淺析鋁合金電纜在電力工程中的應(yīng)用

陳進(jìn)

【摘要】通過對鋁合金電纜的性能介紹并與傳統(tǒng)的銅電纜進(jìn)行對比，結(jié)合目前電力工程中電纜應(yīng)用現(xiàn)狀以及國家提倡節(jié)能環(huán)保的要求，在電力工程建設(shè)中推廣以鋁帶銅，即采用新型的鋁合金電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅電纜。

【關(guān)鍵詞】鋁合金電纜；性能；節(jié)能環(huán)保；電力工程；可行性；性價比

1.引言

在國內(nèi)，銅芯電纜是最為人們所熟知的，其強(qiáng)度高、載流量大、安全性好的特點，勿容置疑。然而，銅資源屬于重要且稀缺的戰(zhàn)略資源，隨著近幾年市場供求變化，銅價一路飆升，再加上銅纜施工安裝難度大、安裝成本高、易盜、易老化等缺點，人們對于替換銅纜的呼聲也日漸高漲。其實在上世紀(jì)50-70年代，我國曾在工業(yè)與民用電氣方面出臺國策“以鋁代銅”，用以降低銅材消耗。但到80年代中期，純鋁材制的電纜在使用中暴露出很多問題，尤其是導(dǎo)線接頭易氧化從而引發(fā)火災(zāi)事故，致使純鋁電纜應(yīng)用范圍相對狹小。

為實現(xiàn)“以鋁代銅”，早在1968年，美國南方電纜公司就已經(jīng)開始研制生產(chǎn)鋁合金電力電纜，并在美國、加拿大、墨西哥等國家開始推廣應(yīng)用。隨著美國成功應(yīng)用鋁合金電纜40余年，近些年來國內(nèi)的很多電纜生產(chǎn)廠家也紛紛加入到研發(fā)鋁合金材質(zhì)電纜的潮流中來。

目前，鋁合金電纜已不是新鮮事務(wù)，其性能、價格上的優(yōu)勢也已經(jīng)過了權(quán)威檢測考驗。盡管統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，銅電纜依然占據(jù)了超過90%的市場份額，但鋁合金電纜正逐漸被廣大用戶所接受，業(yè)內(nèi)分析人士指出，“以鋁代銅”將成為電纜行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢。

2.鋁合金電纜性能

通過綜合調(diào)研國內(nèi)幾家大型的鋁合金電纜生產(chǎn)廠，發(fā)現(xiàn)鋁合金電纜并不單純是將導(dǎo)體由以往采用的鋁或銅材質(zhì)變?yōu)殇X合金材質(zhì)。目前生產(chǎn)的鋁合金電纜在絕緣、護(hù)套、鎧裝等的設(shè)計和選材方面也與傳統(tǒng)電纜有較大區(qū)別，使這種新型電纜性能更加安全可靠。

2.1鋁合金電纜的電氣性能

電氣性能是衡量電纜的重要性能之一，主要是由導(dǎo)體的導(dǎo)電能力來體現(xiàn)，而導(dǎo)電能力則主要是由導(dǎo)體電阻率決定的。經(jīng)查閱相關(guān)資料，銅的電阻率為0.017Ω·mm2/m，鋁為0.028Ω·mm2/m，鋁合金為0.027Ω·mm2/m，即鋁合金的電阻率介于鋁與銅之間，略高于鋁，而低于銅。

在相同載流量下，如果按銅的電導(dǎo)率是100%計算，鋁合金導(dǎo)體的電導(dǎo)率約為62.9%。另外，鋁合金的比重為2.7，銅的比重為8.9，則（8.9/2.7）×（0.629/1）=2，即2kg銅的電阻與1kg鋁合金的電阻相當(dāng)，而當(dāng)鋁合金導(dǎo)體的截面積約為銅的1.5倍時，其電氣性能相同，即實現(xiàn)了與銅相同的載流量、電阻和電壓損失。

2.2鋁合金電纜的機(jī)械性能

電纜的機(jī)械性能首先取決于導(dǎo)體材料的性能，伸長率是導(dǎo)體機(jī)械性能的重要指標(biāo)，是關(guān)系到電纜能夠承受外力大小的重要標(biāo)志。通過查閱銅、鋁、鋁合金三種金屬的力學(xué)特性可知：銅的伸長率為30～45%、硬態(tài)鋁為0.5～2.0%、軟態(tài)鋁為23～25%、鋁合金為30%；銅的屈服強(qiáng)度為60～80Mpa、硬態(tài)鋁為120～170Mpa、軟態(tài)鋁為20～30Mpa、鋁合金為30Mpa。

