TRIZ应用实例--新型建筑用电线的研制开发

TRIZ应用实例

—新型建筑用电线的研制开发应用背景当前有色金属价格暴涨，铜价格近年来上涨了三倍多，价格居高不下，铜导体本钱占电缆原材料总本钱的90%以上。造成了建筑用线价格增涨了三倍多，建筑用电线本钱明显增高。如何既能保证满足电缆铜导体的技术指标，又可以大幅度降低电缆本钱，是当前电缆电线行业急需解决的难题。问题描述建筑用线主要用于电源进户线、室内照明回路、电源插坐回路、家用电器、日用电器、电气开关等用电回路，随着人们生活水平的提高，人均用电量明显提高，为确保住宅的电气平安水平，为满足住宅的实际用电量急剧增长的需求，确保用电平安，选用电线宁大毋小，超前考虑，以免后患。建筑用线显著增加，建筑用线的本钱占整体建筑物本钱的比例明显增高。问题1：我国是铜资源匮乏国家，五六十年代我国提倡以铝代铜，建筑用线多采用铝导体作为导体材料,该材料价格低，比重轻等优点；但因为铝导体使用过程中因腐蚀、碰伤或因紧压不良且无法锡焊连接引起导体与接线端子接触不良、发热导致电缆端部烧毁的隐患，引发火灾事故，造成了重大经济损失。现在建设部明确规定，建筑用线全部采用铜作为问题1：我国是铜资源匮乏国家，五六十年代我国提倡以铝代铜，建筑用线多采用铝导体作为导体材料,该材料价格低，比重轻等优点；但因为铝导体使用过程中因腐蚀、碰伤或因紧压不良且无法锡焊连接引起导体与接线端子接触不良、发热导致电缆端部烧毁的隐患，引发火灾事故，造成了重大经济损失。现在建设部明确规定，建筑用线全部采用铜作为问题2：目前市场上常用的耐温等级70℃铜芯聚氯乙烯绝缘电线。随着用电量的增加，绝缘材料的耐温只有70℃,承载能力有限，目前只有增加导体材料的用量，进一步增加了建筑用电线的总体本钱。

矛盾分析系统要素有导体和绝缘材料；系统存在的物理矛盾有：对铜和铝导体材料的选择，PVC绝缘材料与新型绝缘材料的选择的矛盾。矛盾分析1：目前市场上铜导体价格过高造成建筑用线价格提高三倍以上，如果采用铝导体产品价格可明显降低，但铝导体的各项性能指标和使用性能达不到要求。矛盾分析2：人均用电量增加，需要增加建筑用线的载流量〔I〕，现有聚氯乙烯绝缘材料的耐温等级一般为70℃，如果电线输送电流过大，产生的热量使绝缘材料的温度长期超过70℃时，聚氯乙烯材料会分解产生气孔，失去绝缘性能，电线击穿，引起漏电等。

电线输送电流的过程同时产生热量Q=I2·R,载流量〔I〕增加，需提高绝缘材料的耐温等级和降低导体材料的电阻〔R〕,降低导体电阻需要增加铜导体的用量，存在提高电能的输送量和建筑用线的本钱提高的矛盾。解决思路和关键步骤本例可以使用TRIZ矛盾矩阵和原理来分析和解决问题。1、使系统性能提高的技术特性是：1〕静止物体的重量2#〔导体重量〕2〕温度17#〔绝缘材料的耐温等级〕2、使系统性能降低的技术特性是：1〕可靠性27#2〕可靠性27#

3、二组技术矛盾：

对这二组技术矛盾分别运用技术矛盾解决矩阵的方法，得到2个创新原理提示以开拓思路：

1〕降低导体材料本钱，铜导体材料采用铝导体等价格低的金属材料取代〔静物的重量〕，电线的平安性降低〔可靠性〕。由技术矛盾矩阵[静物的重量/可靠性]得到3#局部质量改善法、8#功提重物法、10#预先作用法、28#系统替代法。创新原理提示：采用3#局部质量改善法

2〕提高载流量，绝缘材料外表温度提高〔温度〕，但电线工作的可靠性降低〔可靠性〕。

由技术矛盾矩阵[物质的量/可靠性]得到19#离散法、35#性能转化法、3#局部质量改善法、10#预先作用法。创新原理提示：采用35#性能转化法

最终结果：在创新过程中应用了3#，35#创新原理。

A应用3#创新原理—局部质量改善法〔使物体的不同的局部应起的作用不同〕。

解决方案：导体材料采用铝包铜结构。

B应用35#创新原理—性能转化法〔改变温度〕

解决方案：采用耐温等级高的材料，由于耐温等级提高，导体截面不变的情况下，可增加载流量，。结论采用铜包铝导体耐温等级90℃的交联聚乙烯材料绝缘制造新型建筑用线，保证满足电缆铜导体的技术指标，又可以大幅度降低电缆本钱，具有较大经济效益和社会效益：1.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，在阻值相同时，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随着电缆截面的增大就逐渐显得突出，同时由于科学技术的不断开展，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。2.降低交流电阻：2.1交流电阻是电流载流量的主要依据，根据集肤效应的原理，单根导线的外表，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。2.2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外表积，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，在同等的材料本钱条件下，交流电阻的指标要经济得多。

3.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，完全到达与铜一样的性能。铜包铝/铜复合导体还更有利于防止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外表，易在外表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。

4.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。

5.本钱低重量轻：与相同技术指标的铜芯电缆相比，铜包铝导体电缆可节约本钱20%以上，铜包铝/铜复合导体电缆可节约本钱5%以上。铜包铝线的比重仅为纯铜线的37%-