让以铝节铜稳步前行

中国工程院院士黄崇祺实事求是让“以铝节铜”健康稳步前行2013年12月11、“以铝节铜”的含义•导体“以铝节铜”的含义是该用铜的线缆产品就用铜，对可用铜或铝作导体的产品，需经科学实验，实际试用成功的产品，才得以推广应用，反对盲目推行，致使产品质量下降，生产大起大落。现在有些领域经实际证明已取得了良好的效果。•导体“以铝节铜”是国际性的总趋势，但按各国的国情、科学技术的进步有所不同，走走停停甚至出现反复，但总的趋向是渐进式的向前发展的，因此以铝节铜的前景大体上是明朗的。但到底是用铜的或铝的电缆应由终端用户的设计和使用者根据综合经济技术效果和运行安全可靠性来决定。•导体“以铝节铜”不仅是指电工用铝合金导体电缆的应用和前景，也应包括电工用铝导体电缆的应用和前景。22、中国电缆工业概况表12011、2012年行业主要经济指标表22011、2012年行业铜、铝导体用量△31%740656335、资产总计（亿元）△14%759.46664、利税总额（亿元）△3%895.18643、其中，出口交货值（亿元）△8%12239112792、工业销售产值（现价，亿元）△128393138031、企业数（独立核算单位，个）增值2012年2011年

年份项目220220铝导体540510铜导体2012年2011年

年

份用

量（万吨）3•铝导体用量2011年和2012年基本持平，其中架空导线用铝量降低了，而铝电缆和铝电磁线用量增加了。•2011年和2012年架空绝缘电缆用铝量约10万吨（基本未变），铝芯电缆用铝量翻了一番，约达20万吨，电磁线用铝约15万吨，其他铝电线电缆用铝约5万吨，共计约50万吨，占总的铝导体用量的22%。•在铝芯电缆约20万吨铝导体中，铝合金约2万吨，铝约18万吨，分别约占20万吨的10%和90%。由上可以看出，电缆行业是铜和铝的大用户，尤其是铜。电缆行业处于上游的有色金属行业和电缆行业下游的产品终端用户行业之间，因此电缆行业理应在以铝节铜工作中协调有色金属行业，为下游的产品终端用户行业做好服务工作。43、电工用铝合金电缆应用的进展3.1“电缆导体用铝合金线标准”（GB标准），已经报批，有待正式颁布。表3电缆导体用铝合金线的化学成分成分代号化学成分（质量分数）%SiFeCuMgZnB其他Al单个合计10.100.55~0.80.10~0.200.01~0.050.050.040.03a0.10余量20.100.30~0.80.15~0.300.050.050.001~0.040.030.10余量30.100.6~0.90.040.08~0.220.050.040.030.10余量40.15b0.40~1.0b0.05~0.15-0.10-0.030.10余量50.03~0.150.40~1.0--0.10-0.05c0.15余量60.100.25~0.450.040.04~0.120.050.040.030.10余量注1：表中规定的化学成分除给定范围外，仅显示单个数据时，表示该单个数据为最大允许值。注2：对于脚注中的特定元素，仅在有需要时测量。a该成分的铝合金中Li元素的质量分数应不大于0.003%。b该成分的铝合金应同时满足（Si+Fe）元素的质量分数应不大于1.0%。c该成分的铝合金中Ga元素的质量分数应不大于.003%。5表4电缆导体用铝合金线的机械性能状态抗拉强度MPa伸长率%R98~159≥10Y≥185≥1.0表5电缆导体用铝合金线的电阻率状态20℃时直流电阻率ρ20R≥0.028264（≥

61.0%IACS）Y≥0.028976（≥

59.5%IACS）63.2额定电压0.6/1KV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆标准（NB标准），已经报批，有待正式颁布。

