DQZHAN技術(shù)訊：鋁合金電纜應(yīng)用中需要考慮的問題
采用鋁芯還是銅芯電纜一直是電纜選型爭論的話題，隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市配電網(wǎng)作為城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，電力電纜的需求量越來越大，電力電纜在電網(wǎng)建設(shè)的成本中所占比重顯著提高。目前我國電解鋁產(chǎn)能過剩，鋁合金電纜在機(jī)械特性上較純鋁芯電纜有所改進(jìn)，采用鋁合金芯電纜的呼聲再次升高。通過對銅芯與鋁合金電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能在工程應(yīng)用的差異進(jìn)行了分析對比，提出在選用鋁合金電纜應(yīng)用時(shí)需要考慮的問題。
0 引言
從1821年邁克爾法拉弟完成電發(fā)明以來的近200年來，人們在導(dǎo)電體的選擇上費(fèi)盡心思。銅、鋁、鐵、鎳、銀、金都被作為導(dǎo)體使用過。但實(shí)踐證明：銅和鋁是承載電流*合適的材料，是目前世界上電線電纜的*主要選擇。而金、銀以及銀鎳合金只被少量使用，主要應(yīng)用在集成線路板、繼電器接觸器和斷路器的觸頭和航天航空領(lǐng)域。
在70年代以前，由于我國銅的儲藏量較少，加之被作為戰(zhàn)略物資，大力提倡采用鋁作電力電線，甚至鋁芯變壓器、鋁芯電機(jī)都是當(dāng)時(shí)的主流選擇。改革開放后，我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，由于鋁芯電纜故障率高，鋁芯變壓器、鋁芯電機(jī)損耗大、效率低，出于供電的高可靠性、高質(zhì)量要求，以及節(jié)能降耗的要求，鋁芯變壓器和鋁電機(jī)已經(jīng)被淘汰，而鋁芯線纜更多應(yīng)用于架空線路。
隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市配電網(wǎng)作為城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，電力電纜的需求量越來越大，銅芯電纜應(yīng)用量迅速增加，我國銅材料使用量已經(jīng)占到線纜行業(yè)的90%以上。電力電纜在電網(wǎng)建設(shè)的成本中所占比重顯著提高，鋁芯電纜相對銅芯電纜價(jià)格低、重量輕，適合一些特定的場合應(yīng)用，如用于大跨度的建筑，可減輕對建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。目前我國電解鋁產(chǎn)能過剩，鋁合金線纜在機(jī)械特性方面較純鋁芯電纜有所改善，采用鋁合金電纜的呼聲再次升高。本文僅針對銅芯與鋁合金電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能在工程應(yīng)用中的差異進(jìn)行分析對比，提出鋁合金電纜在電網(wǎng)應(yīng)用需要考慮的問題，有關(guān)鋁合金電纜的機(jī)械特性不在此文中進(jìn)行描述和分析。
1 電力電纜在中壓電網(wǎng)中的應(yīng)用
截至2014年年底，國家公司6～20kV配電線路電纜線路長約40萬km，電纜化率為12.6%;其中城市配網(wǎng)電纜長為27萬km，電纜化率為47.1%，同比增加4.1%;縣域配電網(wǎng)電纜長為12萬km，電纜化率為4.8%。電纜敷設(shè)方式主要有直埋、電纜溝、排管、隧道、橋梁、水底敷設(shè)等。電纜通道中排管敷設(shè)占46.4%、直埋敷設(shè)占26.3%、電纜溝敷設(shè)占14.6%、隧道敷設(shè)占8.3%、橋梁等其他方式敷設(shè)占4.4%。
在運(yùn)行的電纜中以銅芯電纜為主，鋁芯電纜所占比例較低不足5%。其中，國網(wǎng)浙江公司鋁芯電纜所占比例相對大些，浙江電網(wǎng)所轄10～35kV電纜45684km，鋁芯電纜3649km，鋁芯電纜占該電壓等級電纜的7.989%。浙江電網(wǎng)在運(yùn)的鋁芯電纜，大多數(shù)從2009年下半年以后投運(yùn)，根據(jù)3年左右的運(yùn)行記錄，共發(fā)生鋁芯電纜故障停運(yùn)29次。故障主要發(fā)生在電纜附件，尤其是中間接頭共發(fā)生19次，占故障的65.52%，中間接頭故障除1次外力破壞外，其余18次均為接頭擊穿;其他故障分別為電纜終端、外力破壞、施工等原因，鋁芯電纜故障以500mm2電纜故障情況尤為突出，共發(fā)生18次，占總統(tǒng)計(jì)故障的62.07%，其中有14次為電纜中間接頭絕緣擊穿或爆炸，占電纜中間接頭故障的78.8%。據(jù)了解，目前對大截面鋁芯電纜的中間接頭施工工藝還未完全解決可靠、穩(wěn)定、成熟的現(xiàn)場壓接技術(shù)問題。
