开关设备中大量使用铜作为导电材料，铜作为稀缺的有色金属面临着资源枯竭的问题。相比较于铜，铝的资源丰富，但由于铝的导电性能、机械强度差等原因，直接作为导体存在发热大、支撑困难等问题。通过采用异形铝导体、铝合金型材、铜包铝、铜铝复合板等形式，在一些产品中得到应用，但一直无法取代铜作为开关设备的导体。双碳目标下需要了解不同含铝导体的性能，根据具体应用精细化选择导电材质，以减少铜材在开关设备中的使用。
0. 引言
新型电力系统以最大化地消纳可再生能源为主要目的，大力推广再生能源的使用，减少资源的消耗，早日实现碳达峰/碳中和。铜作为重要的工业金属，随着科技发展、新能源产业和建筑行业需求的增长，如在新能源和电动汽车领域对铜的需求不断增加，全球经济的复苏和新兴市场的快速发展，铜的需求不断增加。但铜矿开采和生产受到资源枯竭和环境保护等因素的限制，导致供应相对紧张。
1. 铜和铝的差异
铜是一种稀缺的金属资源，其氧化状态下只占地壳中总量的0.007%，而铝则占地壳中总量的8.23%。尽管铝与铜的物理性质和化学性质相似，铝的生产过程却比铜复杂，需要更多的耗材和能量。要生产出铝材，首先需要将铝矿石进行提炼。这个过程需要大量的电力和化学试剂，而铝矿石的提纯过程也极为复杂，生产成本也相对较高。电解铝的碳排放量远高于电解铜，每吨电解铝的碳排放达到10.4吨，而每吨冶炼铜的碳排放仅为1.11吨，两者之间的差距达到了约10:1，这表明铜在生产过程中具有更高的碳排放优势。此外，再生铜的碳排放量也显著低于原生铜，再生铜几乎可以百分之百地回收利用，这有助于减少碳排放，而铝在电力传输领域通常不能循环使用，因此其碳排放优势不如铜明显。
铜称为“可再生的资源”，这是因为它可以在多次使用过程中保持高效的导电性。而铝则容易发生氧化失效，使用寿命较短。铜和铝典型性能参数，见表1。
表1 铜和铝典型性能参数比较
就导电性能而言，铜优于铝。铜的唯一缺点是其密度，对于给定的电流和允许温度，铝导体会更轻，尽管横截面将更大，但在开关柜内空间因素比重量更重要，因此铝母线重量轻这一优点很少考虑。
即使在露天母线系统中，母线的重量也不是决定性的因素，母线中产生的电磁应力通常比其重量产生的应力更为严重。电流输送设备特别是重型设备，导体的载流量更加重要，在比铝允许的更高工作温度下使用铜，铜吸收高负荷条件下产生的电磁和热应力的能力也为安全性提供保障。
2. 开关柜导体的要求
2.1载流性能强
开关设备一般采用电解铜作为母线材料，电解铜的化学符号为铜，密度为8.89g/cm³，熔点为1083℃，20℃时电导率不低于97%。铝的化学符号为铝，密度为2.7g/cm³，熔点为660℃，20℃时电导率不低于61%。
由于母线的载流量与很多因素有关，因此以相同形状、截面积、相同布置的情况下对比，铜的载流能力是铝的1.65倍。
2.2物理特性好
1）低的变形量
铝遇到热会膨胀很多，铝的膨胀系数23.0，而 铜是16.5。铝太软，在300℃左右失去抗张强度，纯铝的屈服强度为7～11MPa，铝材90 ℃时的热膨胀率比实心铜高 25%，而其极限抗拉强度比铜材低 2 倍以上。这两个因素导致了材料在通电和断电循环期间蠕变移动，蠕变容易使连接失效。
2）重量轻
将铜的密度（8.91 g/cm3）与铝的密度（2.7g/cm3）进行比较，考虑到铝的导电率是铜的为56%时， 铝的安培容量约为铜的1.85倍。在相同重量的情况下，铝具有更大的导电性，但也具有更大的体积。因此对于重量要求较高的场合，使用铝母线是较好的选择。
3）机械强度高
