低压成套设备中铜铝复合母线的合理应用及选择方法

冯立玮

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741000）

1 应用铜铝复合母线的意义

近年来，全球铜价不断飙升。虽受全球经济危机的影响，2008 年铜价急剧下跌。然而，在2009 年以后，由于对全球经济复苏的预期以及一些国家的采购和存储策略，铜价迅速反弹。预计未来铜资源供应将面临挑战，因此，铜价有望持续上涨，给下游工业用户带来了制造成本居高不下的问题。高铜价还对加快升级和更换导体材料的速度产生了积极影响[1]。中国铜资源稀缺，是高度依赖进口的国家。铝资源储备是世界第一，是纯出口国。根据相关数据，中国国内铜精矿供应量不足30%，其中70%以上依靠进口，远高于中国对铁矿石和石油的依赖。由于中国对铜的需求日益增长，进口依赖程度的提高带来了一定的风险。为了应对这一挑战，中国可以通过多种途径来缓解铜资源供应压力。

2 铜铝复合母线排介绍

铜铝复合母线排是一种高效、节能的电力传输设备，由铜和铝组成。它具有良好的导电性能和机械强度，广泛应用于电力系统、工业制造和建筑领域。铜铝复合母线排的导电性能优异。铜具有极佳的导电性能，而铝则具有较低的电阻和良好的导电特性。通过将铜和铝2 种材料复合在一起，可以充分发挥它们各自的优势，提高整体的导电性能。这使得铜铝复合母线排能够承载更大的电流负荷，减少能量损耗，提高电力传输效率。另外，铜铝复合母线排具有良好的机械强度。由于铝材料相对较轻，铜铝复合母线排相比纯铜母线排更轻便，更易于安装和维护。同时，铜铝复合母线排还具有较高的耐腐蚀性和抗氧化性，能够在恶劣的环境条件下保持长期稳定地运行[2]。

铜铝复合母线排是一种常用于电力传输和配电系统中的重要组件。根据其规格和特性，可以将其分为TLMY-15和TLMY-20两种型号。

TLMY-15 型号的宽度不超过60 mm，厚度不超过5 mm。在整个截面积中，铜层面积占据了15%。这意味着铜层的面积相对较小，但仍能满足一定的电流传输需求。TLMY-15型号适用于一些较小规模的电力传输系统。另一种型号是TLMY-20，与TLMY-15相比，TLMY-20型号的宽度要大于80 mm，厚度也要大于6 mm。在整个截面积中，铜层面积占据了20%。这意味着铜层的面积更大，因此，具有更好的导电性能和承载能力。TLMY-20型号适用于一些较大规模的电力传输系统，例如高压配电系统或工业生产线。

无论是TLMY-15 还是TLMY-20，铜铝复合母线排都采用了铜和铝复合结构。铜层提供了良好的导电性能，而铝层则降低了成本并减轻了整个母线排的重量。这种复合结构使得铜铝复合母线排在电力传输中具有较高的效率和可靠性。

3 铜铝复合母线对产品质量的影响因素

导电体的材质对于器件的抗温升和耐短路性能有着重要影响。在相同电流条件下，不同材质的导线具有不同的直流阻抗，导致它们的温度升高也不同。为了确保导线的正常工作和温度升高不超过预定值，在一定的散热条件下，为了确保导线的正常工作和温度升高不超过预定值，需要根据导线的导电率选择合适的截面积。因此，有必要进行研究，比较铜母线和铝母线在相同温升和长度条件下的断面对应关系。温度升高会对导线的直流电阻、截面积以及散热情况等因素产生密切影响。利用牛顿热传导方程（Ps=KTAr），可以计算铜铝复合母线和铜母线所对应的断面积关系。通过该方程，也可以确定复合母线所需的合适截面积，以满足相同的温升要求。这样的研究对于选择适当的导线材料和设计优化铜铝复合母线结构至关重要。通过进行数值模拟和相关计算，更好地了解铜母线的性能，并且为其设计和应用提供准确的参考。导体的稳定温升可通过以下公式计算：

