鋁合金電力電纜在公路工程配電設(shè)計中的應(yīng)用

王秀英, 劉勇健

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,成都 610041)

0 引言

電線電纜在我國的基礎(chǔ)建設(shè)中起著很重要的鏈接作用,電力電纜用于傳輸和分配電能,在公路工程配電設(shè)計中常用于照明、通風、消防、監(jiān)控、收費、通信等供電線路。

在國內(nèi),公路機電設(shè)計行業(yè)絕大部分采用銅芯電纜,通過多年實踐證明銅芯電纜導(dǎo)電性好、載流量大、耐腐蝕性好、機械抗拉強度高。

銅是地球上一種不可再生自然資源之一,銅在地殼中的含量約為0.01%,主要分布在北美、拉丁美洲和中非地區(qū),我國銅儲量約占全球的4.28%。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展,銅的需求將保持增長,我國是主要的銅消費國,也是主要的銅進口國。 我國鋁土礦資源分布比較豐富,是主要的鋁出口國。

公路工程電纜沿公路全線分散分區(qū)段設(shè)置,特別是邊遠山區(qū),易于偷盜,會造成很大經(jīng)濟損失,同時由于機電設(shè)備失電,可能造成交通安全隱患。 鋁合金電纜中鋁的質(zhì)量分子數(shù)大于95%,是以鐵和稀土等為主要合金元素,通過特殊工藝處理的電纜。若在工程中采用鋁合金電纜,偷盜可能性大大降低。 積極探索鋁合金電纜在公路工程配電設(shè)計中的應(yīng)用,是推進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整,建設(shè)"資源節(jié)約型、環(huán)境友好型"社會應(yīng)盡的責任與義務(wù)。

1 相關(guān)規(guī)范的規(guī)定

公路工程電氣設(shè)計中執(zhí)行建筑電氣設(shè)計和國標中相關(guān)規(guī)定:依據(jù)JGJ 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范中第7.4.1 條相關(guān)規(guī)定,導(dǎo)體的選擇原則,可選用銅芯或鋁芯電纜和電線;民用建筑線纜宜采用銅芯電纜或電線,但在易燃、易爆場所和特別潮濕等場所應(yīng)選用銅芯電纜或電線。 該條款未限制鋁合金電線電纜的使用,條款中的宜的定義是表示允許稍微有選擇,在條件允許時首先應(yīng)這樣理解。

依據(jù)GB 50096-2011 住宅設(shè)計規(guī)范中的8.7.2條第2 款規(guī)定住宅進戶線和戶內(nèi)分支回路電纜的選擇。 線纜敷設(shè)應(yīng)符合防火和安全相關(guān)要求,導(dǎo)線材質(zhì)應(yīng)采用銅芯線纜,進戶線纜的截面應(yīng)＞10mm2,分支線纜截面應(yīng)＞2.5mm2。 從用電需求發(fā)展、線纜機械強度等角度明確規(guī)定每套住宅線纜芯線材質(zhì)和截面要求。

依據(jù)JGJ 242-2011 住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范中的第6.4.2 條, 在電氣豎井內(nèi)敷設(shè)作為主干供電的封閉母線和線纜,可選用銅、鋁或合金材質(zhì)的導(dǎo)體。該規(guī)范說明鋁合金電纜在住宅電氣設(shè)計中主要作為干線供電電纜使用。

依據(jù)GB 50217-2018 電力工程電纜設(shè)計標準中的第3.1.1 條,在振動場所、有爆炸危險場所和耐火電纜應(yīng)采用用銅導(dǎo)體電力電纜;在第3.1.2 條規(guī)定,除第3.1.1 條明確規(guī)定應(yīng)選用銅導(dǎo)體外,其余電纜可選用銅、鋁或鋁合金導(dǎo)體。 鋁合金不宜作為作為電壓等級1kV 以上導(dǎo)體材質(zhì)。

依據(jù)GB 50016-2014(2018 版) 建筑設(shè)計防火規(guī)范中第10.1.10 條,要求線纜敷設(shè)路由應(yīng)滿足消防配電火災(zāi)連續(xù)供電的需求,且此條為強條。 消防配電線路和其他配電線路敷設(shè)路徑宜分開敷設(shè),布設(shè)在不同的電纜井和電纜溝,若確有困難時,應(yīng)分別布置在電纜井、電纜溝的兩側(cè),且消防配電回路應(yīng)采用礦物絕緣類不燃性電纜。 公路隧道內(nèi)電纜敷設(shè)路徑一般在電纜溝和隧道壁上安裝橋架或線槽,要將消防配電和其他回路電纜路徑完全分開,有一定難度時,在選擇同路徑電纜時宜選用同材質(zhì)導(dǎo)體線纜。

