电线电缆铜包铝线资料

绪论
双金属铜包铝线（Copper clad aluminum wire）简写为CCA，采用先进的包覆焊接制造技术，将高品质铜带同心的包覆在铝杆等芯线的外表面，并使铜层和芯线之间形成牢固的原子间的冶金结合。

这就使得在一根导线上发挥了两种金属材料的特点，使铜的优良导电性和铝的重量轻的特点结合在一起，克服了铝导线的缺点，形成具有导电性好、密度小、柔软、耐腐蚀、易焊接、价格低廉等特点的铜包铝线。

从而发展成为一种新的金属导电材料。

信息产业的迅速发展为射频同轴电缆的大量应用与发展带来了重要机遇。

铜的导电性能好，具有较强的耐腐蚀性能，在铜中加入少量的锡或银后，其耐磨和耐热性能可得到进一步提高。

因此同或铜合金一直被视为同轴电缆内导体的首选材料。

但铜的密度高，铜资源比较少，且纯铜导体的价格较高。

随着复合技术的不断发展与进步，在保证导电性能的前提下采用复合技术，用廉价的金属部分代替铜以降低生产成本，已经成为国内外研究开发人员努力的目标。

其中铜包铝复合材料是一种比较理想的替代品。

如今我国现有的绝缘电线电缆常用的内导体主要有铜（Cu）、铝（Al）两种单金属，而且采用铜做内导体的居多，铝芯线缆用户主要集中在东北、中部、西北部地区。

我国铝资源非常丰富，铜资源相对匮乏，20世纪50年代到70年代中期我国广泛推广使用铝芯线缆，铝排铝漆包线等产品，当时铝导体的用量占导体总用量的比例达60%以上，80年代到90年代，由于铜铝价差的缩小，铜固有的导电性能大大优于铝的性能，再加上国际铜业组织一味鼓噪推崇铜导体，使铝芯电缆的推广使用受到阻碍，也使铜价一路飙升，给电缆制造行业带来前所未有的压力，造成流动资本增加，利润空间缩小，相当一部分企业纷纷改行、停产。

在这铜价高起的市场背景下，寻找新的导体材料已刻不容缓。

根据国家推荐标准，在20℃时，某一铜导体截面的直流电阻值与对应大的两个规格的铜包铝导体直流电阻值相当，也就是说，从传输过程中的能量损失考虑，某一铜导体电力电缆完全可以由对应大的两个规格的铜包铝导体电缆所替代，它们的载流量是相当的。

另外，从电缆造价上看，在同等载流量的情况下，铝导体电缆的金属导体原材料成本较铜导体电缆低得多。

在如此情况下，无论是电缆使用者还是设计单位，在保证载流量相同的情况下，选择铝芯电缆是完全可行的，这样不仅使电缆生产企业能够回避风险，有利于行业的健康发展，同时对抑制铜价的上涨也会起到一定的作用。

第1章铜包铝线概述
1.1铜包铝线的发展背景及历程
1.1.1铜包铝线的历史发展背景
铜包铝线（Copper clad aluminum wire）是在铝芯线上同心地包覆铜层的双金属复合线材，早在20世纪60年代，欧美一些国家就开始研究和应用铜包铝材料，日本等国家也一直开发相关资料，并进入实用阶段，使铜包铝成为继铜、铝后的第三种导体。

由于铝表面极易氧化，产生氧化膜又极难除去造成接触电阻大和不能焊锡焊接，严重影响了铝代铜的普及率，而铜包铝的开发成功，开创了铝代铜的转机。

早在开发初期，铜包铝在国外仅使用在建筑电线的布线以及广播电视通讯的高频电缆和屏蔽线上。

随后在1999 年10 月，我国戴教授与大连的吴运忠博士、丁纪洲高工等人合作，利用国外的旧设备生产出了中国造的铜包铝材料，不仅数量没有超过200 吨，而且产品合格率仅为70%。

