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铝基动力母线铜覆铝母线的铜铝界面在光学金

  482006年第 8期48电工材料 Electrical Materials电气制造1 引言铜覆铝母线是用在高低压成套开关设备和控制设备行业(含母线槽)的良好导电材料,其开发和生产是各工业国电工行业关注的热点。铜覆铝母线是以铝为芯体,在其上、下面包覆一层铜带、铜与铝界面实现冶金结合的复合材料。它与普通铜,铝母排一样,有着良好的导电能力,但重量却比铜母排轻得多。铜覆铝母线集铜和铝两种金属的物理、化学、力学、电气性能集中于一身。不仅具有好的导电性、接触电阻小等特点,还具有比重小、重量轻、价廉等特点,是一种综合性能优良的新颖导电材料。我国铜母线在高低压成套开...

  482006年第 8期48电工材料 Electrical Materials电气制造1 引言铜覆铝母线是用在高低压成套开关设备和控制设备行业(含母线槽)的良好导电材料,其开发和生产是各工业国电工行业关注的热点。铜覆铝母线是以铝为芯体,在其上、下面包覆一层铜带、铜与铝界面实现冶金结合的复合材料。它与普通铜,铝母排一样,有着良好的导电能力,但重量却比铜母排轻得多。铜覆铝母线集铜和铝两种金属的物理、化学、力学、电气性能集中于一身。不仅具有好的导电性、接触电阻小等特点,还具有比重小、重量轻、价廉等特点,是一种综合性能优良的新颖导电材料。我国铜母线在高低压成套开关设备和控制行业是消耗铜资源的大户,我国是贫铜资源国家,国内铜价格越来越贵,而我国铝资源非常丰富,铝的价格又大大低于铜。以铜覆铝母线替代应用面广,需求量特别大的铜排,在电工行业将有广泛的应用前景,将会与铜、铝一样成为良好的导电材料,有望形成巨大的产业。我和有关研究单位对铜覆铝母线进行开发研制,并将铜覆铝母线A)母线槽中,产品已通过国家强制性产品认证,分别获得3C证书,并已经在用户工程中使用。铜覆铝母线没有国家标准,因此我制定了相关标准(并在技术质量监督局备了案)。建立了生产基地,有望批量生产投放市场。2 铜覆铝母线的结构母线是以铝为芯体,在其上下面包覆铜层,其具有均匀性、致密度,对电流传输性能产生良好影响,从生产的铜覆铝母线横载面分析可见,上、下铜层的分布是十分均匀的。铜层的体积比或铜覆铝母线的密度是重要的经济指标。铜覆铝母线的铜层厚度可用金相观察法或酸蚀剥离法测量,据此算出铜层体积比,铜层重量以及铜覆铝母线 铜与铝界面的结合在铜层与铝芯的界面上实现铜和铝之间的冶金结合是衡量铜覆铝母线内在质量的重要标志。可通过金相分析和力学试验来鉴别母线均能完全达标。铜覆铝母线的铜铝界面在光学金相显微镜下可看出在两者的界面上不存在黑色的非金属化合物,说明两种金属的分子结合得很好。 用力学试验鉴别铜、铝之间治金结合的方法如下几种:(1)根据国家标准GB/T244有关规定,对铜覆铝母线,表面应不出现裂纹、断裂和包覆分层现象。(2)将铜覆铝母线进行拉伸试验直至断裂,断裂处铜层不与铝芯分开。(3)铜覆铝母线的界面经力学分层拉力试验,界面结合强度达100MPa以上。(4)产品性能和制造铜层厚度,按Q/(GZ)ABC7-2006《铜覆铝母线》进行检验应符合标准要求。生产的铜覆铝母线经上述四种方法试验后表明,铜与铝的冶金结合是十分良好的。4 铜覆铝母线的退火从铜覆铝母线退火后的金相分析,在铜和铝的界面上由于形成一层白亮层为化合物(CuAl2)。这金属化合物为脆性相,当其厚度较大时,会降低铜覆铝母线的伸长率。化合物层的厚度取决于退火温度与退火时间,从实际使用考虑,只要正确掌握退火工艺,使化合物层的厚度合理,对性能不会产生不良影响。因而正确掌握生产工艺生产的铜覆铝母线在长期使用中性能是很稳定的。5 铜覆铝母线的机械性能和 电气性能铜覆铝母线的机械性能(抗拉强度、弯曲、伸长率)、电气性能(电阻率、电流载流量、温升)和化学表面稳定性的各项技术指标均可满足各类电气设备规定要求。铜覆铝母线机械性能和电气性能如附表所示。铜覆铝母线的质量和性能张超群 蒋成卓 (广州市埃比斯开关制造有限 广东广州 5100045) 492006年第 8期49电工材料 Electrical Materials电气制造6 铜覆铝母线的高温性能序号 项目 单位或符号 实测值 测试方法1 硬度 HBW5/250/30 37.3,57.3,37.1 GB/T2302体积电阻率 20℃mm2 /m0. 2615 GB/T3048.23抗拉强度 N/mm2105伸长率 A200 mm % 11.5GB/T2284 弯曲试验 弯曲90直径64 合格 GB/T2445 温升 环境温度(+ 10 ~ + 40)℃ 60℃ GB7251.16 电流载流量 环境温度(+ 10 ~ + 40)℃ 任选 GB7251.17 表面化学稳定性 与铜相同 合格GB/T 6461-2002GB/T 2423.3-2001附 表铜覆铝母线℃下经受相当长时间试验后,其铜、铝之间的金属化合物层没有增厚,说明,铜覆铝母线℃以长时间使用,满足电气设备的温升等性能要求。铜覆铝母线已从科研成果转化为工业产品,并批量投放市场。这种铜覆铝母线具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性、重量轻、成本低、安装方便等特点,其开发成功是高、低压成套开关设备和控制设备行业的一项创新举措和新的亮点。EM(上接第30页)感。结构设计时,必须避免采用以铁心作为主承重结构件的传统设计方案。(7)为了获得优良的低损耗特性,非晶合金铁心片必须进行退火处理。(8)从电气性能上。为了减少铁心片的剪切量,整台产品的铁心由四个单独的铁心框并列组成,并且每相绕组是套在磁路独立的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外,还有三次谐波磁通的存在,一个绕组中的两个卷铁心框内,其三次谐波磁通正好在相位上相反,数值上相等,因此,每一组绕组内的三次谐波磁通向量和为零。如一次侧是D接法,有三次谐波电流的回路,在感应出的二次侧电压波形上,就不会有三次谐波电压的分量,因此非晶合金变压器一般选用D接法。(9)非晶合金变压器铁心不能承受压力,变压器绕组与铁心间不能用撑条撑紧,截面为矩型,线圈受力稳定性不如圆形线圈好,因此考虑提高变压器的短路能力须将低压绕组绕制在一个筒型骨架上,提高绕组机械强度,稍大一点的低压绕组还必须采用箔式绕组,平衡安匝、降低横向漏磁,降低突发短路时的短路机械力。根据上面分析,三相非晶合金配电变压器合理的结构为:铁心,由四个单独铁心框在同一平面内组成三相五柱式,必须经退火处理,并带有交叉铁轭接缝,截面形状呈长方形。绕组,为长方形截面,可单独绕制成型,双层或多层矩形层式,低压绕组采用箔式绕组比较好。4 经济与社会效益(1)变压器损耗变压器损耗包括两部分:一是变压器固定损耗,即与用电负荷无关的空载损耗 ;二是变压器的可变损耗,其损耗与电流平方成正比;固定损耗即是在变压器铁心中产生的空载损耗,其损耗=空载损耗×时间;可变损耗即是电流在变压器线圈中产生的损耗,与变压器的负载大小有关,对于非晶合金变压器与硅钢变压器在额定电流下的负载损耗大小相等,使用中只要负载情况相同,产生的可变损耗都相同;非晶合金变压器与硅钢变压器节能体现在不变损耗即空载损耗上。(2)经济效益分析分析采用的数据: 变压器年运行天数:365天;每天运行 24h;变压器运行年限20年工业电能单价:0.8元/度(kWh) ;变压器容量:1000kVA; 非晶变压器空载损耗:413W; 硅钢变压器空载损耗:1636W变压器每运行一年固定损耗的电能:非晶合金变压器:413× 365×24/1000= 3617.9度(kWh)硅钢变压器:1636× 365× 24/1000=14331.4度(kWh)年节约电能:14331.4-3617.9= 10713.5度(kWh)年节约电费:10713.5× 0.8=8570.8元9系列1000kVA变压器价格为 :9万元非晶合金变压器销售价格为 1.4倍为:12.6万元综合差价:3.6万元采用非晶变压器超价回收年限:36000÷8570.8=4.2年采用非晶合金变压器与采用硅钢变压器在使用寿命20年内可节约电费:8570.8×(20-4.2)=13.54万元(3)社会效益非晶合金变压器的采用对于解决我国电力紧张,能源紧张、减少环境污染等具有明显社会效益,以 1 000kVA变压器为例,由于节能效果显著,可减少发电时的CO2 排放量10 t/年。综上所述非晶合金变压器是电工行业真正的节能绿色环保产品。EM
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