铝母线的应用
国家标准GB/T5585.2《电工用铜、铝及其合金母线 第2部分：铝和铝合金母线》 要求铝母线的化学成分铝含量应不小于99.50%，即相当于GB/T1196中牌号为铝99.50的铝锭化学成分。铝合金母线的化学成分除主元素铝之外，可有其他适当含量的化学元素，包括硅、镁、铁等，但应保证铝合金母线的机械和电气性能符合规定。当成品铝和铝合金母线的出厂检验项目全部合格时，母线的化学成分可不作为检验指标。
由于纯铝比较软，铝1350被指定为电导体级铝，铝含量为99.50%。尽管它的导电率是铜的61%，但它在机械性能方面缺乏，这使得它作为设备中的导体并不理想。
铝合金6101铝含量96%左右，是一般使用的主要铝母线材料，并且比铝1350更强，因为它已经通过热处理硬化，但其电导率仅为铜的56%。
铝合金6063铝含量≥98%，是一种常用的铝型材材料，铝合金6063具有极佳的可塑性，可采用挤压、滚压、拉伸等工艺进行成型，能制造出各种复杂形状的铝型材。具有良好的加工可塑性和焊接性，易于进行切削加工、打孔、冷弯和拼接等工艺。铝合金6063可通过阳极氧化、喷涂、电泳涂装等表面处理手段提高防腐性和装饰性。
在高压GIS中，铸铝作为导电支架普遍使用，导电率IACS达52%、抗拉强度大于240MPa的高导电、高强度铸造铝合金材料可实现高导电、高强度以及铸造性能的协同优化提升。该材料可全面替代开关设备常用ZL101铸造铝合金材料，具有优良的导电、导热性能和铸造性能，可用于铸造复杂的电工装备用铸造零部件。145kV环保型GIS等开关设备产品通流能力提升20%左右，该新型铸造铝合金材料的开发及应用可有效解决紧凑型开关设备产品的通流瓶颈，提高了产品运行可靠性，同时为大容量、小型化、轻量化开关设备产品的更新换代提供解决方案。耐热铝合金导线具有良好的高温特性，能长期在150℃下使用(电工铝导体的长期使用温度为70℃)，因此在相同截面下，耐热铝合金导线的载流量较铝导线提高1倍，在大容量线路输电时可以减少导线的相分裂根数，提高安全可靠性。耐热铝合金导线的强度低于高强度铝合金导线，只与电工铝导体相同。高强度耐热铝合金比耐热铝合金的强度高35～63%，能用作大跨越导线，克服大跨越导线容量偏低的缺点。
中压开关柜中，铝制D型母线也广泛使用。D型单母线为弓形结构，双母线别近似于圆型母线，它们的电场分布比矩形母线更加均匀，可减轻电场分布不均包引起的电晕放电对绝缘体的长期损害。
不同规格D型母线载流量见表2。单根D 型母线的截面积 1600mm2，是100x10mm规格矩形母线的1.6倍。D型铝母线与100x10mm铜母线具有等同的导电率；D型母线截面周长367mm，是100x10mm规格形母线的1.72倍，根据电流的集肤效应和表面积散热特性，D型母线具有更好的导电性能。D型母线的机械强度是 100x10mm 规格矩形母线的6.3倍，满足开关设备承受峰值耐受电流（动稳定性能）的要求。
表2 不同规格D型母线的载流量
真空断路器的导电支撑件、小电流断路器和电压互感器手车触臂也普遍采用铝合金6061棒材。手车式真空断路器一次导电回路，见图1。1250/2000A真空断路器固封极柱灭弧室上部连接导体体积大，采用铝合金代替铜重量轻、成本低。一次触臂630/1250A 25/31.5kA外形尺寸一致，630A采用外径44mm、内径30 mm 的铝合金6061棒，1250A 25kA采用外径50mm（与梅花触头连接处直径42mm）、内径33mm的铝合金6061棒作为触臂，而31.5kA采用外径50mm、内径33mm T2铜作为触臂。从发热角度考虑，由于圆管交流效应影响小且散热面积大，1250A采用铝触臂可以满足温升要求。但对于短时耐受电流25/31.5kA就需要考虑核验热效应。
图1 手车式真空断路器一次导电回路
根据GB/T3906附录D根据短时持续电流的热效应计算裸导体横截面积的方法，见公式1。
式中:
S-导体横截面积,单位为平方毫米(mm²)；
I--电流有效值,单位为安(A)；
α-以表示,并按下列规定取值：铜—13、铝---8.5、铁-4.5、铅--2.