随后，广东一厂家试制出了第一台铜包铝生产设备，但是由于产量、质量、资金等原因，最终未形成生产能力。

经过多次试验，2001年10月，中国第一台铜包铝生产线在大连诞生；接着，西安也出现了类似的生产线。

由于铜包铝导体材料生产的产业化，目前国内已可以满足逐步实现大批量的产能，其应用范围越来越大，已逐步大量应用在电动机，变压器的漆包线、母线、电线电缆上，而且深受广大用户和制造商的欢迎。

1.1.2国内铜包铝线近几年的发展状况
我国线缆行业本来就是微利行业，面对国际铜价的上涨，自主创新寻找原料替代品降低成本似乎就成为了企业自救的唯一可行的办法。

于是铜包铝的研究与应用再次成为近期线缆企业纷纷讨论与研究的热点。

2005年以前，国内真正开始生产铜包铝材料的生产线企业只有两家，而形成定型的，批量规模的只有大连一家。

全国能够投入正常生产的生产线不到50条，年生产能力不到2万吨。

在21世纪的今天，国内铜包铝材料生产设备和工艺已趋于成熟，而且早在2000年信息产业部也制定了产业标准。

较早开始试制铜包铝导线生产线的大连、西安等几家企业终于有了商机。

至今，国内形成生产能力的铜包铝设备制造厂有五六家，已形成生产导线能力的生产线近200条。

铜包铝主要的生产厂家分布在辽宁的大连、江苏的常州和苏州、上海、浙江、广东一带。

我国一些电线电缆企业经过不断进行尝试，不但在借鉴国内外现有成果的基础上进行了大量的研究和试验，取得了大量的数据，同时还对导体的界面，导体在各种有害、腐蚀溶液中，在用焊锡焊接的接头上，在耐高温中，在拉拨、退火工艺上进行了大量的研究，还对其在工频下的交流电阻、载流量、集肤效应、邻近效应等进行了大量的运算，同时还对铜包铝的回收利用作了大量的试验和研究。

得出的结论是，在与国外研究结果的结论一致的同时，进一步确认在与铜导体直流电阻相同的条件下：1.其导体间和与接线端子的热循环指标要比铜好；2.其交流电阻、电流载流量要比铜好，从而线损也要比铜低；3.其与锡可焊性与铜相同；
4.其接触电阻与铜相同；
5.其电阻率可通过导体截面和铜含量以及复合导体来调节。

1.1.3国外铜包铝线的发展状况
在西方发达国家，铜包铝的开发应用已有30多年，但是应用量似乎并没有增大。

英国西蒙公司认为，铜包铝在电线电缆行业中应用量很少。

在欧美国家，铜包铝主要应用在通信领域，特别是高频领域中做导电芯与屏蔽用。

在大容量特种导体例如铜包铝扁线、铜包铝母线、纸包扁线（母线）也会得到应用。

美国GC公司对铜包铝导线的连接部位的可靠性得出的结论是：能和铜线用同一方法连接。

美国UL还对10AWG 和12AWG 的铝导线由于连接不良引起的事故进行了研究，而铜包铝不存在这个问题。

美国UL还制定了铜包铝的导体标准（UL1561-2001）。

英国BICC公司经过对电缆以及连接的通电负荷长达七年的研究，经过1000 万小时的反复试验，结果显示: 铜包铝在经济、技术上可与铜线竞争，且价格稳定。

在美国的ASTM标准中对铜包铝导线的构造和特性作了详细的规定；美国的TI公司还把铜比例为10% 的铜包铝作为导线标准。

日本的电线株式会社把铜包铝是否可作为电线电缆的导体材料进行了大量的调查和研究。

研究试验的内容包括:1.对铜包铝的导体结构（铜的比例10～15% 和线经与厚度关系）；2.物理机械性能；3.表面特性，尤其是铝的接触电阻特别大，而铜包铝则与铜一样优良。

