铝合金电缆的连接性能测评_编译自IEEE获奖文章

铝合金电缆与铜缆的连接性能对比测评
——论中国住宅建筑应避免使用铝合金电缆
王建业、罗恩·弗兰克
铜和铝是常用的电导体材料，二者的相互替代一直延续至今。

这种相互替代之所以存在，是经济因素和导体性能博弈的结果。

目前有外资企业在中国生产铝合金电缆，并力推其用于房地产项目。

本文通过对比铝合金导体、铜导体的连接性能，论述铝合金电缆在中国住宅建筑的不适用性。

与以往不同，本次测评针对的是电缆（英文为power cable）的连接而不是导线(building wire)的连接。

2003年，加拿大某电力实验室负责进行了一项试验，在同等环境条件下比较铜导体铜接头、铜导体铝接头、铝导体铝接头的连接性能（此处及以下的铝均指铝合金）。

结果表明，铝合金电缆的连接可靠性与全铜连接的可靠性相差甚远。

根据该实验撰写的论文曾获得IEEE颁发奖项。

以下是试验的相关内容。

一、背景
铝和铜的电气特性有显著的差别，而且其氧化物会影响其长期的性能。

暴露在空气中的铝容易氧化，而且附在金属的外层迅速形成硬的具有电气绝缘性能的氧化物。

因此铝接头通常要制造成外层镀锡以防止接头产生表面氧化。

铝压接头也要预先填充抗氧化复合物以减轻在运行中铝导体及其接头之间的氧化。

铝导体必须始终保证无氧化层且施加抗氧化剂（或导电膏），现有的铝合金电缆均不能省略这一工序。

铜暴露在空气中也会氧化，但形成的氧化物相对较软，而且是导电的。

因此铜接头通常可不用抗氧化剂。

在潮湿环境中铜和铝直接接触时，由于两种金属的不同性质，从而会产生剧烈的电解反应。

铜和铝的不同特性会导致各种型式的电气接头在长期使用中产生显著不同的性能。

本试验将铜和铜、铝和铜、铝和铝连接的接头暴露在腐蚀环境，以大电流短时间试验2000小时，使其加速老化。

铜和铜的接头在试验期间的电阻变化很小，在本次试验中表现最好。

二、试验的样本
试验样本包括美国线规19股AWG2/0（接近公制70mm2）铜缆，加拿大的AA8xxx系列18股AWG4/0（接近公制95mm2）铝合金缆。

二者的载流量比较接近。

试验采用的电缆、接头及抗氧化剂均为标准的商业化产品。

三、接头的安装
采用压接及机械式螺栓单孔连接，所有的铝导体的压接都镀锡并填充抗氧化
剂。

接头安装在50厘米长的一段导体上，并采取下列安装程序：
●安装接头之前，所有的导体立即檫净；
●安装机械接头的铝导体使用Thomas&Betts Contax CTB8抗氧化剂；
●铜导体和铜接头不用抗氧化剂；
●压接式接头采用Thomas& Betts（Blackburn）TBM5型压接工具；
●机械式接头的安装采用的力矩见表2；
●在每根导体的另一端以焊接方式安装补偿器，使导体的电流试验和电阻测试的电流分配更好。

四、试验内容
试验包括腐蚀循环试验和大电流的猝发试验，将腐蚀环境作用于接头，呈现接触电阻随着试验进程升高的情景。

循环试验按下列程序进行：
●在500小时的时间段内进行盐雾腐蚀循环试验；
●在每个500小时时间段内进行电流猝发试验；
●腐蚀试验期间每隔约170小时，以及在每组电流猝发试验的前后，读取每个接头的直流电阻；
●在总计约2000小时的盐雾试验中进行总计4组的盐雾和电流猝发试验。

腐蚀循环试验。

各组连接样本放置在环境试验室中的3个PVC架上，导体和接头按水平排列，接头部位悬于空气中。

各组样本的位置定期调换，使其获得几近相同的外界条件。

每4小时的腐蚀试验周期包括下列步骤：
1、喷放含有用pH值为5.5的硝酸冲淡的风干3%氯化钠溶液的盐雾，持续1小时45分钟；
2、在2小时内将其加热达到最高700C，使其变干；
3、以清洁水清洗15分钟；
在腐蚀循环试验期间，上述步骤不断重复。