GB/T35698.1（IEC60865-1）短路电流效应计算第一部分定义和计算方法，母线受到的电动力合成应力必须小于母排的允许应力，许用应力越大母线所需要的支撑距离可以更大，所需要的绝缘支撑数量可以减少。一般计算采用铜的许用应力118MPa，铝的许用应力49MPa，铝合金6061的许用应力是80～165MPa， 铝合金6063的许用应力是55～90MPa。
另外还需要根据母线弹性模量校验所选母排是否会发生谐振，避免使用固有频率在50～100赫兹之间的母排。铜的弹性模量是13MPa，铜的弹性模量是6.7MPa。
2.3连接可靠
金属的表面无论多么光滑都由微观的峰和谷组成。当导体通流时，因电接触面产生的电阻称为接触电阻，接触电阻通常由收缩电阻（束流电阻）和表面电阻（膜电阻）两部分组成。由于接触电阻的存在，在导体搭接处将产生热损耗。
当两个汇流排用螺栓连接在一起时，电流从一个汇流条传输到另一个汇流条，两个汇流排表面上的微观突起因螺栓连接的压力而变形。母线的螺栓连接为了产生使母线上的微突出物变形所需的压力，螺栓扭矩必须相当高，当施加越来越大的压力时，初始点变形并变平，从而允许在更多点处接触。即使在可以施加的最大压力下，接近材料的屈服强度，实际接触面积也只占配合表面总面积的一小部分。当母线螺栓连接时，金属在增加的压力下塑性屈服使得金属与金属真正接触。紧固件的类型会影响螺栓连接处的压力分布。如果仅使用螺母和螺栓，则接触区域会集中在螺栓孔周围。附近的材料可能会受到高应力，并发生蠕变。变形或蠕变是不可逆的。从已公布的蠕变数据可以看出，高导电性铝在环境温度下，如果受到严重应力则表现出显著的蠕变。在相同的应力下，150℃的温度下高导电率铜的蠕变率与其相似。
2.4易于表面处理和环境适应性好
当暴露在大气中时，铝和铜都会氧化。铜的氧化物、氯化物或硫化物的导电性比铝的氧化物、氯化物或硫化物强得多。因此对于低电阻铝接头，必须对铝接头进行电镀，以最大限度地减少氧化。
在大多数环境中，氧化铝起到保护导体免受进一步腐蚀的作用。铝母线导体的电气连接的完整性取决于镀层。铝和铜导体通常镀有银或锡。一般来说，不应该用螺栓将未电镀的铝连接到铜母线上。大多数铝到铜的连接是通过在导体中的一个或两个的接合区域上镀银或镀锡来实现的。
母线连接处采用镀银工艺，接触面的导电性能比普通镀锡工艺有较大提高。与相同规格的裸母线相比，覆盖绝缘层的母线通常运行温度较低，因为与裸母线的光亮表面相比，通常颜色较深的绝缘材料是更好的热辐射器。如充气柜中的三工位开关采用铝合金（6063-T6）作为连接部件，加工后先镀铜不小于20µm后镀银不小于10µm，以保证耐磨性和连接的可靠性。
2.5高硬度要求
对于动连接的导体需要具有足够的硬度以抵抗摩擦，采用铝合金可以提高导体硬度，满足滑动连接等要求。在使用高导电铝和铜的条件下，无论是退火（或焊接）还是半硬，铜的疲劳强度大约是铝的两倍，这为机械或热循环引发的失效提供了充足的强度储备。
2.6其他性能要求
铜在氧化过程中释放的热量比铝少得多，因此，在电弧意外对准的情况下，维持燃烧的可能性要小得多。在这种情况下，铝氧化释放的大量热量足以蒸发更多的金属，蒸发的铝本身可以快速氧化，从而维持反应，以这种方式产生的多余热量加热附近的材料，包括母线、空气和任何绝缘支撑。随着母线和空气温度的升高，蒸发和氧化速率增加，从而加速整个过程。随着空气温度的增加，空气膨胀并推动热氧化物颗粒，铝母线会达到其熔点，从而进一步增加氧化速率，推进燃烧。因此，对于内部电弧，铝母线造成的破坏更强。
在评估材料时，还必须考虑其他因素，例如相对柔软的铝的需要更多的支撑成本，以及较大表面积的绝缘成本。
来源：会说电气