同时还对其弯曲刚性、反复弯曲、反复卷绕等进行试验。

电线株式会社还对连接器和配线器具的连接进行了大量的研究：1.对接触电阻的试验;2.通电热循环试验。

与铜用接头的连接研究:1.选用尺寸范围的使用；2.二次压接的效果；3.对各种接头及接线器的适合性。

日本的电线株式会社历经了数年的适用性研究证明铜包铝具有：1.连接易；2.连接可靠；3.重量轻；4.绕性好；5.经济，具有与铜线同样安全可靠的特点。

1.2铜包铝线的特性
对于机电安装行业，电线电缆在机电安装工程中占据了重要的地位，作为其主要原材料的铜，占了电缆产品总成本的70%~80%，铜电缆的价格随着铜价的上涨而急剧增长，对投资方和施工方在工程造价控制方面带来极大的困难，为此，铜包铝电缆研究和应用迅速增长。

铜包铝线缆是指以铝芯线代替铜成为线缆主体，外面包一定比例的铜层的电线电缆。

铜包铝电缆就其用途来分，基本可分为两类：一类是信号或通讯用途的铜包铝电缆，另一类是供电用的铜包铝电缆。

就其特性，将铜包铝和纯铜电缆进行以下的比较
1.2.1铜包铝通信电缆
机械特性：纯铜导体强度、伸长率比铜包铝导体大，也就是说纯铜在机械性能方面比铜包铝好。

从电缆设计的角度来看，纯铜导体比铜包铝导体机械强度好的优点，在实际应用过程中不一定需要。

铜包铝导体比纯铜轻很多，因此铜包铝的电缆在整体重量上比纯铜导体电缆要轻，这样会给电缆的运输和电缆的架设施工带来方便。

另外铜包铝比纯铜软一点，用铜包铝导体生产的电缆在柔软性方面比纯铜的电缆好一点。

电气性能：因为铝的导电性比铜差，使得铜包铝导体的直流电阻比纯铜导体大，这点有无影响主要看电缆是否会被用来供电，如给放大器提供电源，如果被用来供电的话，铜包铝导体将会导致额外的电力消耗，电压降低较多。

当频率超过5MHz时，此时的交流电阻衰减在这两种不同的导体下没有明显的区别。

当然，这主要是因为高频电流的集肤效应，频率越高，电流的流动就越接近导体表面，在铜包铝导体的表面实际上纯铜材料，当频率高到一定时候，整个电流镀在铜材质里面流动了。

在5MHz情况下，电流在近表面的约0.025毫米厚度中流动，而铜包铝导体的铜层厚度比此厚度多约一倍。

对于同轴电缆，因为传输的信号是在5MHz 以上，因此铜包铝导体和纯铜导体传输效果是相同的。

在实际测试电缆的衰减可以证明这一点。

铜包铝较纯铜导体软，在生产过程中容易进行矫直处理，因此在一定程度上可以说用铜包铝的电缆要比用纯铜导体的电缆回波损耗指标好。

经济性：铜包铝导体是按重量出售的，纯铜导体也是按重量出售的，铜包铝导体的价格要比相同重量的纯铜导体贵一些。

但是同样重量的铜包铝要比纯铜导体长度长很多，而电缆是按长度计算的。

相同重量,铜包铝线是铜线长度的2.5倍,价格仅仅是每吨多几百元。

综合下来，铜包铝就很有优势。

由于铜包铝电缆比较
轻，电缆的运输成本、安装架设成本都会有所降低，会给施工带来一定的方便性。

1.2.2 铜包铝电力电缆
直流电阻率：铜包铝线的电阻率比纯铜线大，约为纯铜线的1.5倍，在阴值相同时，铜包铝线重量约为纯铜线的1/2。

根据集肤效应计算，在5MHz以上高频时，与相同截面的铜导体相比，其电阻率相等。

在50Hz频率的电力电缆的使用中，其铜导体的集肤效应和邻近效应在150mm2以上就逐渐显得突出，同时由于科学技术的不断发展，产生高次谐波电流和能源会注入到供电系统中，在系统的阻抗上产生出相应频率的高次谐波电压，致使电压的波形发生畸变，增加供电系统的损耗，使导体发热增加。