2 電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能的對比分析
鋁合金與銅相比，在同等截面等長度的情況下，電導(dǎo)率是銅的61.8%，載流量約為銅的78%，銅比重為8.9g/cm3，鋁比重為2.7g/cm3，同樣截面積電纜，鋁合金電纜質(zhì)量僅為銅芯電纜的一半多。由于鋁合金電纜質(zhì)量輕，特別適合用于大跨度的建筑，如體育場館、會展中心等建筑物的電纜敷設(shè)。另外，對高層建筑，采用鋁合金電纜可以降低垂直敷設(shè)電纜的難度和工作量，節(jié)省人工成本，同時(shí)也減少了由于電纜施工中可能造成本體損傷的風(fēng)險(xiǎn)。由于鋁的熔點(diǎn)是660℃，因此救災(zāi)時(shí)需要連續(xù)供電的消防線路不得選用鋁合金電纜。
國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC287—3—2/1995提出了電纜尺寸選擇應(yīng)以導(dǎo)體截面經(jīng)濟(jì)性*佳為原則的觀點(diǎn)：電纜導(dǎo)體截面的選擇，不僅要考慮電纜線路的初始成本，而且要同時(shí)考慮電纜在壽命期間的電能損耗成本，因此要從經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇電纜截面。根據(jù)電纜截面的規(guī)格分布，將鋁合金電纜的截面增加1.5倍左右，載流量與電壓降等電氣參數(shù)與銅相當(dāng)。銅纜與鋁合金電纜的能耗比見表1。
在相近能耗下，鋁合金芯電纜的截面要比銅芯電纜的截面大兩個(gè)規(guī)格，也就是說，鋁合金電纜大于銅芯電纜兩個(gè)規(guī)格才可以達(dá)到相近的載流量。增大導(dǎo)線截面積對電纜敷設(shè)、電纜通道的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣性能都帶來了影響。
2.1 結(jié)構(gòu)尺寸的影響
按照配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則要求，配電網(wǎng)電纜主干線截面積宜綜合飽和負(fù)荷狀況、線路全壽命周期一次選定。10kV主干線的電纜截面積銅芯一般為240～400mm2，如果選擇鋁合金芯電纜則要選擇400～630mm2。10kV分支線的電纜截面積銅芯為150～240mm2，如果選擇鋁芯電纜則為240～400mm2，電纜截面積增大在電纜敷設(shè)中會帶來一些問題，電纜截面積大，其重量和彎曲半徑也隨之增加很多，受場地環(huán)境、施工敷設(shè)方法、人工、機(jī)械的限制，給運(yùn)輸和施工帶來許多困難，也增加了許多工作量。因此，目前10kV三芯電纜選用的*大截面是400mm2，大于400mm2一般選用2根240 mm2的三芯電纜。
電纜敷設(shè)的通道資源也是電纜建設(shè)和運(yùn)行主要的成本之一。城市電網(wǎng)中近一半電纜是排管敷設(shè)，選用鋁合金電纜在排管敷設(shè)時(shí)，則排管孔徑比選用銅芯電纜的孔徑大一到兩個(gè)規(guī)格或采用兩個(gè)管孔，這樣選用鋁合金電纜增加了排管的建設(shè)和運(yùn)行成本。對其他敷設(shè)方式增加截面后同樣也會增加占地，增加了建設(shè)和運(yùn)行成本。
電力電纜在敷設(shè)安裝時(shí)。在各彎曲處產(chǎn)生不同方向的拉伸力，并產(chǎn)生導(dǎo)致電纜損壞的動態(tài)壓力，而且電纜在敷設(shè)安裝牽引時(shí)所產(chǎn)生的動態(tài)壓力比電纜靜止時(shí)大得多，所以在各種情況下，電纜的彎曲半徑應(yīng)盡量大些。
由于電纜截面積增大，電纜外徑增大，電纜彎曲半徑也隨之增大，勢必增加電纜的轉(zhuǎn)角井和入口井的占地面積，同樣也增加了電纜通道的建設(shè)和運(yùn)維成本。10kV三芯交聯(lián)電纜外徑和*小彎曲半徑見表2。
2.2 電氣特性的影響
2.2.1系統(tǒng)短路時(shí)電纜的允許溫度和熱穩(wěn)定性
電纜的選擇還要考慮正常和短路時(shí)電纜*高允許溫度，銅芯和鋁芯電纜線路在系統(tǒng)正常和短路時(shí)電纜導(dǎo)體*高允許溫度見表3。鋁合金電纜在短路時(shí)*高允許溫度低于銅芯電纜，在選擇時(shí)需要考慮。
電纜的選擇除應(yīng)按照允許溫度確定允許電流外，還應(yīng)驗(yàn)算在短路情況下的熱穩(wěn)定性。當(dāng)熱穩(wěn)定不足時(shí)，增大電纜截面直到適合為止。
2.2.2 多根電纜并列的影響
多根電纜并列敷設(shè)時(shí)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量相對單根更難發(fā)散，載流量較單根要小些。并列敷設(shè)的越多則允許載流量就越小。由表4可以看出電纜并列敷設(shè)時(shí)間距*好大于300mm(電纜直徑5倍以上)來保證電纜散熱和故障時(shí)減少對其他電纜的影響。
注：S為電纜中心間距離，d為電纜外徑。
注：呈水平狀并列電纜小于7根。
在同樣的環(huán)境溫度和土壤熱阻條件下，如果選用鋁合金電纜，由于增大截面積后電纜之間凈距就減少了，如240mm2的銅芯電纜其外徑是
83mm，選用400mm2鋁合金電纜外徑為95mm，電纜之間凈距縮小了21mm，近縮小了20%，相應(yīng)的校正系數(shù)也降低。如400mm2的銅芯電纜，需選用兩條185mm2的鋁合金電纜，這樣增加了并列直埋電纜的根數(shù)，校正系數(shù)隨之降低。由于采用鋁合金電纜增大了電纜外徑，會出現(xiàn)線間距離減少，電纜數(shù)量增加的情況，這樣會降低校正系數(shù)，也就是降低電纜載流量，為滿足工作電流要求，可能還需要選擇更大截面的導(dǎo)線。所以選用鋁合金電纜還要考慮增大了截面降低了電纜間距離，而降低允許通流量的問題。
2.2.3 電纜電容電流的影響
電纜的電容電流隨著電纜截面的增大而增加，選用鋁合金電纜后電纜后電纜截面積增加兩個(gè)規(guī)格，電纜的電容值也隨之增加。我國大部分地區(qū)還是以消弧線圈補(bǔ)償為主，消弧線圈容量的確定，取決于電網(wǎng)中電容電流的大小，電網(wǎng)中電容電流的確定主要采用實(shí)測和理論估算兩種方式，對于已經(jīng)運(yùn)行的電網(wǎng)還可以采用電容電流測量的方式測量，但在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段，由于電網(wǎng)尚未形成，需要用理論方法進(jìn)行估算。10kV交聯(lián)聚乙烯電纜每公里電容量和電容電流見表7。
10kV采用240mm2銅電纜電容電流為1.96A/km，采用400mm2鋁合金電纜時(shí)，電容電流為2.41A/km，采用鋁合金電纜后電容電流增加 123%。電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定：3～66kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不超過10A時(shí)，應(yīng)采用不接地方式;當(dāng)超過10A又需在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用消弧線圈接地方式 ;6～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用低電阻接地方式。在中壓電網(wǎng)系統(tǒng)大多數(shù)是采用消弧線圈接地方式，當(dāng)選用鋁合金電纜時(shí)會導(dǎo)致消弧線圈容量增加，相應(yīng)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本也在增加。國內(nèi)北京、上海、天津、廣州和深圳采用低電阻接地方式，低電阻接地方式對接地電流有限制值，當(dāng)接地電容電流增大后也需要校核接地電流。
3 結(jié)語
在滿足載流量和能量損耗的前提下，鋁合金電纜的直接成本即電纜本體的成本比銅纜低，由于鋁合金電纜的重量較銅芯電纜輕，鋁合金電纜更適合用于大跨度的建筑，可以大大減輕對建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。另外，對高層建筑可以降低垂直敷設(shè)電纜的難度和工作量。在一些低壓配電系統(tǒng)中的電纜通道資源寬裕，沒有多條電纜并行敷設(shè)的場所可采用鋁合金電力電纜。
但是隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展，負(fù)荷密度越來越高，電纜通道中敷設(shè)的電纜數(shù)量密度也隨之增加。對于電纜通道資源緊缺，短路電流大的場合在選用鋁合金電纜時(shí)就不能只考慮鋁合金電纜的的直接成本，還要考慮綜合成本，如選用鋁合金電纜增加了電纜通道的尺寸，過密敷設(shè)使得通流量隨著電纜間距減小而降低，電容電流增加需要增加消弧線圈容量等建設(shè)和運(yùn)行成本。另外，鋁合金電纜的*高允許短路溫度以及熱穩(wěn)定系數(shù)低于銅芯電纜，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該進(jìn)行熱穩(wěn)定校核，以保障電網(wǎng)**可靠運(yùn)行。
