鋁母線的應用
國家標準GB/T5585.2《電工用銅、鋁及其合金母線 第2部分：鋁和鋁合金母線》 要求鋁母線的化學成分鋁含量應不小于99.50%，即相當于GB/T1196中牌號為鋁99.50的鋁錠化學成分。鋁合金母線的化學成分除主元素鋁之外，可有其他適當含量的化學元素，包括硅、鎂、鐵等，但應保證鋁合金母線的機械和電氣性能符合規定。當成品鋁和鋁合金母線的出廠檢驗項目全部合格時，母線的化學成分可不作為檢驗指標。
由于純鋁比較軟，鋁1350被指定為電導體級鋁，鋁含量為99.50%。盡管它的導電率是銅的61%，但它在機械性能方面缺乏，這使得它作為設備中的導體并不理想。
鋁合金6101鋁含量96%左右，是一般使用的主要鋁母線材料，并且比鋁1350更強，因為它已經通過熱處理硬化，但其電導率僅為銅的56%。
鋁合金6063鋁含量≥98%，是一種常用的鋁型材材料，鋁合金6063具有極佳的可塑性，可采用擠壓、滾壓、拉伸等工藝進行成型，能制造出各種復雜形狀的鋁型材。具有良好的加工可塑性和焊接性，易于進行切削加工、打孔、冷彎和拼接等工藝。鋁合金6063可通過陽極氧化、噴涂、電泳涂裝等表面處理手段提高防腐性和裝飾性。
在高壓GIS中，鑄鋁作為導電支架普遍使用，導電率IACS達52%、抗拉強度大于240MPa的高導電、高強度鑄造鋁合金材料可實現高導電、高強度以及鑄造性能的協同優化提升。該材料可全面替代開關設備常用ZL101鑄造鋁合金材料，具有優良的導電、導熱性能和鑄造性能，可用于鑄造復雜的電工裝備用鑄造零部件。145kV環保型GIS等開關設備產品通流能力提升20%左右，該新型鑄造鋁合金材料的開發及應用可有效解決緊湊型開關設備產品的通流瓶頸，提高了產品運行可靠性，同時為大容量、小型化、輕量化開關設備產品的更新換代提供解決方案。耐熱鋁合金導線具有良好的高溫特性，能長期在150℃下使用(電工鋁導體的長期使用溫度為70℃)，因此在相同截面下，耐熱鋁合金導線的載流量較鋁導線提高1倍，在大容量線路輸電時可以減少導線的相分裂根數，提高安全可靠性。耐熱鋁合金導線的強度低于高強度鋁合金導線，只與電工鋁導體相同。高強度耐熱鋁合金比耐熱鋁合金的強度高35～63%，能用作大跨越導線，克服大跨越導線容量偏低的缺點。
中壓開關柜中，鋁制D型母線也廣泛使用。D型單母線為弓形結構，雙母線別近似于圓型母線，它們的電場分布比矩形母線更加均勻，可減輕電場分布不均包引起的電暈放電對絕緣體的長期損害。
不同規格D型母線載流量見表2。單根D 型母線的截面積 1600mm2，是100x10mm規格矩形母線的1.6倍。D型鋁母線與100x10mm銅母線具有等同的導電率；D型母線截面周長367mm，是100x10mm規格形母線的1.72倍，根據電流的集膚效應和表面積散熱特性，D型母線具有更好的導電性能。D型母線的機械強度是 100x10mm 規格矩形母線的6.3倍，滿足開關設備承受峰值耐受電流（動穩定性能）的要求。
表2 不同規格D型母線的載流量
真空斷路器的導電支撐件、小電流斷路器和電壓互感器手車觸臂也普遍采用鋁合金6061棒材。手車式真空斷路器一次導電回路，見圖1。1250/2000A真空斷路器固封極柱滅弧室上部連接導體體積大，采用鋁合金代替銅重量輕、成本低。一次觸臂630/1250A 25/31.5kA外形尺寸一致，630A采用外徑44mm、內徑30 mm 的鋁合金6061棒，1250A 25kA采用外徑50mm（與梅花觸頭連接處直徑42mm）、內徑33mm的鋁合金6061棒作為觸臂，而31.5kA采用外徑50mm、內徑33mm T2銅作為觸臂。從發熱角度考慮，由于圓管交流效應影響小且散熱面積大，1250A采用鋁觸臂可以滿足溫升要求。但對于短時耐受電流25/31.5kA就需要考慮核驗熱效應。
圖1 手車式真空斷路器一次導電回路
根據GB/T3906附錄D根據短時持續電流的熱效應計算裸導體橫截面積的方法，見公式1。
式中:
S-導體橫截面積,單位為平方毫米(mm2)；
I--電流有效值,單位為安(A)；
α-以表示,并按下列規定取值：銅—13、鋁---8.5、鐵-4.5、鉛--2.