此外，电缆使谐波放大，在接头处产生过电压而损坏电缆头。

采用铜包铝导体会起到降低高次谐波产生的交流阻抗(电阻)的作用。

在其他使用场合，通过采取提高铜包铝单丝中铜的体积和相应的工艺措施，使铜包铝/铜复合导体在现有同规格导体的外径尺寸上限内，满足导体直流电阻要求。

接驳方式：采用铜包铝导体可满足目前待续多年的电线电缆在产品选型、设计、使用、安装等方面的习惯，还对电缆的接线端子紧压、锡焊接有利。

降低交流电阻：交流电阻是电流载流量的主要依据，根据集肤效应的原理，单根导线的表面，其单位面积通过的电流比导线的圆心单位面积通过的电流要大，也就是说，大截面导体的圆心在相同导体相成的圆面积内，圆心比圆周通过的电流要小，所以把圆心导体与圆周导体用不同的金属组成是最合理、最经济的。

影响交流电阻指标除直流电阻、集肤效应外，还有邻近效应，与相同直流电阻的铜导体相比，采用铜复合导体后，单根导体内，铝在园心，铜在外缘;在绞合导体内，内层是铜包铝，外层是纯铜，而铝对集肤效应和邻近效应都没有铜敏感，同时铜复合导体会使导体总截面增加一部份，因此也增加了导体的表面积，改善了电缆的散热条件，增加了散热面积，而铝的导热系数与铜相近，在同等的材料成本条件下，交流电阻的指标要经济得多。

具有良好的耐腐蚀性：铝比铜易腐蚀，但由于铜包铝材料已经完全冶金化，铝完全被铜所覆，不会被水、空气接触，完全达到与铜一样的性能。

铜包铝/铜复合导体还更用利于避免电缆在长期使用过程中由于腐蚀、碰伤或因紧压、锡焊接不好使导体与接线端子接触不良、发热引起铜层脱落和铜铝两种金属之间形成电势差，加速电化腐蚀，造成电缆端部烧毁的隐患。

对于铝导体，特别是在沿海地区，大气中盐雾所含有的氯离子会凝聚在铝的表面，易在表面的杂质和缺陷周围引起局部腐蚀，形成孔洞、裂纹和微电池，加剧铝导体的腐蚀。

成本低重量轻：与相同技术指标的铜芯电缆相比，铜包铝导体电缆可节约成本40%以上，铜包铝/铜复合导体电缆可节约成本20%以上。

铜包铝线的比重仅为
纯铜线的37%-40%。

在线径、重量相等的情况下，其长度是纯铜线的2.5倍。

良好的焊接性：铜包铝线由于其表面同心包覆了一层纯铜，因此具有跟纯铜线一样的可焊性，方便生产。

虽然铜包铝电缆已经诞生，并正逐步得到应用，但尚有不小阻力，主要表现为铜包铝电缆尚比较难找到国家、行业的应用依据，难以得到设计单位的认可。

铜包铝电缆尚有相当多的产品还没有3C认证，行业尚停留在产品鉴定，制定企业标准的阶段，不同品牌之间的产品规格、特性、使用标准差异较大，工程设计者应用时难以把握，投资方暂时也不乐意接受。

但是，随着国家的标准和法规的逐步完善和认可，铜包铝电缆必将走向规范化，无疑将成为了未来几年电线电缆的亮点，带动整个行业的发展。

第2章铜包铝线的结构参数及性能
2.1 铜包铝线的各项参数
2.1.1结构参数
按铜层体积比分可以分为：10%和15%两种，铜层体积比为15%的铜包铝线主要用于传输高频信号的同轴电缆内导体，10%的铜包铝线主要用于传输低频电流线缆的导体。

按铜层重量，可以计算出同层体积比为10%和15%的铜包铝线，其铜层重量比分别为26.8%和36.8%。

另外，按照它的使用状态可以分为软态（A类）和硬态（H类）两种
2.1.2物理性能参数
金属材料在各种物理现象作用下所表现出来的性能，成为物理性能。

下面介绍几个与铜包铝线生产和使用有关的物理性能。

1.密度
对于铜层体积比为15%的铜包铝线，其密度为3.63/cm;而铜层体积比为15%的铜包铝线的密度小，使铜包铝线具有很多优点：
（1）对于同样重量和线径的纯铜线和铜包铝线相比，铜包铝线的长度约为纯铜线的1.7～2.5倍，这将为厂商降低材料成本。