联锁铠装的铝合金电缆的特性为：•由于导体和铠装采用了轻质材料，电缆的重量减少，易于运输和施工。•与普铝电缆相比，连接性能有提高。•控制退火导体的强度，结合导体成分改善蠕变性能，允许垂直敷设的场合使用。•圆弧形联锁铠装，能够承受一定的拉力和压力，适合于垂直敷设，节省电缆桥架。•电性能方面，通过退火，铝合金导体的直流电阻与硬态的普铝相当。•电缆的缆芯外，省略了内衬层，允许较小的施工弯曲半径。从上述特点可以发现，在一些有垂直敷设的场合如建筑物、构筑物等或者要求轻量化设计（重量轻、施工空间小等）的场合，应用联锁铠装铝合金电缆的优势更加明显。7联锁铠装铝合金电缆，根据制订的标准，除电力电缆的常规试验项目外，还增加了对特殊结构和应用场合的验证试验，主要包括：•导体性能验证（成分、抗拉强度、断裂伸长率、蠕变曲线）•铠装性能验证（制造质量、抗冲击、拉力和伸长、抗挤压等）•电缆性能（弯曲性能、连接性能、载流能力）该标准除铝合金缆芯外对绝缘厚度、电缆填充物材料、绝缘的机械性能和特殊性能要求、铠装铝合金带的厚度、外护套材料及护套的机械性能和特殊性能试验要求进行了明确的规定。8电缆的缆芯和填充用于电缆填充物的材料应适合电缆的运行温度并和电缆绝缘材料相容。无卤电缆的填充应符合表7的规定。表6绝缘标称厚度表7无卤混合料要求9表8电缆绝缘的机械性能和特殊性能要求10缆芯外可以绕包、挤包或纵包一层合适的材料。铠装

铠装的形式为联锁铠装。材料为铝合金带。铝合金带的标称厚度见表9。铝合金带应符合附录C的规定。

铠装应符合标准中规定的内表面质量要求。如果需要对铝合金带进行焊接，则不应明显地增加带的厚度，也不应减少其机械强度。表9铠装铝合金带标称厚度11外护套

概述外护套（若有）通常为黑色，但也可以按照制造方和购买方协议采用黑色以外的其它颜色，以适应电缆使用的特定环境。当电缆缆芯外包覆金属层时，外护套应经受GB/T3048.10-2007规定的火花试验，试验值符合GB/T3048.10-2007规定。

材料外护套（若有）应采用聚氯乙烯或无卤聚烯烃材料。如果要求在火灾时电缆能阻止火焰的燃烧、发烟少以及没有卤素气体释放，应采用无卤护套材料。外护套材料应与规定的电缆运行温度相适应，其物理机械性能和特殊性能应符合表10的规定。无卤电缆的外护套还应符合标准的规定。在特殊条件下（例如为了防白蚁）使用的外护套，可能有必要使用化学添加剂，但这些添加剂不应包括对人类及环境有害的材料。

注：例如不希望采用的材料包括¹：

氯甲桥萘（艾氏剂）：1、2、3、4、10、10-六氯代-1、4、4a、5、8、8a-六氢化-1、4、5、8-=甲桥萘氧桥氯甲桥萘（狄氏剂）：1、2、3、4、10、10-六氯代-6、7-环氧-1、4、4a、5、6、7、8、8a-八氢-1、4、5、8-=甲桥萘六氯化苯（高丙体六六六）：1、2、3、4、5、6-六氯代一环乙烷7异构体。1来源：《工业材料中的危险品》N.I.Sax,第五版，VanNostrandReinhold,ISBN0-442-27373-8。12表10电缆护套的机械性能和特殊性能试验要求13表10（续）143.3电工用铜包铝母线标准（NB/T-42002-2012），已经批准执行。

•国外在几十年前对铜包铝母线早已开发，但至今一直没有获得突破性应用。应用目标在开关，绝缘母线槽。国外有用铝母线的绝缘母线槽，但中国一直未开发。

•国内目前主要有三种生产方法：

（1）铜管铸铝成锭—热轧成型法；（2）铜、铝冷配合成锭—热轧成型法；（3）铜铝冷配合—冷压—拉制法。这三种方法2011的产量约0.3万吨。

•《电工用铜包铝母线》的标准铜包铝排质量的优劣和产品成品率、成本和利润，其关键和铜包铝线一样取决于铜、铝的冶金结合。因此该种产品的生产在工艺、装备的完善，生产效率、成材率和利润率上尚有提升的空间。为了规范市场，有关《电工用铜包铝母线》的能源局标准NB/T42002-2012已经批准执行。