t--電流通過時間,單位為秒(s)；
?θ--溫升,單位為開(K);對裸導體一般取180K；如果時間超過2s但小于5s，△θ 值可增加到215K。
25kA、31.5kA短時耐受電流，銅、鋁材質的熱效應計算結果見表3，對于31.5kA采用鋁觸臂的安全系數比較低，因此采用T2銅作為觸臂材料。
表3 25kA、31.5kA短時耐受電流，銅、鋁材質的熱效應計算
氣體絕緣開關柜中的直動式三工位開關，如圖2所示。其三工位開關的動導電桿也采用鋁合金材料。為了標準化設計、減少規格，630/1250/1600A的開關外形尺寸相同、觸頭座通用，因此630/1250A采用鋁合金6063-T6材質，而對于1600A則采用T2銅材質。
對于小電流、小短時耐受電流的應用中，使用鋁合金材料替代銅材是非常有效的方法。
圖2 氣體絕緣開關柜直動式 三工位開關
在低壓開關柜中，鋁制異型母線廣泛使用，利用鋁具有的延展性制造復雜形狀的母線，以改善導電性、剛性、通風性和外觀。鋁的低密度及其延展性可以生產高技術異型母線，并且具有卓越的剛度和較小的重量。在相同的額定電流下，母線的重量是銅母線的1/2，可以很容易地固定在開關柜中，在更小的空間內實現最大功率。采用特殊設計的截面形狀，散熱面積明顯增加，機械強度增加，通過表面銅質處理實現與銅排的直接連接，異型排為了滿足低壓開關柜母線連接變化多，設計溝槽實現無孔連接。對于低壓柜來說，空間、絕緣要求不高的情況，鋁合金的異形截面散熱面積大，重量輕，安裝方便。低壓開關柜異形母線，見圖3。
圖3 低壓開關柜異形母線
4.電工用銅鋁復合母線
4.1 電工用銅鋁復合母線
電工用銅鋁復合母線即銅包鋁，在二十多年前就曾風靡一時，是減少銅材使用的一種有效方法。對于導體來說，由于趨膚效應，交流電電流分布偏向于導體的表面，也就是電流在越靠近導體四周表面電流越大，而導體的中心區域則只有非常小的電流通過，因此靠近表面電流密度大的地方采用電阻率低的銅材料，而電流小的中心區域采用電阻率相對高一點的材料鋁，實現平衡，節省銅材料，重量減輕。
2010年中國電器工業協會發布了CEEIA B220-2010標準《電工用銅鋁復合母線》，2014年12月由中國有色金屬工業協會主管的國家標準GB/T30586-2014《連鑄軋制銅包鋁扁棒、扁線》、標準適用于輸電、變電、配電等領域用的連續鑄造、軋制成形的銅包鋁扁棒、扁線。連鑄軋制銅包鋁扁棒、扁線為采用兩種金屬同時連鑄生產復合壞料，經軋制成形的具有冶金結合(指銅鋁兩種金屬界面之間產生了原子相互擴散，形成一定厚度過渡層的結合)界面、較高結合強度的直條狀棒材或盤卷狀線材產品。國家能源局2021年10月頒布DL/T 2260-2021《電力用銅鋁復合母線選用導則》，標準適用于40.5kV及以下成套開關設備、變壓器等電力設備用銅鋁復合母線應用選型，封閉母線、母線槽、裸母線等應用銅鋁復合母線亦可適用。
銅鋁復合母線采用特定工藝使銅鋁接觸界面融合或擴散，形成緊密冶金結合的雙金屬復合導體，亦稱銅鋁復合母線。銅鋁復合母線由鋁芯和緊密包覆其外的銅層構成，銅層應均勻連續地包覆在鋁芯上，其表面應光滑平整。銅鋁復合母線銅鋁結合面應達到冶金結合。在環境溫差變化較大時銅鋁界面不分層。銅鋁復合母線中外層銅層體積占銅鋁復合母線總體積的百分比決定著母線的導電率，體積比可采用20%、25%、30%。
20℃時銅鋁復合母線的體積電導率，如圖4所示。00x10mm鋁母排、銅包鋁母排、銅母排的載流量1載流量，見表4。
圖4 鋁、不同銅層體積比的銅鋁復合母線、銅的最小電導率
表4 100x10mm鋁母排、銅包鋁母排、銅母排的載流量
4.2 銅鋁復合板帶
根據國家標準《GB/T 32468—2015銅鋁復合板帶》規定，銅鋁復合板材是指以鋁及鋁合金為基層，采用連續鑄造半熔態軋制復合方法或者其他方法，在其一面或兩面連續復合一定厚度銅及銅合金板帶的復合材料，其復合界面為冶金結合。銅鋁復合母線和銅鋁復合板截圖，見圖5。銅鋁復合板帶的品種相對較多，應用廣泛，如鋁基覆銅箔層壓板應用于電視機、摩托車和汽車等的印制電路板中；平板太陽能熱水器的銅鋁復合集熱板是公認的新—代太陽能熱水器理想的集熱元件。
銅鋁復合母線和雙面銅鋁復合板帶20℃直流電阻率和抗拉強度，見表5。T2/1050/T2 狀態H18的直流電阻率高于30%銅層體積比的復合母線，抗拉強度與25%銅體積比復合母線相同。
圖5 銅鋁復合母線和銅鋁復合板截圖
表5 銅鋁復合母線和雙面銅鋁復合板帶的電阻率和抗拉強度
2. 結語
銅是一種低電阻率、高機械強度的導體材料，已在開關設備上進行了大量應用驗證，并且當最終更換設備時，銅將具有較高的回收價值。但銅作為稀缺金屬，面臨著資源短缺的問題，異形鋁母線、銅鋁復合母線可以在一些體積要求不高、電流不高、短時耐受電流不高的場合應用，但銅鋁復合排整體強度、界面結合強度、載流量等性能在開關設備使用中受到限制，通過新技術新工藝提升含鋁合金或復合金屬的電氣性能、機械性能，根據含鋁材料的性能選擇適當的應用，部分減少銅材的使用，也是實現雙碳目標的重要措施。未來發展趨勢，銅鋁復合母線需要根據客戶的使用要求不斷進行原材料創新和工藝創新，提升銅鋁復合母線的力學性能控制水平，滿足各種加工變形要求，銅鋁復合排需要嚴格的測試認證，應用于開關設備中需要嚴酷的試驗，以滿足各種工況下長期安全、可靠運行。
來源：會說電氣