（2）由于1吨铜包铝线中铜的重量为268～368Kg，可代替1.7～2.5吨纯铜线，使得使用铜包铝线可以节约大量铜资源。

2.比热
根据热力学公式Q＝cm（t
2-t
1
），由于纯铜线的比热c＝0.092Kcal／kg.k，铜
包铝线的比热c＝0.149Kcal／kg.k ，这就意味着铜包铝线的比热要比纯铜线的比热大得多，那么在同样重量的铜包铝线温度升高1度所需要的热量比纯铜线多。

如前所述，在重量和直径相同的情况下，铜包铝线的长度要比纯铜线长的多，因而散热条件比纯铜线的好。

如果使铜包铝线和纯铜线电阻相同，并在通以相同电流的条件下，经相同的时间后用铜包铝线制成的线缆其温度一定比纯铜线制成的低。

这对安全用电有很大好处。

3.导电性
铜包铝线的电阻率比铜的大，但比铝小，20℃时体积比为10％和15％的铜包
铝线直流电阻率分别为≤0.02743Ωmm／m和≤0.02676Ωmm／m。

所以按国际电工规定将退火工业铜在20℃时的电阻率等于0.017241Ωmm／m为标准导电率，以100％IACS表示，那么铜包铝的导电率为65％IACS左右。

4.抗拉强度和延伸率
抗拉强度和延伸率是根据线径不同而不同，具体参数可以参照电子行业标准《SJ/11223-2000铜包铝线》
5.线膨胀系数
金属材料的热胀冷缩现象是众所周知的。

但不同的金属其体积随温度的变化量是不同的。

铜包铝线的线膨胀系数与纯铝线相近，远远大于纯线。

这一特性对于用铜包铝线做内导体、用铝制作屏蔽层的同轴电缆来说相当重要。

当同轴电缆网络的外界温度发生变化时，内导体的伸缩量与铝屏蔽层的大体相同，不会产生象用纯铜线做内导体那样，冬天屏蔽层缩近，夏天屏蔽层伸长，而使电缆接头产生接触不良的现象。

2.2铜包铝线的力学性能
金属材料在成缆加工时，以及成缆后在使用的过程中，都要受到多个外力的作用。

金属导体抵抗外力作用的能力，称为力学性能。

常用的力学性能指标有抗拉强度、伸长率和弹性模量等。

2.2.1抗拉强度
抗拉强度是指式样在拉力作用下拉段后单位横截面上所承受的拉力。

若以P
表示拉段式样之力（单位N），以S表示试样的横截面积（单位为mm2）导体的抗拉强度除与材料化学成分有关，还取决于加工状态。

经过拉拔变形而硬化的导体（硬态），抗拉强度较高；而拉拔后经过退火的导体（软态），则抗拉强度较低。

铜包铝线的抗拉强度无论硬态或软态，都比纯铜线的低，但足以满足线缆的要求。

在拉拔细线或特殊加工的情况下要求铜包铝线有较高的抗拉强度，则可选用强度较高的铝线芯，以提高整根铜包铝线的强度。

2.2.2 伸长率
伸长率是指试样拉断后的标距长度L
K 与试样原始标距长度L
之差与原标距长
度L
之比，以百分数表示，与抗拉强度一样，导体的伸长率也与化学成分以及加
工状态有关。