式中：i2KfR是导体电阻损耗产生的热量，KA是通过辐射和对流散发的热量，当导体产生的热量和通过辐射、对流散发的热平衡时,达到稳定温升。

为了计算铜母线和铝复合母线的截面积比，需要保持温升、电流和导体长度不变。其中式（1）中：L为导体长度（m）；S为导体截面积（m2）；A为导体表面积（m2）；Kf为趋肤系数，i为电流峰值（A），K为总散热系数。

在考虑总散热系数K时，它包括辐射和对流散热系数以及导体散热系数的总和。总散热因数K由辐射和对流散热因数与导体散热因数之和组成。在测试铜汇流排和铜铝复合汇流排时，由于它们处于相同的测试结构和环境条件下，可以将辐射和对流的散热系数视为恒定值。计算这2种不同导体截面比例时，温升、电流、导体长度均相同，趋肤系数Kf，当横截面较小时，可以忽略铜铝复合母线和铜母线之间的差异。在这种情况下，可以用KL/K表示为常数，用F来表示。

设导体厚度为a，宽度为b，那么导体的截面积可以表示为S=a×b。导体的散热表面积为A=2（a+b）L，其中L为导体长度。根据单位长度的散热表面积可以表示为A′=2（a+b），温升的大小取决于导体的直流电阻率ρ以及导体尺寸a和b。假设铜母线的温升为τT，铜铝复合母线的温升为τF。这意味着通过比较直流电阻率和导体尺寸，可以评估不同类型母线的散热性能，并进一步了解它们在实际工作条件下的温升情况。则

式中：[ab（a+b）]F为铜铝复合母线截面参数，ab（a+b）为铜母线截面参数，直流电阻率分别为ρT=0.017 77和ρF=0.025 54，分别是铜母线和铜铝复合母线在20°C时的直流电阻率。

当铜铝复合母线与铜母线具有相同的宽度时，铜铝复合母线的厚度相比铜母线增加了33%。相反，当铜铝复合母线与铜母线具有相同的厚度时，铜铝复合母线的宽度增加了20%。铜母线和铜铝复合母线截面对照表见表1。

表1 厚度与宽度规格

一般情况下，通过减小低压成套开关柜同一相母线内2 个绝缘支撑件之间的距离，增加母线的横截面，特别是母线的厚度，可以很大地提高母线的动稳定性，母线的热稳定性仅取决于其横截面。在安装母线时，绝缘支撑件的安装尺寸和所能承载的动热稳定电流也应该和母线的尺寸及开关柜的短路电流相匹配，以上这些因素对于设计和选择合适的母线以确保系统的安全和稳定运行至关重要[3]。

导体的经济电流密度的选择应当考虑线材部分的热稳定性要求。对于铜铝复合导体，除了满足温升和动态热稳定性的要求外，还需考虑其在冲压、弯曲加工以及应对热膨胀引起的应力方面的性能。此外，制备工艺也会对铜铝复合导体的界面结合强度产生影响，不同的工艺最终会影响到导体的界面结合强度。因此，在选择导体时需综合考虑上述因素，以确保满足各项要求。

4 铜铝复合母线的关键技术性能

4.1 铜铝复合母线的性能参数

电气性能是其主要的性能指标之一，可以通过直流电阻率或20 ℃下的负载容量来衡量。直流电阻率是指单位长度内电流通过时的电阻大小，通常以Ω∕m为单位表示。负载容量则指在特定温度条件下，母线所能承受的最大电流。力学性质也是评估铜铝母线性能的重要指标。抗拉强度是指材料在拉伸过程中能够承受的最大应力，通常以MPa为单位表示。延伸率则是材料在断裂前能够发生塑性变形的程度，以百分比表示。挠曲性能指材料在受到外力作用时的弯曲能力，而结合强度则描述了材料与其他部件连接的牢固程度。铜母线和铜铝复合母线导电性能参数对照表见表2。