电流猝发试验。

采用电流猝发试验的目的是研究接头与导体连接的老化。

为此，对AWG4/0 铝导体采用的电流等级是1750A，对AWG2/0铜导体的采用的是1800A。

每次试验的电流保持在以上等级，使导体的温度在规定时间内达到2500C。

根据处于控制导体中央位置的热电偶测试，从接近室温时开始升高到2500C通常需要施加约50秒的电流。

样本要通过下列电流猝发试验：
●每组10个接头串联起来同时进行电流猝发试验；
●控制导体和组装的接头串联起来。

热电偶装在每根控制导体的中央，监测在电流猝发试验期间导体的温度。

●连续5次短时间大电流猝发。

每次猝发间隔中，允许样本冷却到400C。

在每组5次电流猝发试验前后，每个样本的电阻（从补偿器到接头）是在室温条件下用微欧姆表测试得出的。

五、试验结果
腐蚀和电流猝发试验的最终结果如下。

每种样本在整个试验期间的电阻变化以百分比形式体现。

当样本整体（补偿器、该段导体和接头）的电阻增值大于5%时，相当于从导体与接头的接触电阻增加100%以上。

因此，样本整体电阻增加达5%时被定义为电阻显著增加。

铝导体与铝接头的样品
●40%的样本可视为导电功能丧失；
●10%的样本的电阻显著增加；
●20%的样本的电阻中度增加；
●30%的样本的电阻减小。

铜导体与铝接头样品
●40%的样本的电阻显著增加；
●30%的样本的电阻中度增加；
●30%的样本的电阻小量增加。

铜导体上与铜接头的样品
●70%的样本的电阻小量增加；
●30%的样本的电阻减小。

在这次2000小时腐蚀和电流猝发试验所获得的结果显示，性能最好的是全铜连接系统，即以铜接头连接的铜导体。

六、参考图表
1、所用的接头和导体
(英文原表，数字更清楚，供参照)
2、安装力矩
(英文原表，数字更清楚，供参照)
3、接头样本
图1：用于猝发电流试验的接头样品
4、铝导体铝接头的连接
4.1试验前
图2
4.2试验后
图3
5、铜导体铜接头的连接
5.1试验前
C9/C10 C7/C8 C5/C6 C3/C4 C1/C2 图4
5.2试验后
C9/C10 C7/C8 C5/C6 C3/C4 C1/C2 图5
6、铜导体和铝接头的连接
6.1试验前
B9/B10 B7/B8 B5/B6 B3/B4 B1/B2 图6试验前铝和铜连接的样品
6.2试验后
B9/B10 B7/B8 B5/B6 B3/B4 B1/B2
图7
7、导电性能对比表
(英文原表，数字更清楚，供参照)
表3
结论
试验结果证明，在相同条件下铝合金电缆的电气性能与铜缆存在显著差距。

上述试验针对的是电缆（英文为power cable）而不是导线(building wire)。

试验采用的连接符合现行的电缆安装做法。

需要说明的是，加拿大的铝合金缆与目前中国的铝合金缆所用导体并无实质上的区别。

假设铝合金电缆的连接性能真如铜缆般可靠而价格又低于铜缆，那么铝合金电缆在过去的四十年中早应该占据北美的主流市场，但是事实并非如此。

铝合金电缆不适合中国的住宅工程。

原因有三。

1）在中国，房地产开发企业只管建房而不负责运维。

中国的多数住宅虽然有物业公司，但是普遍缺乏系统、专业的电路检查和维护，使用铝合金电缆配电系统缺乏配套保障。

另外，中国也没有相关的安全检查规范保证既有住宅的电气安全和供电可靠性。

2）采用铝合金电缆的配电系统不可避免地需要检查其电气连接的有效性和抗氧化剂的有效性。

为弥补物业管理的不足，就必须增加供电公司的工作负荷。

3）中国住宅建
筑人口密集，居民生命与财产安全不容忽视。

2010年发生在上海等地的若干起民用建筑电气火灾已经给予社会各界足够的警示——电气事故不一定发生在工程伊始，当量变积累成质变时，灾害不可避免且损失难以挽回。

住宅安全事故发生原因可以有很多种，但是为此买单的往往是无辜百姓。

另外，为保护国家利益，铝合金电缆不应被我国相关标准采纳。

全球范围内专门生产此类铝合金电缆的企业目前只发现一家，是来自北美的制造商（仿冒厂商除外）。

在过去的几十年中，铝合金电缆市场萎缩严重，濒临淘汰。

现来到中国是因为这里的市场尚有利可图。

美国NEC标准、国际标准如IEC都没有明确对铝合金导体的使用，有的只是铜或者纯铝导体。

标准制订单位应避免一个条款施惠于一家企业的现象出现，更何况是外资垄断企业。

如果我国标准采纳了铝合金电缆，还将带来更严重的问题——劣质品泛滥引发电气事故。

无论在国际标准或者我国标准中，都没有铝合金电缆的产品标准，因为它不是一个普遍生产和采纳的产品。

没有铝合金电缆的产品标准，那么必然会出现很多厂家钻空子，将伪劣产品冠以铝合金电缆之名，从而谋取暴利。

失去监管，劣质产品大行其道，带来后患无穷。

综上所述，铝合金电缆不应该被用于中国的住宅工程。

标准制定者和管理部门有责任保障人民生命及财产不受损失；设计院采纳了铝合金电缆，将平添终身责任风险；开发企业不应该为追求短期利润而忽略了品牌建设和社会责任。

站在政府的高度，更应该维护国家利益，重视本土企业的生存和保障人民的切身利益。

当我们面对安全和可靠的问题时，不应该优先考虑其它因素。

将以人为本作为出发点，许多看似复杂的问题也会迎刃而解。