经过退火的软态导体，伸长率很高；但经过多次的拉拔后，产生加工硬化现象。

为此必须对加工硬化的材料景象退火处理，提高其伸长率，以便继续拉拔。

2.2.3 弹性模量
弹性模量在工程上被成为材料的刚度，表示材料对弹性变形的抗力，单位为MPa。

材料的刚度与机器零件或构件的刚度不同，后者除与材料的刚度有关外，还与其截面积的和尺寸以及载荷作用的方式有关。

弹性模量也四金属材料的一个重要的力学性能指标。

对于用线材加工个中形状的制品时，弹性模量小的金属，所需加的力就越小，加工就较方便。

从表2-1所列的数据了知，铜包铝线的弹性模量比纯铜的小的多，因此用此加工成各种绕组和线圈时要比纯铜线的方便的多，从而减轻了工人的劳动强度。

2.3 铜包铝线的化学性能
金属材料的化学性能是指金属对周围介质侵蚀的抵抗能力。

俗称抗氧化或耐腐蚀能力。

金属的氧化或腐蚀根据其产生的原理不同可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。

2.3.1化学腐蚀
化学腐蚀为金属与外界介质发生氧化学作用而产生的腐蚀。

例如，铜包铝线退火时，未抽尽的空气或冲入的保护气体不纯，含有一定浓度的氧气，在较高温度下与铜发生如下的氧化反应，使之产生腐蚀。

2.3.2电化学腐蚀
铜包铝线中铜与铝是两种电极电位不同的金属，在它的端面上铜与铝暴露在大气中，若大气中湿度较大，端面吸附了微小的水分子而聚积成微小水滴。

由
于大气中存在煤的燃烧产物或大量机动车排出的尾气，其中含有SO
2。

SO
2
在空气氧
化成SO
3，溶于小水滴中形成酸溶液中产生的腐蚀电池的H
2
SO
4
，便成为电解质溶液，
产生腐蚀电池。

在这个腐蚀电池中，由于铝的电极电位较低而被腐蚀。

即使是一块金属，不与其它金属接触，放在电解质溶液中，也会产生与上述相类似的腐蚀电池。

例如，铜中常含有少量杂质，杂质的电位往往较铜的高，当铜表面存在酸
性水滴时而形成电池，使铜遭受腐蚀。

为了防止铜包铝线端头产生电化学腐蚀最好的方法是将端头与大气隔离,目前可采用两种方法：
1．电镀法：在铜包铝线对接的接头处镀一层铜，但太费时间(需40分钟)。

但在生产铜包铝线的企业应用问题不大，因可将很多接头同时电镀。

铝的表面镀铜是很困难的。

2．涂铜色快干漆：两分钟之内干固，颜色与铜相当。

这对于使用铜包铝线的用户非常方便。

因为用户可在任何部位将布线剪断，此断头一定暴露在空气中，为防止长时间暴露后产生电化学腐蚀，可立即在端头上涂快干漆。

铜包铝线断面的铜和铝是直接接触在一起的，若表面有电解质的存在，就回存在电化学腐蚀。

铜包铝线若长期放在室内，室内的湿度不大则不会产生电化学腐蚀，如果暴露在室外，由于腐蚀物将其端部覆盖腐蚀现象也不会太严重，但在经常有水的情况下将会产生明显的腐蚀现象。

铜包铝导线连接时，接触电阻随接触负荷的增大而减小，最后趋于不变。

由于铝的表面易于氧化，当负荷减小时铝/铝，铝/铜的接触电阻较大，随着载荷的增大，接触电阻下降。

而铜/铜和铜包铝/铜包铝连接时，即使在载荷较小的情况下，接触电阻都较小，且两者极为接近。

这也是铜包铝代替铝的一个重要原因。

2.4铜包铝与其他金属线材的比较
与纯铜导线相比：铜包铝线既具有良好的导电性又具有重量轻的优点，有明显的经济效益，且施工中柔韧性好，易操作。

相同线经重量下的长度比为2.45:1因此购买1吨铜包铝线相当于购买了2.45吨纯铜线，具有节省成本的巨大优势。

与纯铝线相比：导电率更高，还增强了抗拉强度及延伸率，良好的焊接性：铜包铝线由于其表面同心的包覆了一层纯铜，因此具有跟纯铜线一样的可焊性使该产品的机械性及适用性得到大幅提升。

与铝镁合金线相比：铜包铝线由于其芯线表面同心的包覆了一层纯铜，因此具有跟纯铜线一样的可焊性，而不必像铝镁合金线那样做特殊处理。