗振的、钢侧边带燕尾槽的和波纹管膨胀接头的钢铝复合导电轨将在城市轨道交通中扩大应用。

在我国，铜包钢线的应用在现有的基础上，将主要扩大至电站接地网、线路避雷线等领域。

4 结束语

(1)电缆工业的“以铝节铜”是国际趋势，其进程根据各国的实际情况有所不同，只能随着科技的发展、人们习惯势力的改变而渐进式地发展。

(2)当前中国电缆工业扩大铝的应用，其方向在电工用铝合金;研究开发电工用铝合金的实质和基础在具有真正自主创新的合金杆材、线材和连接附件，而不是绞制的成品导线或芯线;扩大应用体现在材料的品种、性能和质量的稳定性上。

(3)我国电缆工业发展电工用铝和铝合金，有技术潜力，但生产装备急需升级换代，否则将影响产品质量和推广应用。

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