•

对铜包铝排和铜包铝线的回收一直是一个问题。回收技术既要成本低，又要不造成污染，有相当难度。15表11

铜包铝母线主要技术要求材料铜Cu-CATH-2标准阴极铜铝Al99.7E重熔用铝锭铜层体积比≥18%铜层厚度(1)窄边最薄处的铜层厚度应不小于宽边平均铜层厚度；(2)宽边最薄处的铜层厚度不应小于宽边平均铜层厚度的70%。抗拉强度≥90MPa伸长率≥8%弯曲宽边弯曲90°后，铜层不开裂，铜层铝芯不分离电性能20℃时的直流电阻率应不大于0.02534Ω·mm2/m，即导电率相当于68%IACS界面结合强度≥30MPa交货长度6米，或经协商后以任何长度交货。163.4有争议的电工用稀土高铁铝合金杆标准（GB标准）已经报批，有待正式颁布。

争议点主要在于：

（1）稀土在电工铝和铝合金中的应用不是新技术，全国早已用了三十多年，目前也在用。当时由于我国没有专利制度，故上海电缆研究所和我未申请专利，但获得了国家级科技进步二等奖和上海市科技博览会金奖。

（2）稀土在电工铝和铝合金中的应用，只是像加铁、加硼一样，只是一种工艺处理的办法，不是去搞什么专用的合金。由此来夸大宣传，以取得企业的利益，然而恰恰搞乱了电缆行业的市场。

（3）稀土高铁铝导体专利，在电缆行业中是不认可的专利，而且还要把所谓的“专利”列入标准，以获取专利费，这是全世界没有的。

（4）有的企业，搞稀土导体电缆的专利已有几十个，没有新颖性、实用性，没有经济性，只会搞乱电缆行业的市场。17（5）在电工导体中加一点铁，在电缆行业中是普遍的事情。对架空线用铝合金线比电缆线芯用铝合金线要求不仅强度高，导电率要求也高，而且是硬态线，加少量铁可在少增加电阻的情况下，大幅增加强度。过去国产铝原料含硅高，不适宜用作电工用导体，因此通过加入少量稀土进行优化处理，可以说是一帖特效药；现在对电缆线芯用铝合金线要求的技术门槛比较低，而且要求的状态又是退火的软态线，对导电率的要求相对又不算高。但为了解决电缆的连接问题，对蠕变性能的要求又特别高。由此北美加铝和南方线材公司，分别在铝中加入较高的含铁量，对提高蠕变性能具有明显的效果。为此他们六十年代就申请了专利，八十年代又形成了8000的系列标准，一直沿用至今效果较好。现今国内有的企业把几十年前国内稀土优化处理的自主创新成果和国外的加高铁成果，变成了企业的专利。为了炒作市场，谋取利益，这是找错了“切入点”，是不合适的；从历史上看，历史的教训值得注意：几十年前，当稀土优化综合处理在电工用铝导体（也可用于铝合金导体）生产中的技术在全国广泛推广应用之际，原电力部管理架空输电线路的某领导也提出要制订稀土铝导线标准，目的在于控制垄断这方面的业务，以获取私利，后经电缆行业沟通为何不认可的原因，终于作罢。在市场中后来有的生产企业根本不加稀土，可是以稀土铝导线高价出卖。总之，事实上要不要制订标准，不能靠长官意志，要靠的是科学技术的道理和市场的配置法则。18事实证明，在制订电缆导体用铝合金线标准时，有关参与制标的单位都送了样品（也包括加了稀土的企业），在统一试验条件下进行对比验证试验表明：在铝材料具有低硅的条件下，加了少量稀土的铝合金线与不加稀土的相比不占性能上的优势（这样反而浪费了国家稀土资源，增加了企业的成本，不得且失），和其他送样企业一样性能均可达到标准的要求。因此在该标准中不列入加稀土的成分要求。