硬態(tài)純鋁的伸長性很低，表現(xiàn)在電纜應(yīng)用上就是柔韌性很差，在反復(fù)彎折時容易損傷或折斷。軟態(tài)純鋁的伸長率雖比硬態(tài)純鋁大幅提高，但是其屈服強(qiáng)度只有銅的一半，抗蠕變性很差，安裝一段時間后，連接處容易松弛，造成接觸電阻增大，形成線路安全運(yùn)行隱患。而鋁合金通過退火處理，克服了純鋁的機(jī)械性能問題，其延伸率能夠達(dá)到30%，與銅基本接近。

另外，鋁合金電纜具有較低的反彈性。在室溫條件下，將銅芯電纜與鋁合金電纜彎曲90度，在應(yīng)力釋放后，鋁合金電纜反彈角度僅為銅纜的60%。因此，能夠有效的保證端子連接處的緊密程度，解決了鋁芯電纜端子連接處連接不牢的難題，提高了電纜接線的穩(wěn)定性和安全性。

2.3鋁合金電纜的抗蠕變性能

鋁合金的特殊合金配方和熱處理工藝，大大減少了金屬在受熱和壓力下的“蠕變”傾向，用其所做的電氣連接與用銅導(dǎo)體做的具有同樣的穩(wěn)定性。鋁合金導(dǎo)體的合金成分大大改進(jìn)了其連接性能，尤其是當(dāng)導(dǎo)體退火時添加的鐵合金產(chǎn)生了高強(qiáng)度抗蠕變性能，在電流過載時，鐵發(fā)揮作用，而不會使鋁合金導(dǎo)體發(fā)生蠕變，從而能夠保障電纜端子連接處的穩(wěn)定可靠。

2.4鋁合金電纜的防腐性能

鋁合金具有較強(qiáng)的防腐性，能夠提高電纜的壽命。鋁特有的防腐性能來自鋁表面與空氣接觸自然形成的氧化層，這種氧化層能耐受多種腐蝕。鋁合金材料經(jīng)過特殊合金材料處理后，保持了鋁材抗腐蝕的特點，而且合金成分能夠起到凈化、提高純度、填補(bǔ)表層缺陷、細(xì)化晶粒、減少偏析的作用，消除顯微不均而導(dǎo)致的局部腐蝕，同時也帶來鋁的電極電位負(fù)移，具有了陽極效應(yīng)和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，從而大大提高了導(dǎo)體的耐蝕性能。

2.5鋁合金電纜的節(jié)能環(huán)保性能

鋁合金的回收率很高，再生鋁的綜合能耗只是電解鋁的5%，而再生銅的綜合能耗則是冶煉銅的18%。另有研究數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)相同載流量和長度的鋁合金電纜比生產(chǎn)銅纜消耗的能源更少，CO2排放更少。相同載流量下，鋁合金電纜的重量只是銅纜的一半，在運(yùn)輸、安裝過程中也會減少CO2的排放。

3.鋁合金電纜在電力工程中應(yīng)用的可行性分析

3.1電力行業(yè)中電纜的應(yīng)用現(xiàn)狀

電力行業(yè)是國家的重要行業(yè)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)以及對用戶的管理均以“安全第一”為目的，因此電力行業(yè)對于設(shè)備、材料的要求極為嚴(yán)格。目前，無論變電站、電廠以及其他電力設(shè)施在進(jìn)行電纜選型設(shè)計時一般均采用銅芯電纜，除非建設(shè)單位對造價有嚴(yán)格的控制的情況時，設(shè)計院會根據(jù)客戶的要求在某些附屬設(shè)施中適當(dāng)選用鋁芯電纜。

但在工程建設(shè)施工時，銅芯電纜存在運(yùn)輸成本高、敷設(shè)難度大，接線困難等問題。而且由于銅具有較高的回收價值，有人會試圖盜取在現(xiàn)場存放甚至已敷設(shè)完成的電纜，給工程施工造成了極壞的影響，也給建設(shè)單位及施工單位帶來煩惱。另外，有些電纜廠為謀私利，在電纜線徑、長度方面做文章欺騙用戶，出現(xiàn)銅芯電纜線徑虧方、長度跳米等情況，如不能及時發(fā)現(xiàn)將影響工程的整體的安全質(zhì)量。

3.2鋁合金電纜在電力工程中推廣的困難

目前，在很多行業(yè)中廣泛應(yīng)用的鋁合金電纜為何在電力行業(yè)中非常罕見，說明其在電力行業(yè)中的推廣還是存在一些阻礙，主要表現(xiàn)有以下幾點：

a）電力行業(yè)從事一線工作的設(shè)計、施工、生產(chǎn)運(yùn)行的專家對傳統(tǒng)鋁芯電纜性能低劣的觀念根深蒂固，鋁合金電纜由于問世時間較短，人們對其性能的認(rèn)識不深，難免會與傳統(tǒng)鋁電纜關(guān)聯(lián)在一起。這種傳統(tǒng)觀念使人們在電纜選型時往往忽略鋁合金電纜的存在，必然會制約其推廣應(yīng)用。