表2 导电材料性能对比

4.2 铜铝复合母线的关键参数

铜-铝基复合材料的界面结合强度对其导热性能有着重要的影响。DL∕T 247标准规定了这一强度应高于35 MPa。如果界面结合强度低于此标准，由于热膨胀和收缩引起的应力可能会对铜和铝产生损伤。此外，界面结合问题还容易导致电偶腐蚀，并带来潜在的风险，如失效、短路以及火灾等。铜层的体积比例也是影响复合材料性能的重要因素之一。较厚的铜层可以提高导电性能，但同时也增加了制造难度和成本。然而，当铜层厚度超过某个特定值后，电导率并不会显著提高，而成本却大幅增加[4]。因此，在设计中需要找到一个合适的平衡点。功率工业规范DL∕T 247对T2箱体进行了优化研究，发现在20%的容积率和20%的体积比例下，可以获得86%的T2箱体。当体积比例小于标准值时，电流容量会减小，整机温升会增加。这可能会导致能源消耗的增加，并对设备的安全性产生影响。

5 铜铝复合排的选用原则

5.1 产品标准

根据国家电网公司“全国能源管理规划”，苏州华通等公司从2012年7月1日起开始执行国家能源局颁布的《输变电设备用铜包铝母线》标准。该标准详细规定了产品的技术指标和检测方法，并对产品的生产、销售等环节也做出了详细规定。

5.2 选用原则

选择铜铝复合母线时，需要选择符合标准的产品，否则可能很危险。

1）不能保证未经标准检验的产品质量。

2）如果发现任何用于3C 认证的产品不符合认证要求，将对其处以罚款或删除。

根据国家认证认可监督管理委员会要求，铜铝复合母线必须要在中国合格评定认可委员会（CNAS）授权的检测机构经过检测，并取得合格检测报告。由于铜铝复合母线的加工技术不同，含铜量和含铝量不同，因此，产品的质量也不同。因此，提供的铜铝复合母线的检测报告必须符合《输变电设备用铜包铝母线》DL∕T 247—2012电力行业标准，以及根据GB∕T 9327 标准进行1 000 次热循环测试的报告。满足上述要求的2个测试报告可以在低压成套开关柜中使用铜铝复合母线，这2 个测试报告表明，铜铝复合母线的性能参数符合电力行业标准的要求，并且使用的可靠性是可以保证的[5]。

5.3 加工工艺

在加工时要注意以下几点，以免在加工过程中破坏界面黏合。（1）切割：使用切割设备时，工件的中部或两侧必须严重变形，以免铜和铝剥落。（2）钻孔：用钻孔机钻孔时，必须将下部备份，不允许悬空。钻孔时，必须用乳液或肥皂水冷却。尝试钻孔或在钻孔后，必须轻按。（3）弯曲以防止铜或铝在底部或顶部剥离。（4）焊接：①从复合材料排的焊接接头的两侧除去4～6 mm 的铜，以露出铝制零件；②使用交流氩弧焊机焊接复合热的裸露铝部分；③焊接喷砂；④只能使用铜热喷涂机进行喷涂；⑤将焊好的铜粉打磨平整。（5）拧紧：使用螺栓固定镀铝铝柱时，请使用厚的大平衡环。如果有蝶形弹簧，在蝶形弹簧上垫上2～3 mm 厚的钢板，然后将其铺在镀铜铝柱上。压力和紧固扭矩必须符合GBJ 14990的要求。

6 结论

综上所述，当铝材表面发生氧化后，会形成绝缘层，而这会导致接触电阻增加，同时也会产生进一步的热量。这种情况将加速氧化反应的发生，形成了一个恶性循环，最终可能导致接触界面断电，甚至引发火灾等严重后果。因此，铝棒大约需要每十年更换一次，在这种背景下，铜铝母线应运而生。铜铝复合母线的成功研发实现了以铝取代稀缺的铜资源，不仅有效降低了生产成本，也对国家稀缺铜资源的合理利用起到了重要作用。这种材料已经通过试验和大量工程中的应用证明了其可靠性。铜铝复合母线的推广应用不仅满足了电气控制和配电设备制造商对原材料的需求，还有助于实现资源的可持续利用。

低压成套设备中铜铝复合母线的合理应用及选择方法是确保设备正常运行和安全的关键。根据设备的电流负荷和导体距离来选择合适的铜铝复合母线，并考虑材料品质、规格选择和维护方便性等因素，可以提高设备的导电性能和稳定性，降低温升，保证设备的正常运行和安全，同时延长设备的使用寿命。因此，在低压成套设备中合理应用铜铝复合母线，是今后低压成套开关设备生产的必然选择，也为电力行业的发展做出了积极的贡献。