3.5中国建筑标准设计研究院已发布了《铝合金电缆敷设与安装——国家建筑标准设计参考图》

建筑部门发布有关的规范，有助于规范铝合金电缆的敷设和安装操作，有助于铝和铝合金电缆的推广应用。

3.6中国电工技术学会、电线电缆专业委员会于2013年在长沙召开了《铝合金导体及其线缆技术与应用》学术年会，有助于推进我国“以铝节铜”的发展。

该会来自电缆和导体研究、制造，电力和建筑方面的代表，大家各抒己见，提出了很多建议，也听到了不同的声音，有助于推动我国以铝节铜的进程。

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3.7上海电缆研究所信息会展中心已编译了《8000系列铝合金线缆标准汇编》，本汇编的目的，为向国外出口8000系铝合金电缆和国内铝合金导体及电缆生产企业作参考，它涉及的内容包括：

•美国国家电气规范（NEC）第310.14号文件：铝导体材料

Ο南方线材公司进户电缆（导体：AA-8176）

Ο通用电缆公司金属护层电缆（紧压绞合导体：AA-8030）

Ο加拿大铝业STABILOY联锁铝铠装、MC型电缆、AA-8000铝合金导体连接器。

•8000系列铝合金导线标准

ΟASTMB800：8000系列电工用退火态和中间态铝合金导线标准

Ο

ASTMB801：后续包覆或绝缘的8000系列铝合金同心层绞合导线标准

Ο

ASTMB836：单规格进线结构紧压圆形绞合导体标准

Ο

ASTMB901：单规格进线结构压缩圆形绞合铝导体标准

Ο美国专利3711339：（8030）铝合金导体20•8000系列铝合金导体电缆标准

Ο

UL44：2010（暨CSAC22.2No.38：2010,Ed9）热固性绝缘电线和电缆。

Ο

CSAC22.2No.51：2009铠装电缆

Ο

ANSI/UL1569：2012金属护套电缆

•

8000系列铝合金导体连接标准

Ο

UL486A-486B：2013Ed.2.（暨CSAC22.2No.65：2013,Ed5）导线连接器214、存在的问题4.1宣传失实，扰乱了正常、有序推进铝及铝合金电缆的应用

误导之一：铝和铝合金电缆是节能电缆，比铜电缆节能。据ICA调研报告（2013年2月），从原生金属材料生产和应用的能耗比较：

•从生产每吨原生金属的单位能耗计算分析（1）计算依据：2010年，从采矿到冶炼，每吨阴极铜的单位能耗为1.6吨标准煤；从铝土矿到电解铝，每吨原生铝的单位能耗的为3.5吨标准煤；（2）结论：原生铝单位能耗是阴极铜单位能耗的约2.2倍。•从综合载流量等因素分析（1）计算依据：按铜电缆的2吨用铜量等效于铝电缆的1吨用铝量；（2）结论：1吨原铝的能耗仍然比2吨阴极铜的能耗高出约10%；