b）鋁合金電纜作為新興事物，其加工制造并沒有制定統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，而且國家目前的很多標(biāo)準(zhǔn)中明確禁止鋁電纜的使用，作為對設(shè)備材料有嚴(yán)格要求的電力行業(yè)自然不會輕易冒險嘗試。而由于沒有國標(biāo)的要求，目前國內(nèi)的鋁合金電纜制造廠家大多般只根據(jù)GB/T 12706-2008《額定電壓1kV到35kV擠包絕緣電力電纜及附件》的要求進(jìn)行生產(chǎn)，但該標(biāo)準(zhǔn)中缺少對鋁合金導(dǎo)體特殊性能進(jìn)行考核的相關(guān)內(nèi)容，因此對生產(chǎn)制造、檢測和應(yīng)用都造成了一些不便。

c）電力行業(yè)尤其是電廠中有許多需連續(xù)供電的設(shè)備，而鋁合金電纜受其導(dǎo)體材料熔點低的影響，不能耐受較高的溫度，不能保障連續(xù)供電設(shè)備的運(yùn)行安全。

3.3鋁合金電纜在電力工程中的應(yīng)用分析

a）應(yīng)用范圍方面

鋁合金電纜從其整體性能來看應(yīng)主要作為電力電纜來使用，不宜用做控制電纜，而且根據(jù)鋁合金的特性，鋁合金電纜不能作為重要的不停電設(shè)備的供電電源。因此，鋁合金電纜在電力工程中的應(yīng)用范圍可為除不停電設(shè)備電源電纜外的所有電力電纜，即代替電力工程中傳統(tǒng)使用的阻燃電力電纜。

b）性價比方面

作為阻燃電力電纜使用，從性能角度鋁合金電纜與銅芯電纜并沒有太大差別，其缺點主要是由于鋁合金導(dǎo)電率低，要保證相同的載流量，鋁合金電纜的線徑要比銅芯電纜大，相應(yīng)的電纜設(shè)施空間要增大。但目前銅材價格暴漲，銅芯電纜的價格非常高。經(jīng)市場調(diào)查，相同性能的鋁合金電纜的價格比銅芯電纜低20%以上。因此，鋁合金電纜的性價比還是要高于銅芯電纜。

c）施工安裝方面

鋁合金電纜在施工安裝方面的優(yōu)勢比較明顯。由于其重量僅為銅芯電纜的一半，對于電纜的運(yùn)輸、敷設(shè)來說將減少很大的工作量，并且降低了施工難度、減少了人力物力消耗。同時，電纜重量輕則可以減小電纜支架及橋架的負(fù)荷，這樣可以在電纜橋架及支架的設(shè)計選型上也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。另外，鋁合金電纜的柔韌性也比銅芯電纜強(qiáng)，這也可以降低電纜在敷設(shè)和接線時的施工難度。

在工程建設(shè)階段，使用鋁合金電纜還可以大大降低電纜丟失風(fēng)險，減少電纜設(shè)施看護(hù)所耗費(fèi)的人工以及施工過程中的一些不必要的損耗。

d）其他方面

“以鋁帶銅”將大大減少國家對銅材的消耗，是國家綠色節(jié)能措施的體現(xiàn)，適應(yīng)了國家政策。對于電纜生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)鋁合金電纜也會減少加工制造時偷工減料的情況，能夠更好的保證電纜質(zhì)量以及電纜安裝后的運(yùn)行安全。

4.結(jié)束語

鋁合金電纜與純鋁電纜相比性能有大幅度提高，已經(jīng)接近銅芯電纜水平。國外對鋁合金電纜的成功應(yīng)用已證明了鋁合金電纜的性能在覺大多數(shù)情況下都能夠完全滿足電力供應(yīng)需要。盡管電力工程中對于材料有嚴(yán)格的要求，但針對可以使用鋁合金電纜代替的供電線路，還是應(yīng)該大力推廣鋁合金電纜的使用。

鋁合金電纜的應(yīng)用將會節(jié)省大量的銅資源消耗，減少了國家對國外銅資源的依賴。同時，鋁合金電纜優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保節(jié)能的特點也是銅導(dǎo)體電纜所不具備的，鋁合金電纜必將成為將來電纜行業(yè)發(fā)展的新方向。在此，也建議國家相關(guān)部門盡早針對鋁合金電纜的加工制造出臺相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，使鋁合金電纜的生產(chǎn)制造更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，也將更利于鋁合金電纜的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王祝堂等.鋁合金及其加工手冊（第三版）.

[2]劉牛.導(dǎo)電體應(yīng)用鋁材.

[3]IEC60228-2004.絕緣電纜的導(dǎo)體.

[4]GB3956-2008.電纜的導(dǎo)體.

[5]GB/T 18380.33-2008.電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗.