開關(guān)設(shè)備中大量使用銅作為導電材料，銅作為稀缺的有色金屬面臨著資源枯竭的問題。相比較于銅，鋁的資源豐富，但由于鋁的導電性能、機械強度差等原因，直接作為導體存在發(fā)熱大、支撐困難等問題。通過采用異形鋁導體、鋁合金型材、銅包鋁、銅鋁復合板等形式，在一些產(chǎn)品中得到應(yīng)用，但一直無法取代銅作為開關(guān)設(shè)備的導體。雙碳目標下需要了解不同含鋁導體的性能，根據(jù)具體應(yīng)用精細化選擇導電材質(zhì)，以減少銅材在開關(guān)設(shè)備中的使用。
0. 引言
新型電力系統(tǒng)以最大化地消納可再生能源為主要目的，大力推廣再生能源的使用，減少資源的消耗，早日實現(xiàn)碳達峰/碳中和。銅作為重要的工業(yè)金屬，隨著科技發(fā)展、新能源產(chǎn)業(yè)和建筑行業(yè)需求的增長，如在新能源和電動汽車領(lǐng)域?qū)︺~的需求不斷增加，全球經(jīng)濟的復蘇和新興市場的快速發(fā)展，銅的需求不斷增加。但銅礦開采和生產(chǎn)受到資源枯竭和環(huán)境保護等因素的限制，導致供應(yīng)相對緊張。
1. 銅和鋁的差異
銅是一種稀缺的金屬資源，其氧化狀態(tài)下只占地殼中總量的0.007%，而鋁則占地殼中總量的8.23%。盡管鋁與銅的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)相似，鋁的生產(chǎn)過程卻比銅復雜，需要更多的耗材和能量。要生產(chǎn)出鋁材，首先需要將鋁礦石進行提煉。這個過程需要大量的電力和化學試劑，而鋁礦石的提純過程也極為復雜，生產(chǎn)成本也相對較高。電解鋁的碳排放量遠高于電解銅，每噸電解鋁的碳排放達到10.4噸，而每噸冶煉銅的碳排放僅為1.11噸，兩者之間的差距達到了約10:1，這表明銅在生產(chǎn)過程中具有更高的碳排放優(yōu)勢。此外，再生銅的碳排放量也顯著低于原生銅，再生銅幾乎可以百分之百地回收利用，這有助于減少碳排放，而鋁在電力傳輸領(lǐng)域通常不能循環(huán)使用，因此其碳排放優(yōu)勢不如銅明顯。
銅稱為“可再生的資源”，這是因為它可以在多次使用過程中保持高效的導電性。而鋁則容易發(fā)生氧化失效，使用壽命較短。銅和鋁典型性能參數(shù)，見表1。
表1 銅和鋁典型性能參數(shù)比較
就導電性能而言，銅優(yōu)于鋁。銅的唯一缺點是其密度，對于給定的電流和允許溫度，鋁導體會更輕，盡管橫截面將更大，但在開關(guān)柜內(nèi)空間因素比重量更重要，因此鋁母線重量輕這一優(yōu)點很少考慮。
即使在露天母線系統(tǒng)中，母線的重量也不是決定性的因素，母線中產(chǎn)生的電磁應(yīng)力通常比其重量產(chǎn)生的應(yīng)力更為嚴重。電流輸送設(shè)備特別是重型設(shè)備，導體的載流量更加重要，在比鋁允許的更高工作溫度下使用銅，銅吸收高負荷條件下產(chǎn)生的電磁和熱應(yīng)力的能力也為安全性提供保障。
2. 開關(guān)柜導體的要求
2.1載流性能強
開關(guān)設(shè)備一般采用電解銅作為母線材料，電解銅的化學符號為銅，密度為8.89g/cm3，熔點為1083℃，20℃時電導率不低于97%。鋁的化學符號為鋁，密度為2.7g/cm3，熔點為660℃，20℃時電導率不低于61%。
由于母線的載流量與很多因素有關(guān)，因此以相同形狀、截面積、相同布置的情況下對比，銅的載流能力是鋁的1.65倍。
2.2物理特性好
1）低的變形量
鋁遇到熱會膨脹很多，鋁的膨脹系數(shù)23.0，而 銅是16.5。鋁太軟，在300℃左右失去抗張強度，純鋁的屈服強度為7～11MPa，鋁材90 ℃時的熱膨脹率比實心銅高 25%，而其極限抗拉強度比銅材低 2 倍以上。這兩個因素導致了材料在通電和斷電循環(huán)期間蠕變移動，蠕變?nèi)菀资惯B接失效。
2）重量輕
將銅的密度（8.91 g/cm3）與鋁的密度（2.7g/cm3）進行比較，考慮到鋁的導電率是銅的為56%時， 鋁的安培容量約為銅的1.85倍。在相同重量的情況下，鋁具有更大的導電性，但也具有更大的體積。因此對于重量要求較高的場合，使用鋁母線是較好的選擇。