•从行业技术进步发展规划计算分析（1）计算依据：到2015年，从采矿到冶炼，每吨阴极铜单位能耗将下降到1.2吨标准煤；从铝土矿到电解铝，每吨原生铝的单位能耗将下降到3.33吨标准煤；（2）结论：原铝单位能耗是阴极铜单位能耗的约2.8倍；1吨原生铝的能耗比2吨阴极铜的能耗高出约39%。22总结论：至少在原生金属材料阶段，在等效可比的能耗方面，铜电缆要优于铝电缆；在相同条件下，铜的导电率明显优于铝的，更优于铝合金的。因此，在应用阶段，产品的终端用户，应按综合技术、经济效果和安全运行要求择优选用。23误导之二：在不同条件下，失实对比宣传铜、铝和铝合金导体的性能，招致设计质疑、影响合理、合适择优选用电缆。•在相同条件下，通常导电率（软状态）铜（100-102%IACS）＞铝（63-64%IACS）＞铝合金（≥61.0%IACS）•在相同条件下，通常软状态的柔软性（弯曲性）特别在细线的情况下：铜＞铝＞铝合金。导体制成电缆以后，它的柔软性（弯曲性）还与电缆的结构（绝缘、铠装等）有关，如果以联锁铠装铝合金电缆和钢带铠装铝合金电缆相比，那前者当然为好。24•金属导体材料耐蚀性的优劣，与在使用条件下接触的介质或材料密切相关。架空裸导线与电缆线芯用线的使用条件不同，不能混为一谈。一般而言，纯铝的耐蚀性比铝合金好，人们企图加入某种元素，开发耐蚀铝合金，但到目前还未见进入工业性的应用。在含铁和硅比较低的电工用铝中，如加入适量稀土，在盐雾中（相当于在沿海地区架设的钢芯铝绞线线路）试验证明，可改善其耐蚀性，但如果含铁、硅较高的铝，则其结果是相反的。作为电缆线芯用的铜、铝、铝合金，一般而言，它们的耐蚀性应为铜＞铝＞铝合金，但必须指出做电缆线芯用的铜线，如果在绝缘材料中有硫，则铜表面就会产生“发粘发黑”的腐蚀产物。在这种情况下为何电缆铜线表面要镀一层锡，其原因就是要使锡起到隔离的作用。•铜包铝线耐蚀性，一旦铜表面出现“针孔”（露铝），将产生加速的电化腐蚀，从而招致脆断。254.2误导投资，使电缆行业中、低档产品早已过剩的现实，进一步扩大过剩，由此或许有助于化解电解铝过剩（上游），但又使电缆产品的过剩（下游）产生了麻烦。误导之三：媒体不断转载的报导说：国外铝合金电缆的应用已达到了80-90%，因此这个市场潜力巨大。

•据ICA国际铜业协会（2013年10月）的调研报告，他们对北美、欧洲等主要的世界电力电缆市场的调研，其基本的结论是在世界范围内每年生产的用于传输电能的电线电缆，包括装备用电缆，工业用电缆，建筑用电缆，电力系统用电缆和裸导线（BOHC，架空导线），所用的导体量是23.12百万吨铜当量（2012），铜的份额是42.6%；而电力电缆，只包括工业用和电力系统用，所用的导体量为7.01百万吨铜当量（2012），铜份额为50.6%。报告所采用的数值是以铜当量来计算的，即1吨铝的铜当量是2吨；报告所采用的分类方法和国内不同，但应可供参考。欧洲是用铝（其中包括架空导线用铝合金）比较多的地区，使用于电缆和架空线的铝约为51.5%，其中架空导线用铝（包括铝合金）为74%，电缆用铝为26%，为便于记忆，使用铝、铜导体重量之比约三七开。在欧洲电力电缆用导体只用铝，不用铝合金。现在8000合金的主要用地在北美和中国，8000铝合金在北美也只是用于建筑用低压电缆。26

