鋁合金電纜在電力工程中的應(yīng)用

耿 健，周 翔

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054）

1 鋁合金電纜的應(yīng)用現(xiàn)狀

電纜作為電力工程中的主要材料，一般用于電力的傳輸，在電力工程中起著至關(guān)重要的作用。電纜的種類(lèi)多種多樣，選擇合適的電纜不僅能增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)電力工程的造價(jià)也有著重要影響。

金屬導(dǎo)體是電纜最重要的組成部分，通常選擇導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬作為電纜導(dǎo)體，如銅、鋁等。GB/T 3956—2008［電纜的導(dǎo)體］4.1條中規(guī)定：導(dǎo)體應(yīng)包含以下類(lèi)型之一：1）不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線。2）鋁或鋁合金線。相應(yīng)的，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金屬導(dǎo)體的種類(lèi)，電力工程中常用的電纜分為銅電纜、鋁電纜和鋁合金電纜。

銅電纜和鋁電纜作為較為傳統(tǒng)的電纜類(lèi)型，已為大家所熟知，并在電力工程中得到廣泛的應(yīng)用。銅電纜因其優(yōu)越的導(dǎo)電性能和機(jī)械特性，應(yīng)用最廣；鋁電纜雖然價(jià)格較為低廉，但因其固有的導(dǎo)電率低、易蠕變、極易斷裂等特點(diǎn)，僅用于較不重要的場(chǎng)合。在GB 50217—2007［電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范］第3部分［電纜型式與截面選擇］對(duì)電力工程中銅芯與鋁芯電纜的使用范圍有詳細(xì)的規(guī)定。銅芯電纜適用于所有場(chǎng)合，而控制電纜、耐火電纜及用于安全性、連接可靠性要求較高的場(chǎng)所的電纜等均不允許采用鋁電纜。電力作為關(guān)系國(guó)家安全的重要產(chǎn)業(yè)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行及用戶的管理均以“安全第一”為目的，因而對(duì)于電網(wǎng)設(shè)備要求也極為嚴(yán)格，對(duì)鋁電纜的使用十分謹(jǐn)慎，這也導(dǎo)致了我國(guó)電纜工業(yè)中鋁導(dǎo)體用量占比很低。

鋁合金電纜作為一種新型的電纜，雖然歷史不長(zhǎng)，但因其優(yōu)越的性能和相對(duì)較低的價(jià)格，近年來(lái)迅猛發(fā)展，成為電纜行業(yè)中一股新生力量，引起越來(lái)越多的關(guān)注。20世紀(jì)60年代末，在全球銅資源缺乏的背景下，一種新型鋁合金電纜產(chǎn)品得到開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用于配電領(lǐng)域。因其良好的性能，從19世紀(jì)70年代初開(kāi)始在北美得到了廣泛的推廣和使用，2007年進(jìn)入中國(guó)后在北京、天津、浙江、遼寧、廣東、四川等地逐步打開(kāi)市場(chǎng)。最初的鋁合金電纜均從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格較為昂貴，與銅纜相當(dāng)，隨著合資廠的設(shè)立和國(guó)產(chǎn)品牌的出現(xiàn)，鋁合金電纜產(chǎn)能擴(kuò)大，競(jìng)爭(zhēng)加劇，價(jià)格逐步下降，優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，市場(chǎng)份額也迅速增長(zhǎng)。但鋁合金電纜目前主要用于房地產(chǎn)項(xiàng)目、商業(yè)項(xiàng)目和電纜用戶工程，仍難以進(jìn)入電網(wǎng)工程的采購(gòu)名錄中，市場(chǎng)份額仍然偏低。

鋁合金電纜若要打破人們心中鋁質(zhì)電纜安全性能較低的固有印象，調(diào)整銅電纜在電纜市場(chǎng)中的霸主地位，一方面其優(yōu)異的性能需經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)，另一方面也需要電力工程相關(guān)行業(yè)人士摒棄舊有觀念，以開(kāi)放和寬容的心態(tài)去面對(duì)這一新產(chǎn)品。