3）機械強度高
GB/T35698.1（IEC60865-1）短路電流效應(yīng)計算第一部分定義和計算方法，母線受到的電動力合成應(yīng)力必須小于母排的允許應(yīng)力，許用應(yīng)力越大母線所需要的支撐距離可以更大，所需要的絕緣支撐數(shù)量可以減少。一般計算采用銅的許用應(yīng)力118MPa，鋁的許用應(yīng)力49MPa，鋁合金6061的許用應(yīng)力是80～165MPa， 鋁合金6063的許用應(yīng)力是55～90MPa。
另外還需要根據(jù)母線彈性模量校驗所選母排是否會發(fā)生諧振，避免使用固有頻率在50～100赫茲之間的母排。銅的彈性模量是13MPa，銅的彈性模量是6.7MPa。
2.3連接可靠
金屬的表面無論多么光滑都由微觀的峰和谷組成。當導體通流時，因電接觸面產(chǎn)生的電阻稱為接觸電阻，接觸電阻通常由收縮電阻（束流電阻）和表面電阻（膜電阻）兩部分組成。由于接觸電阻的存在，在導體搭接處將產(chǎn)生熱損耗。
當兩個匯流排用螺栓連接在一起時，電流從一個匯流條傳輸?shù)搅硪粋€匯流條，兩個匯流排表面上的微觀突起因螺栓連接的壓力而變形。母線的螺栓連接為了產(chǎn)生使母線上的微突出物變形所需的壓力，螺栓扭矩必須相當高，當施加越來越大的壓力時，初始點變形并變平，從而允許在更多點處接觸。即使在可以施加的最大壓力下，接近材料的屈服強度，實際接觸面積也只占配合表面總面積的一小部分。當母線螺栓連接時，金屬在增加的壓力下塑性屈服使得金屬與金屬真正接觸。緊固件的類型會影響螺栓連接處的壓力分布。如果僅使用螺母和螺栓，則接觸區(qū)域會集中在螺栓孔周圍。附近的材料可能會受到高應(yīng)力，并發(fā)生蠕變。變形或蠕變是不可逆的。從已公布的蠕變數(shù)據(jù)可以看出，高導電性鋁在環(huán)境溫度下，如果受到嚴重應(yīng)力則表現(xiàn)出顯著的蠕變。在相同的應(yīng)力下，150℃的溫度下高導電率銅的蠕變率與其相似。
2.4易于表面處理和環(huán)境適應(yīng)性好
當暴露在大氣中時，鋁和銅都會氧化。銅的氧化物、氯化物或硫化物的導電性比鋁的氧化物、氯化物或硫化物強得多。因此對于低電阻鋁接頭，必須對鋁接頭進行電鍍，以最大限度地減少氧化。
在大多數(shù)環(huán)境中，氧化鋁起到保護導體免受進一步腐蝕的作用。鋁母線導體的電氣連接的完整性取決于鍍層。鋁和銅導體通常鍍有銀或錫。一般來說，不應(yīng)該用螺栓將未電鍍的鋁連接到銅母線上。大多數(shù)鋁到銅的連接是通過在導體中的一個或兩個的接合區(qū)域上鍍銀或鍍錫來實現(xiàn)的。
母線連接處采用鍍銀工藝，接觸面的導電性能比普通鍍錫工藝有較大提高。與相同規(guī)格的裸母線相比，覆蓋絕緣層的母線通常運行溫度較低，因為與裸母線的光亮表面相比，通常顏色較深的絕緣材料是更好的熱輻射器。如充氣柜中的三工位開關(guān)采用鋁合金（6063-T6）作為連接部件，加工后先鍍銅不小于20μm后鍍銀不小于10μm，以保證耐磨性和連接的可靠性。
2.5高硬度要求
對于動連接的導體需要具有足夠的硬度以抵抗摩擦，采用鋁合金可以提高導體硬度，滿足滑動連接等要求。在使用高導電鋁和銅的條件下，無論是退火（或焊接）還是半硬，銅的疲勞強度大約是鋁的兩倍，這為機械或熱循環(huán)引發(fā)的失效提供了充足的強度儲備。
2.6其他性能要求
銅在氧化過程中釋放的熱量比鋁少得多，因此，在電弧意外對準的情況下，維持燃燒的可能性要小得多。在這種情況下，鋁氧化釋放的大量熱量足以蒸發(fā)更多的金屬，蒸發(fā)的鋁本身可以快速氧化，從而維持反應(yīng)，以這種方式產(chǎn)生的多余熱量加熱附近的材料，包括母線、空氣和任何絕緣支撐。隨著母線和空氣溫度的升高，蒸發(fā)和氧化速率增加，從而加速整個過程。隨著空氣溫度的增加，空氣膨脹并推動熱氧化物顆粒，鋁母線會達到其熔點，從而進一步增加氧化速率，推進燃燒。因此，對于內(nèi)部電弧，鋁母線造成的破壞更強。
在評估材料時，還必須考慮其他因素，例如相對柔軟的鋁的需要更多的支撐成本，以及較大表面積的絕緣成本。
來源：會說電氣
