DQZHAN技術(shù)訊：鋁合金電纜在城市中壓電網(wǎng)的適用性研究
摘要：“富鋁缺銅”并不符合國(guó)情，“藏銅于國(guó)內(nèi)”則更具有突出戰(zhàn)略意義。鋁合金電纜對(duì)比銅電纜在導(dǎo)電性、載流量、機(jī)械性能、耐腐蝕、耐高溫等硬性指標(biāo)上存在明顯差距，在接頭故障、通道資源占用、施工工藝等方面也存在對(duì)比劣勢(shì)。綜合資產(chǎn)全壽命周期和電網(wǎng)**運(yùn)行的需要，鋁合金電纜并不適合在中壓系統(tǒng)和城市配電網(wǎng)推廣使用。
【關(guān)鍵詞】以鋁代銅 鋁合金電纜 富鋁缺銅
一、引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)步入發(fā)展新常態(tài)，鋁合金電纜在電氣市場(chǎng)中占據(jù)了一定份額。相關(guān)媒體和企業(yè)提出了在電力電纜領(lǐng)域**推廣“以鋁代銅”，并冠之以未來(lái)“發(fā)展方向”，解決銅資源短缺的“戰(zhàn)略舉措”。本文主要對(duì)鋁合金電纜和銅電纜進(jìn)行八個(gè)方面橫向?qū)Ρ?，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，理性審慎地看待銅鋁替代問題。
二、銅鋁礦產(chǎn)資源的現(xiàn)實(shí)比較
我國(guó)銅資源相對(duì)短缺是客觀事實(shí)，但鋁資源其實(shí)并不富裕。所謂“富鋁缺銅”更是不符合國(guó)情的誤導(dǎo)宣傳〔1〕。眾所周知，國(guó)內(nèi)鋁加工行業(yè)由于產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，早已列入國(guó)家限制淘汰落后生產(chǎn)序列。國(guó)產(chǎn)鋁土礦石的鋁硅比偏低，氧化鋁生產(chǎn)成本偏高。鋁礦的過度開采使國(guó)內(nèi)儲(chǔ)采比僅有6.6年，遠(yuǎn)低于石油工業(yè)10年的儲(chǔ)采比〔2〕，顯然儲(chǔ)量不能滿足經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的需要。然而為維持龐大的鋁業(yè)產(chǎn)能，必須從海外大量采購(gòu)鋁礦資源，預(yù)計(jì)到“十三五末”鋁礦的海外依存度將達(dá)到60%以上。從長(zhǎng)期來(lái)看，客觀上存在鋁資源短缺的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。反觀銅作為100%可循環(huán)使用的金屬，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)采比尚有16年之久，若能利用當(dāng)前外匯儲(chǔ)備和低價(jià)銅礦的優(yōu)勢(shì)，大量收購(gòu)國(guó)外銅礦資源，“藏銅于國(guó)內(nèi)”無(wú)疑更具有突出戰(zhàn)略意義。
三、鋁合金電纜與銅電纜的性能比較
鋁合金電纜是在普通鋁的基礎(chǔ)上加入微量元素作為導(dǎo)體的電纜形式，雖然是純鋁電纜升級(jí)版本，但與銅電纜相比仍有明顯的比較劣勢(shì)。
(1)鋁合金電纜的導(dǎo)電性較差。
鋁合金電纜導(dǎo)電率只有銅電纜的61%。相同電纜截面下，偏大的電阻必然造成線損偏高，降低能源利用效率。相同載流量條件下，鋁合金電纜電阻率總是略大于銅電纜。以負(fù)荷電流380A，年利用小時(shí)數(shù)4500h，運(yùn)行壽命30年為例，銅電纜截面若采用150mm2，則鋁合金電纜截面需240mm2，兩者的電阻率分別是0.148/km和0.150/km，年能耗為288495kwh/km和292410kwh/km，全壽命周期內(nèi)兩者能耗差為117450kwh/km〔3〕。顯然全壽命周期內(nèi)鋁合金電纜的損耗偏大，背離國(guó)家“節(jié)能減排”的發(fā)展方向。
(2)鋁合金電纜載流量偏低。
城市電網(wǎng)供電可靠性要求達(dá)到99.99%，核心區(qū)需達(dá)到99.999%的更高水平。由于城市電纜網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，故障情況下短時(shí)間內(nèi)保護(hù)動(dòng)作，迅速將負(fù)荷切轉(zhuǎn)至對(duì)側(cè)線路，確保不間斷用戶供電。但要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高可靠性，完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的設(shè)備和線路都是必不可少的。電網(wǎng)中的供電線路必須具有較高的載流量，除自身負(fù)荷外還能承擔(dān)臨時(shí)切換負(fù)荷。同等截面的銅芯電纜比鋁合金電纜的載流量高出30%以上，顯然更能滿足城市供電可靠性的要求。
(3)鋁合金電纜機(jī)械抗拉強(qiáng)度低。
鋁合金電纜的抗拉強(qiáng)度只有銅電纜的46%，允許牽引力比銅電纜低60%。城市配電網(wǎng)大量采用電纜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，規(guī)劃設(shè)計(jì)上考慮盡量減少電纜中間接頭的使用。實(shí)際使用中，單根銅電纜敷設(shè)長(zhǎng)度一般在600~800米區(qū)間?？紤]在同等載流量條件下，單根普鋁電纜的敷設(shè)長(zhǎng)度僅為500米?？紤]牽引力的影響，單根鋁合金電纜的敷設(shè)長(zhǎng)度只有350米。顯然抗拉強(qiáng)度偏低必然導(dǎo)致單次牽引電纜的長(zhǎng)度受限，需額外增加大量中間接頭，增加后續(xù)運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。
(4)鋁合金電纜耐腐蝕性能弱。
電纜導(dǎo)體的腐蝕主要是金屬電化學(xué)腐蝕，即在金屬表面發(fā)生原電池或雜散電流干擾引起的電解電池作用。鋁合金電纜在生產(chǎn)工藝中為了改善抗蠕變性能加入了鎂、銅、鋅、硅等元素，并增加熱處理工序。由于電纜運(yùn)行工況復(fù)雜，在含有電解質(zhì)的環(huán)境中，電極電位更低的鋁與其他加入的金屬元素存在電極差，從而形成電流通路，發(fā)生孔蝕和裂隙腐蝕等電化學(xué)現(xiàn)象。鋁合金電纜熱處理工藝還容易造成導(dǎo)體表面物理狀態(tài)不均勻，增加電化學(xué)腐蝕的可能，繼而發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋和晶間腐蝕。
(5)鋁合金電纜耐高溫性能差。
銅的熔融點(diǎn)為1080，而鋁的熔融點(diǎn)僅為660，顯然銅導(dǎo)體是耐火電纜更好的選擇?；馂?zāi)情況下，中心環(huán)境溫度可上升到750以上，電纜必須能夠維持通電的基本功能以構(gòu)筑生命保障線。顯然當(dāng)火場(chǎng)溫度高于鋁合金和鋁的熔融點(diǎn)后，無(wú)論采取何種隔熱措施，電纜導(dǎo)體都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生融化，喪失導(dǎo)電功能，從而嚴(yán)重影響火場(chǎng)人員**疏散。
(6)鋁合金電纜接頭故障風(fēng)險(xiǎn)高。
電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，80%故障均發(fā)生在接頭部位。銅具有鋁和鋁合金無(wú)法比擬的優(yōu)越性。銅接頭氧化生成的氧化銅是優(yōu)良導(dǎo)體，仍能夠保障接頭和端子的電氣連接性能。鋁和鋁合金接頭發(fā)生氧化生成的氧化鋁是絕緣體，質(zhì)地堅(jiān)硬、粘結(jié)力強(qiáng)的特性使其難以形成良好的導(dǎo)電觸點(diǎn)，易造成觸點(diǎn)發(fā)熱。電氣設(shè)備終端多采用的是銅制接頭，使用鋁合金電纜就會(huì)形成銅鋁連接。鋁合金的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于銅。由于電網(wǎng)運(yùn)行始終存在峰谷差，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生明顯變化時(shí)，溫度快速變化，接觸區(qū)出現(xiàn)較大的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，切斷了金屬觸點(diǎn)的有效連接，增大接觸阻抗，導(dǎo)致連接處溫度上升。冷卻時(shí)再次發(fā)生熱應(yīng)力變化，進(jìn)一步形成界面剪切作用。在長(zhǎng)期冷熱反復(fù)作用下，當(dāng)熱應(yīng)力大于鋁的屈服力時(shí)，就會(huì)在接觸區(qū)內(nèi)形成不可逆的塑性變形，加速接頭處的損耗程度，直至*終出現(xiàn)連接故障。鋁合金導(dǎo)體在熱脹冷縮后更容易產(chǎn)生接觸**的現(xiàn)象，接觸區(qū)的惡性循環(huán)又對(duì)接頭**運(yùn)行形成巨大考驗(yàn)。
(7)鋁合金電纜占用通道資源多。
在相近能耗條件下，鋁合金電纜截面需大于銅電纜兩個(gè)規(guī)格以上，才能達(dá)到相近的載流量。然而增大的導(dǎo)體截面對(duì)電纜敷設(shè)和電纜通道結(jié)構(gòu)尺寸都帶來(lái)嚴(yán)重影響。電纜通道資源是城市電纜網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。受城市道路規(guī)模和交通組織的影響，大多數(shù)電纜采用排管和拉管方式敷設(shè)。選用鋁合金電纜進(jìn)行排管內(nèi)敷設(shè)，則排管孔徑必須放大到敷設(shè)銅電纜孔徑的1.6倍以上〔4〕，顯然增加了電纜土建工程建設(shè)成本。同時(shí)擴(kuò)大的土建規(guī)模增加了占地，在城市地下資源日益緊張的條件下，顯然并不具有可行性。
(8)鋁合金導(dǎo)體安裝工藝要求高。
安裝鋁合金電纜需要使用特殊工具，不同廠家接頭甚至需要配置不同工具，無(wú)疑增加施工安裝成本。鋁合金電纜安裝程序復(fù)雜,一般分為剝離絕緣層、去除導(dǎo)體氧化層、涂覆抗氧化劑、插入端子、壓接成型、擦除多余抗氧化劑等6個(gè)主要步驟。不正確的安裝容易導(dǎo)致接頭接觸電阻過大，異常溫升直至發(fā)生電纜故障。國(guó)內(nèi)目前的電纜施工力量參差不齊，現(xiàn)場(chǎng)管理水平也落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。相比較而言，銅電纜應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，具有更好的機(jī)械性能和安裝容錯(cuò)性，施工工藝比較簡(jiǎn)化，更適合現(xiàn)階段的實(shí)際情況和發(fā)展水平。
四、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，鋁合金電纜是一種投資風(fēng)險(xiǎn)大、市場(chǎng)空間有限、對(duì)用戶**可靠性保障度低的產(chǎn)品，相對(duì)鋁電纜僅是在抗蠕變性能方面有局部改善，卻不能對(duì)鋁電纜的其他不足方面提供有效的解決方案。通過上述對(duì)比分析，鋁合金電纜并不適合在中壓系統(tǒng)和城市配電網(wǎng)推廣使用。