t--电流通过时间,单位为秒(s)；
∆θ--温升,单位为开(K);对裸导体一般取180K；如果时间超过2s但小于5s，△θ 值可增加到215K。
25kA、31.5kA短时耐受电流，铜、铝材质的热效应计算结果见表3，对于31.5kA采用铝触臂的安全系数比较低，因此采用T2铜作为触臂材料。
表3 25kA、31.5kA短时耐受电流，铜、铝材质的热效应计算
气体绝缘开关柜中的直动式三工位开关，如图2所示。其三工位开关的动导电杆也采用铝合金材料。为了标准化设计、减少规格，630/1250/1600A的开关外形尺寸相同、触头座通用，因此630/1250A采用铝合金6063-T6材质，而对于1600A则采用T2铜材质。
对于小电流、小短时耐受电流的应用中，使用铝合金材料替代铜材是非常有效的方法。
图2 气体绝缘开关柜直动式 三工位开关
在低压开关柜中，铝制异型母线广泛使用，利用铝具有的延展性制造复杂形状的母线，以改善导电性、刚性、通风性和外观。铝的低密度及其延展性可以生产高技术异型母线，并且具有卓越的刚度和较小的重量。在相同的额定电流下，母线的重量是铜母线的1/2，可以很容易地固定在开关柜中，在更小的空间内实现最大功率。采用特殊设计的截面形状，散热面积明显增加，机械强度增加，通过表面铜质处理实现与铜排的直接连接，异型排为了满足低压开关柜母线连接变化多，设计沟槽实现无孔连接。对于低压柜来说，空间、绝缘要求不高的情况，铝合金的异形截面散热面积大，重量轻，安装方便。低压开关柜异形母线，见图3。
图3 低压开关柜异形母线
4.电工用铜铝复合母线
4.1 电工用铜铝复合母线
电工用铜铝复合母线即铜包铝，在二十多年前就曾风靡一时，是减少铜材使用的一种有效方法。对于导体来说，由于趋肤效应，交流电电流分布偏向于导体的表面，也就是电流在越靠近导体四周表面电流越大，而导体的中心区域则只有非常小的电流通过，因此靠近表面电流密度大的地方采用电阻率低的铜材料，而电流小的中心区域采用电阻率相对高一点的材料铝，实现平衡，节省铜材料，重量减轻。
2010年中国电器工业协会发布了CEEIA B220-2010标准《电工用铜铝复合母线》，2014年12月由中国有色金属工业协会主管的国家标准GB/T30586-2014《连铸轧制铜包铝扁棒、扁线》、标准适用于输电、变电、配电等领域用的连续铸造、轧制成形的铜包铝扁棒、扁线。连铸轧制铜包铝扁棒、扁线为采用两种金属同时连铸生产复合坏料，经轧制成形的具有冶金结合(指铜铝两种金属界面之间产生了原子相互扩散，形成一定厚度过渡层的结合)界面、较高结合强度的直条状棒材或盘卷状线材产品。国家能源局2021年10月颁布DL/T 2260-2021《电力用铜铝复合母线选用导则》，标准适用于40.5kV及以下成套开关设备、变压器等电力设备用铜铝复合母线应用选型，封闭母线、母线槽、裸母线等应用铜铝复合母线亦可适用。
铜铝复合母线采用特定工艺使铜铝接触界面融合或扩散，形成紧密冶金结合的双金属复合导体，亦称铜铝复合母线。铜铝复合母线由铝芯和紧密包覆其外的铜层构成，铜层应均匀连续地包覆在铝芯上，其表面应光滑平整。铜铝复合母线铜铝结合面应达到冶金结合。在环境温差变化较大时铜铝界面不分层。铜铝复合母线中外层铜层体积占铜铝复合母线总体积的百分比决定着母线的导电率，体积比可采用20%、25%、30%。
20℃时铜铝复合母线的体积电导率，如图4所示。00x10mm铝母排、铜包铝母排、铜母排的载流量1载流量，见表4。
图4 铝、不同铜层体积比的铜铝复合母线、铜的最小电导率
表4 100x10mm铝母排、铜包铝母排、铜母排的载流量
4.2 铜铝复合板带
根据国家标准《GB/T 32468—2015铜铝复合板带》规定，铜铝复合板材是指以铝及铝合金为基层，采用连续铸造半熔态轧制复合方法或者其他方法，在其一面或两面连续复合一定厚度铜及铜合金板带的复合材料，其复合界面为冶金结合。铜铝复合母线和铜铝复合板截图，见图5。铜铝复合板带的品种相对较多，应用广泛，如铝基覆铜箔层压板应用于电视机、摩托车和汽车等的印制电路板中；平板太阳能热水器的铜铝复合集热板是公认的新—代太阳能热水器理想的集热元件。
铜铝复合母线和双面铜铝复合板带20℃直流电阻率和抗拉强度，见表5。T2/1050/T2 状态H18的直流电阻率高于30%铜层体积比的复合母线，抗拉强度与25%铜体积比复合母线相同。
图5 铜铝复合母线和铜铝复合板截图
表5 铜铝复合母线和双面铜铝复合板带的电阻率和抗拉强度
2. 结语
铜是一种低电阻率、高机械强度的导体材料，已在开关设备上进行了大量应用验证，并且当最终更换设备时，铜将具有较高的回收价值。但铜作为稀缺金属，面临着资源短缺的问题，异形铝母线、铜铝复合母线可以在一些体积要求不高、电流不高、短时耐受电流不高的场合应用，但铜铝复合排整体强度、界面结合强度、载流量等性能在开关设备使用中受到限制，通过新技术新工艺提升含铝合金或复合金属的电气性能、机械性能，根据含铝材料的性能选择适当的应用，部分减少铜材的使用，也是实现双碳目标的重要措施。未来发展趋势，铜铝复合母线需要根据客户的使用要求不断进行原材料创新和工艺创新，提升铜铝复合母线的力学性能控制水平，满足各种加工变形要求，铜铝复合排需要严格的测试认证，应用于开关设备中需要严酷的试验，以满足各种工况下长期安全、可靠运行。
来源：会说电气
