劉 峰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，電力電纜在通信供配電領(lǐng)域的使用量越來(lái)越大，銅纜彎曲半徑大、重量重、造價(jià)高、施工難度大、抗蠕變性差以及延伸率差等問(wèn)題日益凸顯。通信電源用高功率密度稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體阻燃軟電纜的研制成功解決了以上問(wèn)題，其電氣性能與機(jī)械性能都超越銅芯電纜，同時(shí)降低了造價(jià)，延長(zhǎng)了使用壽命，可以有效實(shí)現(xiàn)“以鋁節(jié)銅”。

1 稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體阻燃電纜特點(diǎn)與加工工藝

1.1 特 點(diǎn)

（1）細(xì)化晶粒。稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體在熔煉過(guò)程中加入了稀土、鐵、硼以及其他微量的合金元素，性能得到提升。稀土起到凈化的作用，使熔體中的氧化物減少，增強(qiáng)導(dǎo)電性，提高熱加工性、韌性、高溫下的蠕變特性以及耐高溫腐蝕性等。而鐵、硼及其他的微量元素與鋁形成金屬間化合物，成為鋁之外的“第二相”，在鋁中高度分散。在凝固過(guò)程中，這些高度分散的“第二相”成為鋁結(jié)晶的核心，核心越多，形成的晶粒就越多，每個(gè)晶粒的尺寸也就越小，從而有效細(xì)化了晶粒。細(xì)化晶粒對(duì)金屬起到了強(qiáng)化作用，強(qiáng)度和韌性都有所提高，保證了電纜在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)的連接穩(wěn)定。此外，電纜載流量更好、重量更輕，敷設(shè)、安裝也更加方便。

（2）“第二相”彌散強(qiáng)化。鐵及其他的微量元素與鋁形成的金屬間化合物，是鋁之外的“第二相”。這些“第二相”幾何形狀為等軸狀，呈細(xì)小彌散態(tài)均勻分布在鋁基體中，也起到了顯著的強(qiáng)化作用。從材料學(xué)上講，金屬拉伸斷口上覆蓋的大量顯微微坑，被稱為“韌窩”?！绊g窩”是金屬斷裂時(shí)發(fā)生微觀變形的痕跡，“韌窩”的底部都會(huì)有一個(gè)或一個(gè)以上的“第二相”粒子，其數(shù)量和大小反映了“第二相”的數(shù)量、大小和分布，也反映了材料的韌性大小。稀土高鐵鋁合金單絲斷口上的“韌窩”整體數(shù)量較多，分布均勻，證明導(dǎo)體的韌性很好。而普通鋁單絲斷口上的“韌窩”數(shù)量較少，分布不均，證明韌性很差。普通銅單絲的斷口上只有少量大“韌窩”，且“韌窩”底部有明顯較大的硬顆粒雜質(zhì)，這種較大的顆粒起到了割裂金屬基體的作用，導(dǎo)致其韌性降低[1]。

1.2 生產(chǎn)加工流程

稀土高鐵鋁合金桿制備流程如圖1所示，稀土高鐵鋁合金電纜生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖1 稀土高鐵鋁合金桿制備流程

圖2 稀土高鐵鋁合金電纜生產(chǎn)流程

2 稀土高鐵鋁合金電纜與銅芯電纜優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析

2.1 抗蠕變性能

稀土高鐵鋁合金電纜在鋁基材中加入鐵元素，經(jīng)過(guò)退火處理后起到強(qiáng)化作用，抗蠕變性能相比于純鋁提高了300%，避免因長(zhǎng)期受到機(jī)械力的作用而出現(xiàn)蠕變，引起接觸電阻增大導(dǎo)致事故。銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的抗抗蠕變特性如圖3所示。

圖3 銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的抗抗蠕變特性

2.2 抗拉強(qiáng)度和延伸率

稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體相比于純鋁導(dǎo)體，由于加入了特殊的成分并采用了特殊的加工工藝，因此極大地提高了抗拉強(qiáng)度，且延伸率提高到30%，使用更加安全可靠。銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的延伸率對(duì)比如圖4所示。

圖4 銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的延伸率對(duì)比

2.3 防腐蝕性能

鋁固有的防腐性能源自鋁表面與空氣接觸時(shí)形成薄而堅(jiān)固的氧化層，這種氧化層能夠承受各種形式的腐蝕。合金中添加的稀土元素又能進(jìn)一步改善鋁合金的耐腐蝕性能，特別是電化學(xué)腐蝕。腐蝕的產(chǎn)生通常與不同的金屬在潮濕環(huán)境中的連接有關(guān)，可以使用相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)防止腐蝕的發(fā)生，例如使用潤(rùn)滑油、抗氧化劑以及保護(hù)涂層等。堿性土壤和某些類型的酸性土壤環(huán)境對(duì)鋁有較大的腐蝕性，直埋敷設(shè)的鋁導(dǎo)體應(yīng)使用絕緣層或模壓護(hù)套防止腐蝕。在含硫的環(huán)境中，例如鐵路隧道和其他類似地方，稀土高鐵鋁合金的抗腐蝕性能大大優(yōu)于銅。

2.4 柔韌性

稀土高鐵鋁合金獨(dú)特的合金配方、加工工藝使其柔韌性大幅提高，稀土高鐵鋁合金比銅柔韌性高30%，反彈性比銅低40%。銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的抗疲勞性對(duì)比如圖5所示。