2 鋁合金電纜與銅電纜的性能比較

鋁合金電纜若想在電力工程中占有一席之地，打破銅電纜在電纜行業(yè)中的壟斷地方，則應(yīng)在與銅電纜的比較中，有其獨(dú)特的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2.1 鋁合金電纜的主要參數(shù)

鋁合金導(dǎo)體以金屬鋁為主要成分，通過(guò)添加銅（Cu）、錳（Mn）、鎂（Mg）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鐵（Fe）和硅（Si）等多種元素，經(jīng)過(guò)先進(jìn)的合成和退火等工藝，彌補(bǔ)了純鋁電纜的不足，改善了純鋁電纜的物理性能和工藝性能，提高了電纜的抗腐蝕、抗蠕變能力，保證電纜即使在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)的連接穩(wěn)定性。

2.1.1 電阻率

鋁合金導(dǎo)體的電阻率與鋁相當(dāng)，約為銅的1.68倍，由于銅芯電纜的電阻率低，在同截面情況下，銅芯電纜的電壓降較小。但一般在工程應(yīng)用中，鋁合金電纜為了達(dá)到相同的載流量，放大截面后，電壓降相當(dāng)。

2.1.2 質(zhì)量銅的密度約為8.9t/m3，鋁合金的密度與鋁相當(dāng)，約為2.7t/m3，即在單位面積質(zhì)量下，銅的質(zhì)量約為鋁合金的3.3倍。

2.1.3 導(dǎo)電能力

如果按銅的導(dǎo)電率是100%計(jì)算，鋁合金的單位體積電導(dǎo)率與鋁相當(dāng)，約為61.2%。由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與導(dǎo)體截面成正比，則（8.9/2.7）×（0.612/1）＝2，即2kg銅的導(dǎo)電能力與1kg鋁合金相當(dāng)。另外，考慮密度后，合金電纜的截面積約為銅的1.5倍時(shí)，其電氣性能相同。

因此，在實(shí)際的電纜選型中，鋁合金電纜截面約為銅電纜的1.5倍，質(zhì)量約為銅電纜的一半。

2.1.4 短路熱穩(wěn)定能力

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50217—2007，按短路熱穩(wěn)定條件計(jì)算電纜導(dǎo)體允許的最小截面，公式如下

經(jīng)計(jì)算（此處略去計(jì)算過(guò)程）可得，銅電纜熱穩(wěn)定系數(shù)C銅＝13 700，鋁合金電纜熱穩(wěn)定系數(shù)C鋁＝9 000。在通過(guò)相同的短路電流并且短路持續(xù)時(shí)間相等的情況下，設(shè)定S銅≥S基準(zhǔn)，則S鋁≥1.52S基準(zhǔn)，即在相同的條件下，鋁合金電纜的截面必須為銅電纜截面的1.52倍以上。

綜上所述，鋁合金電纜選型時(shí)，截面應(yīng)考慮放大。當(dāng)放大約1.5倍時(shí)，主要參數(shù)基本與銅電纜相當(dāng)。

2.2 鋁合金電纜的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 鋁資源豐富

地殼中的鋁以鋁土礦（鋁礬土）的形式存在，鋁土礦中氧化鋁的含量一般在40%以上。鋁是地殼中含量最豐富的金屬。在地殼總質(zhì)量中，鋁約為8%，鐵約占5%，而銅約占0.000 1%。這說(shuō)明，在作為電導(dǎo)體的金屬資源開(kāi)發(fā)利用中，鋁比銅有絕對(duì)吸引力。

2.2.2 改良的機(jī)械性能

鋁電纜因其易蠕變、連接可靠性較低、易斷裂等固有特點(diǎn)而飽受詬病，國(guó)家供電的安全可靠性，對(duì)鋁電纜的應(yīng)用也做了諸多限制，使得鋁電纜在電力行業(yè)中的應(yīng)用很少。但在經(jīng)過(guò)特殊的工藝處理后，鋁合金導(dǎo)體在抗蠕變、壓緊性、屈服強(qiáng)度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高。在國(guó)外三十幾年的使用中，安全可靠，故障率極低?？梢?jiàn)，雖然鋁合金導(dǎo)體的含量90%以上仍是鋁，但是其含有的微量元素已經(jīng)徹底改變了其大部分機(jī)械性能。

2.2.3 價(jià)格低

2013年初，銅材的價(jià)格約為45 000元/t，鋁材約為12 000元/t，鋁材的價(jià)格僅為銅材的約1/4，考慮同等電氣性能下，鋁材質(zhì)量?jī)H為銅材的1/2。

即若采用純鋁電纜，其鋁導(dǎo)體價(jià)格僅為銅導(dǎo)體價(jià)格的1/8，價(jià)格相差巨大。當(dāng)然，電纜的價(jià)格并不僅由導(dǎo)體的價(jià)格決定，其絕緣層、保護(hù)層、加工運(yùn)輸費(fèi)及公司生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的各種成本都對(duì)電纜的價(jià)格有影響。但金屬作為電纜中最重要的組成部分，是影響電纜價(jià)格的關(guān)鍵因素。

當(dāng)前鋁合金電纜的價(jià)格比銅電纜的價(jià)格低約10%～20%，隨著鋁合金電纜的推廣，競(jìng)爭(zhēng)的引進(jìn)，鋁合金電纜的價(jià)格優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯。

2.2.4 安裝、運(yùn)輸成本低，工期短

與銅電纜相比，鋁合金電纜的質(zhì)量?jī)H為其1/2，在電纜運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)、電纜敷設(shè)時(shí)十分方便，大大減少了對(duì)工作人員的數(shù)量和配合難度的要求，從而也縮短了不少工期。隨著人力成本的不斷提高以及工程項(xiàng)目對(duì)工期的要求越來(lái)越緊，鋁合金電纜的出現(xiàn)，正好適應(yīng)了這種需求。

質(zhì)量的大幅減輕，同時(shí)也減少了對(duì)電纜固定支架、橋架等材料的要求，同時(shí)電纜的安裝方式也更為多樣，甚至能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的卡子固定在墻上明敷。

電纜的轉(zhuǎn)彎半徑是電纜敷設(shè)時(shí)特別需要注意的重要參數(shù)，GB 12706中的表3對(duì)電纜的最小轉(zhuǎn)彎半徑做出了規(guī)定，詳見(jiàn)表1。

表1 電纜安裝時(shí)的最小彎曲半徑

合金電纜安裝時(shí)的電纜最小彎曲半徑大于7倍電纜外徑即可，遠(yuǎn)小于表1中的要求，盡管鋁合金電纜截面略大，外徑約為銅電纜的1.2倍左右，安裝仍更為方便。

可見(jiàn)，因?yàn)橘|(zhì)量輕、轉(zhuǎn)彎半徑要求低，鋁合金電纜為安裝、運(yùn)輸和工期控制帶來(lái)了極大的便利。

2.2.5 防盜

因?yàn)殂~價(jià)較高，當(dāng)銅電纜敷設(shè)于戶外時(shí)，極易被盜。戶外電纜被盜時(shí)，不僅造成了電纜材料的損失，意外的停電會(huì)造成更大的間接損失，該問(wèn)題一直困擾著電力相關(guān)部門(mén)。

鋁合金電纜中的鋁導(dǎo)體回收價(jià)值較低，僅能按一般鋁材進(jìn)行回收。如2.2.3分析，其價(jià)格僅為銅導(dǎo)體的1/8，因此其被盜的風(fēng)險(xiǎn)極低，能有效解決銅電纜被盜的問(wèn)題，減少銅電纜頻繁被盜帶來(lái)的損失。

2.3 鋁合金電纜的缺點(diǎn)

2.3.1 載流量小

鋁是最常用來(lái)制作合金的金屬，通過(guò)添加部分微量元素，鋁的性能會(huì)得到極大的改善，原來(lái)柔軟的鋁經(jīng)過(guò)加工，甚至可以應(yīng)用于航空、汽車(chē)等對(duì)機(jī)械性能要求極高的領(lǐng)域。雖然機(jī)械性能得到提高，但在鋁中加入其它多種合金元素后，導(dǎo)電性能會(huì)下降。盡管通過(guò)工藝控制，可以使導(dǎo)電率恢復(fù)到接近純鋁的水平，但仍無(wú)法超過(guò)純鋁。

因載流量偏小，在選擇電纜時(shí)就必須增大導(dǎo)體截面，甚至增加電纜根數(shù)。例如1×400的銅電纜，可能就要采用1×630（或2×185）的鋁合金電纜來(lái)代替。電纜截面的增大及根數(shù)的增加，在柜、盤(pán)內(nèi)等連接擁擠的地方就有可能帶來(lái)安裝的不便。此外，連接頭的增多，也會(huì)增大發(fā)生事故的概率。

2.3.2 體積較大

盡管可通過(guò)一些工業(yè)的嚴(yán)格控制，來(lái)提高壓緊系數(shù)，以減少鋁合金電纜截面的增加量，但鋁合金電纜的外徑基本仍是要大于銅電纜的1.2倍。鋁合金電纜的尺寸較大，保護(hù)管的外徑需相應(yīng)增大，電纜溝、電纜隧道、電纜豎井等電纜通道在設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮更大的尺寸。在一些空間較為緊張的區(qū)域，會(huì)帶來(lái)布置上的麻煩。

2.3.3 耐高溫能力弱

鋁的熔融溫度為600℃，而銅可達(dá)到1 080℃。在高溫環(huán)境中使用的耐火電纜要求具有在經(jīng)受750～1 000℃作用下維持通電的功能。因此，在高溫環(huán)境及耐火電纜的選擇中，不應(yīng)使用鋁合金電纜。

3 鋁合金電纜的市場(chǎng)前景

多種規(guī)格的鋁芯電纜定型產(chǎn)品在我國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)多年，但是其市場(chǎng)反應(yīng)一直較為冷淡。制造行業(yè)也未曾對(duì)鋁芯電纜產(chǎn)品加大技術(shù)投入，宣傳力度也不夠。但隨著銅價(jià)的迅猛上漲，銅與鋁的比價(jià)越來(lái)越大，2001年時(shí)，銅與鋁的價(jià)格相當(dāng)，而到2013年，銅價(jià)格幾乎為鋁的4倍，而且還有繼續(xù)拉大的趨勢(shì)。近年來(lái)，鋁質(zhì)電纜受到越來(lái)越多的關(guān)注。

鋁合金電纜在純鋁電纜的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的加工工藝，性能得到了極大的改良，在北美也已經(jīng)有30年以上成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且廣受好評(píng)。2007年，鋁合金電纜引人中國(guó)，也逐漸地打開(kāi)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。目前鋁合金電纜的推廣，主要有兩個(gè)方面的阻礙，一是人們對(duì)鋁芯電纜性能低劣的根深蒂固的觀念，包括在電力行業(yè)一線工作的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)運(yùn)行等專家；二是目前鋁合金電纜多為進(jìn)口合資品牌，價(jià)格較高，如何能引人競(jìng)爭(zhēng)，并扶持國(guó)內(nèi)企業(yè)掌握核心工藝，生產(chǎn)出高標(biāo)準(zhǔn)的電纜，以降低產(chǎn)品價(jià)格，推動(dòng)鋁合金電纜行業(yè)的發(fā)展。

要改變?nèi)藗儗?duì)鋁芯電纜的固有想法，需要電力行業(yè)中各個(gè)領(lǐng)域的專家們對(duì)鋁合金電纜以客觀的態(tài)度做出評(píng)價(jià)，并適時(shí)地更新相關(guān)規(guī)范，以指導(dǎo)人們對(duì)鋁合金電纜的選用。例如，目前GB 50217—2007［電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范］中尚無(wú)關(guān)于鋁合金電纜的規(guī)定，設(shè)計(jì)人員在選用電纜時(shí)，沒(méi)有可用的依據(jù)，又不能將鋁電纜的標(biāo)準(zhǔn)用于鋁合金電纜，出于謹(jǐn)慎考慮，基本不考慮鋁合金電纜的使用，這就阻礙了鋁合金電纜的推廣。此外，若想降低鋁合金電纜的價(jià)格，需引入國(guó)外優(yōu)秀的電纜企業(yè)，同時(shí)在政策上扶持國(guó)內(nèi)電纜制造企業(yè)，學(xué)習(xí)先進(jìn)的制造技術(shù)，帶動(dòng)市場(chǎng)的良性競(jìng)爭(zhēng)，降低鋁合金電纜的市場(chǎng)價(jià)格。

我國(guó)是世界上最大的銅消費(fèi)國(guó)，國(guó)內(nèi)銅資源稀缺，大量依賴進(jìn)口。在這種背景下，推廣使用鋁合金電纜有其特殊的戰(zhàn)略意義。對(duì)于電纜制造廠自身來(lái)說(shuō)，亦有大量的工作需要完成。由于鋁合金載流量低、外徑大、熔點(diǎn)低、種類(lèi)少等缺點(diǎn)，無(wú)法完全取代銅電纜的市場(chǎng)位置，如：消防電纜目前仍不允許使用鋁合金電纜，國(guó)內(nèi)無(wú)法量產(chǎn)10kV鋁合金電纜，鋁合金電纜種類(lèi)相對(duì)較少等。電纜制造廠應(yīng)在加工工藝及電纜性能的提高方面加大研發(fā)投入，同時(shí)提供更多種類(lèi)的鋁合金電纜產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的需求，擴(kuò)大鋁芯電纜的應(yīng)用范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的鋁芯電纜，因其易蠕變、易斷裂、連接可靠性低等固有特點(diǎn)，在電力工程的應(yīng)用中非常少，僅應(yīng)用在對(duì)安全可靠性要求較低且對(duì)成本要求較高的場(chǎng)所。鋁合金電纜是一種改良型產(chǎn)品，采用的是AA8000系列的合金，與鋁相比，在抗蠕變、壓緊性、屈服強(qiáng)度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高，且鋁合金電纜較輕，能降低安裝運(yùn)輸成本、壓縮工期，可廣泛應(yīng)用于電力工程中。但由于其載流量小，體積大，不耐高溫、種類(lèi)較少等缺點(diǎn)，無(wú)法完全取代銅芯電纜在電力行業(yè)中的應(yīng)用。從資源節(jié)約、可持續(xù)發(fā)展及國(guó)家戰(zhàn)略意義上看，我國(guó)銅消費(fèi)量巨大，且銅資源短缺，大量依靠進(jìn)口，采用資源豐富的鋁合金電纜逐步代替銅芯電纜是一種趨勢(shì)。

鋁合金電纜是一個(gè)歷史不長(zhǎng)的朝陽(yáng)行業(yè)，在國(guó)外已有30多年的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，2007年才進(jìn)入我國(guó)。鋁合金電纜是否能消除人們長(zhǎng)期以來(lái)的固有印象，在電力項(xiàng)目中是否能得到推廣，有賴于電力行業(yè)中各個(gè)領(lǐng)域及相關(guān)部門(mén)的專家對(duì)鋁合金電纜的客觀評(píng)價(jià)，并適時(shí)地根據(jù)其特點(diǎn)制定相關(guān)規(guī)范以引導(dǎo)其在電力行業(yè)中的應(yīng)用。電纜制造廠也應(yīng)提升自身工藝水平及產(chǎn)品性能，豐富鋁合金電纜種類(lèi)，以擴(kuò)大鋁合金電纜適用范圍，以增加其在電力行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

綜上所述，目前我國(guó)電力行業(yè)鋁金屬使用比例遠(yuǎn)低于國(guó)外平均水平，發(fā)展空間十分巨大，性能優(yōu)異的鋁合金電纜必將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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