•据CRU英国商品研究所2013年9月报告：（1）2012年铝芯绝缘电力电缆消费增速为6.4%，在金属绝缘线缆中表现最强劲，但净增长量不大；（2）铝芯电缆在印度应用最普遍，在日本应用最少。按导体重量计算，全球36.8%的电力电缆使用了铝导体，其中日本使用铝芯电力电缆的市场份额最少只有4.3%，而印度使用铝芯电力电缆占了整个市场份额的85%。铝芯电缆主要应用在电力传输领域，而在工业用电力电缆还主要用铜芯电缆。（3）尽管铜价很高，但铝的替代进程还不是很迅速，铝芯电力电缆的比例，从2004年的28%到2011年的37%，在7年间只增长了9%。（4）架空绝缘电缆在电力传输领域中的应用已越来越大了（这种电缆的结构主要是铝导体或钢芯铝绞线加绝缘），就中国2012年的用铝量已达17万吨。27误导之四：据报导说：某企业已在几个地区投资几个制造铝合金电缆的工厂，总计投入几十个亿，几年后每个新建企业产值可达100亿；甚至还有报导说“预计未来5年内我国铝合金电缆市场将高速发展，形成2000亿元以上的市场规模”。•现在电缆行业内外已掀起疯狂的投资铝合金企业风，有的说有100家，也有说200家，众说纷纭，由此政府与企业互动，政府要GDP，企业要政府批地，要银行贷款。•现在电缆行业最担心的是过剩再过剩以及铝合金电缆产品质量如何保证，不要再把这个新兴的市场搞滥了。现在已有铝电缆当铝合金电缆出售，以获取高额利润。值得警惕!284.3推进“以铝节铜”在利润刺激下似乎制造方热，应用方温，实际上双方都还缺乏充分准备。•“以铝节铜”是国际性的趋向，但不是催（吹）生出来的“高歌猛进”，而是“渐进式”的，要有“技术准备”和“市场准备”。•就电工用铝和铝合金而言，电工用铝，目前基础较好，但从开发到稳定应用也花了约10多年的时间；电工用铝合金特别是架空导线用铝合金（它的技术门槛要比电缆用铝合金高）。到目前为止，国内企业能真正实现稳定生产的也只是屈指可数的若干家。这里的问题涉及装备现代化的步伐和工艺的稳定性。•从应用方而言，最关注的是在不同电压等级下应用的铝和铝合金电缆的连接和安全可靠运行问题。因为这里是有技术经济和社会责任的。因此就涉及对这种产品应用的可信度问题。为了扩大应用，应用方必须解决连接的技术及其备品备件（铝-铝，铜-铝连接备件），以及施工和人员培训的问题。当然有关的标准和规范也必然是在充分论证的基础上，通过实践、总结、逐步出台的。295、发展前景：

不容置疑，“以铝节铜”在中国的发展前景是明朗的，在国际上也是不断渐行的。5.1架空输配电线路用导线目前和将来都是铝和铝合金的最大用户。5.2在中国铝和铝合金电缆的发展在适用的范围内尚有发展空间，但看来难于按高歌猛进方式前进。用铝电缆还是用铝合金电缆或是用铜电缆主要的决定者在电缆的终端设计者和用户，不决定于电缆工业的制造方。

铝芯电缆和铝合金芯电缆是同类的产品，是一对竞争者，国内外都一样，在价格上前者更占优势。305.3电工用铝导体在绕组线上的应用•主要用途：电磁线圈、变压器和电机等领域。•两个不用铝线：①一般电机设计寿命为20年，不考虑用铝线；②特别10KVA以上的变压器一般不用铝线。•近些年来，绕组线用铝线有所增长，2012年铝电磁线用量约10万吨，主要用于微波炉变压器、洗衣机电机、电扇电机、冰箱压缩机，特别是电子变压器有着广泛的适用领域等。•近年来，由膜包矩形绞和组合膜包矩形绞铝绕组线制造的干式平波电抗器在超高压和特高压直流输电线路上应用已进入实际试用阶段，这是在该领域的一个亮点。例如：±80万伏直流特高输电线路上用的干式空芯平波电抗器，它的特点是不维修，1个铝线圈高4米多，重达40多吨（加绝缘后达80-90吨），置于20多米的高空。现已正在开始实施的溪洛渡和糯扎渡两条输电线路为例，需44台这种干式平波电抗器，总计用铝1760-2000吨。315.4电工用铝导体在通讯电缆上的应用•“光进铜退”和“以铝节铜”趋势凸显。“光进铜退”意味着光纤逐步向用户端延伸，最终实现光纤到户和光纤到桌面；铜线缆逐步向用户端退缩，最终退网，或者基于已有的铜线网络进行宽带再提速，以满足宽带提速的整体诉求，甚至可以实现100M的宽带接入速率，有效确保铜线改进方案的大规模普及应用。•移动网用的射频铜电缆，用铝电缆代替已成现实。它不仅成本低，而且安装、重量等方面也有显著优势。5.5城市轨道交通用铝钢复合导电轨已国产化，随着我国轨道交通的发展，已国产化的可除冰的