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鋁合金電纜在城市中壓電網(wǎng)的適用性研究

時間:2017-09-02 | 瀏覽量:4342

摘要:“富鋁缺銅”并不符合國情,“藏銅于國內(nèi)”則更具有突出戰(zhàn)略意義。鋁合金電纜對比銅電纜在導電性、載流量、機械性能、耐腐蝕、耐高溫等硬性指標上存在明顯差距,在接頭故障、通道資源占用、施工工藝等方面也存在對比劣勢。綜合資產(chǎn)全壽命周期和電網(wǎng)安全運行的需要,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。

【關鍵詞】以鋁代銅 鋁合金電纜 富鋁缺銅

一、引言

隨著我國經(jīng)濟步入發(fā)展新常態(tài),鋁合金電纜在電氣市場中占據(jù)了一定份額。相關媒體和企業(yè)提出了在電力電纜領域全面推廣“以鋁代銅”,并冠之以未來“發(fā)展方向”,解決銅資源短缺的“戰(zhàn)略舉措”。本文主要對鋁合金電纜和銅電纜進行八個方面橫向?qū)Ρ?,并結(jié)合實際應用情況,理性審慎地看待銅鋁替代問題。

二、銅鋁礦產(chǎn)資源的現(xiàn)實比較

我國銅資源相對短缺是客觀事實,但鋁資源其實并不富裕。所謂“富鋁缺銅”更是不符合國情的誤導宣傳〔1〕。眾所周知,國內(nèi)鋁加工行業(yè)由于產(chǎn)能嚴重過剩,早已列入國家限制淘汰落后生產(chǎn)序列。國產(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內(nèi)儲采比僅有6.6年,遠低于石油工業(yè)10年的儲采比〔2〕,顯然儲量不能滿足經(jīng)濟快速增長的需要。然而為維持龐大的鋁業(yè)產(chǎn)能,必須從海外大量采購鋁礦資源,預計到“十三五末”鋁礦的海外依存度將達到60%以上。從長期來看,客觀上存在鋁資源短缺的系統(tǒng)性風險。反觀銅作為100%可循環(huán)使用的金屬,國內(nèi)儲采比尚有16年之久,若能利用當前外匯儲備和低價銅礦的優(yōu)勢,大量收購國外銅礦資源,“藏銅于國內(nèi)”無疑更具有突出戰(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上加入微量元素作為導體的電纜形式,雖然是純鋁電纜升級版本,但與銅電纜相比仍有明顯的比較劣勢。

(1)鋁合金電纜的導電性較差。

鋁合金電纜導電率只有銅電纜的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。以負荷電流380A,年利用小時數(shù)4500h,運行壽命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)供電可靠性要求達到99.99%,核心區(qū)需達到99.999%的更高水平。由于城市電纜網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構,故障情況下短時間內(nèi)保護動作,迅速將負荷切轉(zhuǎn)至對側(cè)線路,確保不間斷用戶供電。但要實現(xiàn)電網(wǎng)高可靠性,完善的網(wǎng)絡結(jié)構、優(yōu)良的設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,除自身負荷外還能承擔臨時切換負荷。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)鋁合金電纜機械抗拉強度低。

鋁合金電纜的抗拉強度只有銅電纜的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,規(guī)劃設計上考慮盡量減少電纜中間接頭的使用。實際使用中,單根銅電纜敷設長度一般在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長度僅為500米??紤]牽引力的影響,單根鋁合金電纜的敷設長度只有350米。顯然抗拉強度偏低必然導致單次牽引電纜的長度受限,需額外增加大量中間接頭,增加后續(xù)運行維護風險。

(4)鋁合金電纜耐腐蝕性能弱。

電纜導體的腐蝕主要是金屬電化學腐蝕,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。由于電纜運行工況復雜,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現(xiàn)象。鋁合金電纜熱處理工藝還容易造成導體表面物理狀態(tài)不均勻,增加電化學腐蝕的可能,繼而發(fā)生應力腐蝕裂紋和晶間腐蝕。

(5)鋁合金電纜耐高溫性能差。

銅的熔融點為1080,而鋁的熔融點僅為660,顯然銅導體是耐火電纜更好的選擇?;馂那闆r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筑生命保障線。顯然當火場溫度高于鋁合金和鋁的熔融點后,無論采取何種隔熱措施,電纜導體都會在短時間內(nèi)發(fā)生融化,喪失導電功能,從而嚴重影響火場人員安全疏散。

(6)鋁合金電纜接頭故障風險高。

電纜運行經(jīng)驗表明,80%故障均發(fā)生在接頭部位。銅具有鋁和鋁合金無法比擬的優(yōu)越性。銅接頭氧化生成的氧化銅是優(yōu)良導體,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)地堅硬、粘結(jié)力強的特性使其難以形成良好的導電觸點,易造成觸點發(fā)熱。電氣設備終端多采用的是銅制接頭,使用鋁合金電纜就會形成銅鋁連接。鋁合金的熱膨脹系數(shù)遠高于銅。由于電網(wǎng)運行始終存在峰谷差,當負荷發(fā)生明顯變化時,溫度快速變化,接觸區(qū)出現(xiàn)較大的側(cè)向運動,切斷了金屬觸點的有效連接,增大接觸阻抗,導致連接處溫度上升。冷卻時再次發(fā)生熱應力變化,進一步形成界面剪切作用。在長期冷熱反復作用下,當熱應力大于鋁的屈服力時,就會在接觸區(qū)內(nèi)形成不可逆的塑性變形,加速接頭處的損耗程度,直至最終出現(xiàn)連接故障。鋁合金導體在熱脹冷縮后更容易產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象,接觸區(qū)的惡性循環(huán)又對接頭安全運行形成巨大考驗。

(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規(guī)格以上,才能達到相近的載流量。然而增大的導體截面對電纜敷設和電纜通道結(jié)構尺寸都帶來嚴重影響。電纜通道資源是城市電纜網(wǎng)建設的重要組成部分。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。選用鋁合金電纜進行排管內(nèi)敷設,則排管孔徑必須放大到敷設銅電纜孔徑的1.6倍以上〔4〕,顯然增加了電纜土建工程建設成本。同時擴大的土建規(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,無疑增加施工安裝成本。鋁合金電纜安裝程序復雜,一般分為剝離絕緣層、去除導體氧化層、涂覆抗氧化劑、插入端子、壓接成型、擦除多余抗氧化劑等6個主要步驟。不正確的安裝容易導致接頭接觸電阻過大,異常溫升直至發(fā)生電纜故障。國內(nèi)目前的電纜施工力量參差不齊,現(xiàn)場管理水平也落后于發(fā)達國家。相比較而言,銅電纜應用經(jīng)驗豐富,具有更好的機械性能和安裝容錯性,施工工藝比較簡化,更適合現(xiàn)階段的實際情況和發(fā)展水平。

四、結(jié)語

綜上所述,鋁合金電纜是一種投資風險大、市場空間有限、對用戶安全可靠性保障度低的產(chǎn)品,相對鋁電纜僅是在抗蠕變性能方面有局部改善,卻不能對鋁電纜的其他不足方面提供有效的解決方案。通過上述對比分析,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。(來源:中國工業(yè)電器網(wǎng))

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