圖5 銅、鋁和稀土高鐵鋁合金的抗疲勞性對(duì)比

2.5 鎧裝特性

國(guó)內(nèi)常用的鎧裝電纜大多采用鋼帶鎧裝，安全級(jí)別低，在受到外界破壞力時(shí)其抵御能力差，容易導(dǎo)致?lián)舸?。此外，其安裝成本相當(dāng)高，加之耐腐蝕性能差，使用壽命不長(zhǎng)。而金屬連鎖鎧裝電纜采用的是鋁合金帶連鎖鎧裝，其層與層之間的連鎖結(jié)構(gòu)保證電纜能經(jīng)受外界強(qiáng)大的破壞力，即使電纜遭受較大的壓力和沖擊力時(shí)，電纜亦不易被擊穿，提高了安全性能。同時(shí)，鎧裝結(jié)構(gòu)使電纜與外界隔離，鎧裝層提高了電纜的阻燃耐火級(jí)別，降低了火災(zāi)的危險(xiǎn)系數(shù)。鋁合金帶鎧裝結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼帶鎧裝敷設(shè)便利，可免橋架安裝，能減少20%～40%的安裝費(fèi)用。根據(jù)使用場(chǎng)所的不同，可以選擇不同的外護(hù)套層[2]。

2.6 緊壓特性

單從體積電導(dǎo)率方面考慮，鋁合金不及銅，但稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體不僅從材料性能方面進(jìn)行了改進(jìn)，而且在工藝方面也取得了很大的突破。采用超常規(guī)的緊壓技術(shù)，使緊壓系數(shù)達(dá)到0.93，而異型線的緊壓系數(shù)能達(dá)到0.95。通過(guò)最大極限的緊壓，可以彌補(bǔ)鋁合金在體積導(dǎo)電率上的不足，使絞合導(dǎo)體線芯如實(shí)心導(dǎo)體一般，明顯降低線芯外徑，提高導(dǎo)電性能。

2.7 節(jié)能環(huán)保

有研究數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)相同載流量和長(zhǎng)度的鋁合金電纜比生產(chǎn)銅纜消耗的能源更少，CO2排放更少，更加環(huán)保節(jié)能。銅的熔點(diǎn)在1 080 ℃，而鋁的熔點(diǎn)在680 ℃，冶煉能耗低，CO2排放少。相同載流量下，稀土高鐵鋁合金電纜的重量是銅纜的一半，運(yùn)輸、安裝敷設(shè)更加方便快捷。鋁合金的回收率很高，再生鋁的綜合能耗只是電解鋁的5%，而再生銅的綜合能耗則是冶煉銅的18%。低煙無(wú)毒耐火新型電纜可以實(shí)現(xiàn)1 000 ℃高溫下不延燃、不滴落、無(wú)毒氣以及無(wú)煙霧，有效降低了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和人身安全隱患。相較于銅纜，稀土高鐵鋁合金電纜在戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備、材料成本、施工成本、線路線損等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)[3]。

2.8 填補(bǔ)通信領(lǐng)域空白

稀土高鐵鋁合金電纜技術(shù)及產(chǎn)品研制、推廣，填補(bǔ)了通信領(lǐng)域應(yīng)用空白，同時(shí)滿足集團(tuán)電力電纜應(yīng)用需求，降本增效效果明顯[4]。稀土高鐵鋁合金電纜導(dǎo)體材料是在高純度鋁材基礎(chǔ)上加入了不同種類及適當(dāng)比例的稀土及鐵硅等微量元素，除去了鋁中的雜質(zhì)，生成了鋁基之外的金屬間化合物，細(xì)化了鋁的晶粒，在保證優(yōu)異導(dǎo)電性能的情況下具有更好的機(jī)械性能。其導(dǎo)體中的稀土合金成分大大改進(jìn)了傳統(tǒng)鋁導(dǎo)體的抗蠕變性能，尤其是當(dāng)導(dǎo)體退火時(shí)，添加的鐵元素產(chǎn)生高強(qiáng)度抗蠕變性能。電纜即使長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱，也能保證連接的穩(wěn)定性，進(jìn)而成功地解決了鋁電纜不能完全代替銅電纜的技術(shù)瓶頸，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新綠色發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]。

3 稀土高鐵鋁合金電纜應(yīng)用前景剖析

稀土高鐵鋁合金電纜現(xiàn)階段產(chǎn)品系列適用于供配電系統(tǒng)，除消防回路外，涵蓋通信行業(yè)的35 kV及以下所有供配電領(lǐng)域。稀土高鐵鋁合金電纜具備抗氧化耐腐蝕性能，綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)得以充分體現(xiàn)。稀土高鐵鋁合金電纜采用綠色環(huán)保絕緣護(hù)套，耐高溫、耐低溫、抗紫外線，使用具備經(jīng)濟(jì)性。節(jié)能減排是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。同等載流量的稀土高鐵鋁合電纜重量只有銅電纜的一半，同時(shí)還有機(jī)械強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)彎半徑小、回彈量小等特點(diǎn)。與銅纜相比，稀土高鐵鋁合電纜運(yùn)輸方便，安裝靈活，整個(gè)生產(chǎn)和使用過(guò)程中減少了碳排放量，具備推廣價(jià)值。

自然界中鋁資源的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅，開(kāi)采成本也低于銅，使得鋁價(jià)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅價(jià)。稀土高鐵鋁合金導(dǎo)體的主要成分是鋁基，經(jīng)成本核算，其成纜電纜售價(jià)接近移動(dòng)集團(tuán)集采銅電纜的80%左右，為基于“以鋁節(jié)銅”的稀土高鐵鋁合金的大面積推廣及應(yīng)用奠定了市場(chǎng)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

稀土高鐵鋁合金電纜具有強(qiáng)柔韌、易彎曲、低反弾以及抗蠕變等特性，機(jī)械性能和物理性能優(yōu)異而穩(wěn)定，能夠減少相關(guān)維護(hù)和檢修行為消耗的能源。同時(shí)，其具備施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，將逐漸成為未來(lái)供配電系統(tǒng)的重要應(yīng)用載體。