2 鋁合金電纜特點

鋁合金導(dǎo)體的機械性能和耐腐蝕性能較差,一般在電工鋁中加入鐵、硼、鎂、硅、鋅、錳等合金元素,同時通過特殊工藝調(diào)整處理,提高鋁合金性能,彌補純鋁導(dǎo)體電纜的不足。

銅的電極電勢0.342V,鋁的電極電勢為-1.662V,二者的電位差是1.662+0.342=2.004V。 鋁、銅導(dǎo)體直接連接時,這兩種金屬接觸表面在空氣中的水等其他雜質(zhì)作用下,極易形成電解液,由于二者存在電位差,鋁會逐漸被氧化腐蝕,銅得到還原,在鋁線表面生成氧化物,造成銅、鋁連接處的接觸電阻增大,接頭容易發(fā)熱,有電氣火災(zāi)安全隱患。

銅和鋁熱在20℃時膨脹系數(shù)系數(shù)分別為17.5(1E-6 /K)和23.2(1E-6 /K)。 導(dǎo)體溫度將隨環(huán)境溫度溫度變化而變化,外部電源電壓中部穩(wěn)定將影響電流變化,電流的大小影響導(dǎo)體溫度,在外部環(huán)境和電源質(zhì)量綜合影響下,銅鋁導(dǎo)體作不同收縮和擴張,由于二者膨脹系數(shù)不同,將造成二者接觸不良,接頭處會發(fā)熱,導(dǎo)體發(fā)熱將導(dǎo)致電阻增加,加劇接頭發(fā)熱,形成惡性循環(huán)。 電纜發(fā)熱導(dǎo)致電纜絕緣加速老化,引發(fā)電氣火災(zāi)。

電纜中間接頭如果是與相同的電纜連接,與普通電纜一樣,選擇普通電纜接頭就可以;如在配電柜內(nèi),不允許將鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體直接相連。 銅、鋁導(dǎo)體連接須采用銅鋁專用過渡端子。

20℃時,銅線纜直流電阻率1.72 × 10 - 8 (Ω·m),電工鋁直流電阻率2.82 (Ω·m),鋁合金電阻率略大于鋁。 同截面鋁合金芯電纜載流量為銅芯電纜的0.61。

銅的熔點為1 083℃,鋁的熔點是660℃,一般情況下合金的熔點比純金屬的熔點應(yīng)該低些,在GA 306.2-2007 阻燃及耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級和要求 第2 部分:耐火電纜中規(guī)定,一般耐火電纜供火溫度為750 ～800℃,A 級耐火電纜供火溫度為750 ～800℃,鋁合金無耐火電纜。 火災(zāi)起火點溫度800～900℃,在消防等重要場合,明文規(guī)定應(yīng)采用耐火電纜,

鋁合金電纜由于自身重量較輕,較易施工,可減少施工人員,節(jié)省安裝費用;柔韌性較好,電纜設(shè)施轉(zhuǎn)彎半徑較銅小,方便在井內(nèi)盤曲;由于相當銅材料低廉,回收價較低,不易于被偷盜。

但鋁合金電纜在與銅芯電纜相同載流量下,其外徑較大,預(yù)埋孔和橋架尺寸均需要加大,工程費用有所加大。 它需要專用鋁合金端子頭,而且壓接端子頭工具較昂貴,并由廠家專門配套,維護時間較長。 且只有阻燃級,沒有耐火級電纜。 由于機械強度問題,導(dǎo)體截面10mm2以下時不應(yīng)選用鋁合金電纜。

3 公路工程配電設(shè)計電纜類型分析

公路工程路段照明系統(tǒng)、隧道機電系統(tǒng)等場所的配電均使用大量電力電纜。 電纜在機電造價比例較高,在合適場所探討采用鋁合金電力電纜合影節(jié)省投資。

由于鋁合金電纜沒有耐火級電纜,涉及消防設(shè)施,供電等級要求交高的場合,不適合選用。 根據(jù)機械強度問題,供電照明、插座和設(shè)備末端分支電纜應(yīng)選用銅芯電纜。 相同載流量下,鋁合金電纜截面更大,電纜敷設(shè)場地狹窄受限時,不宜選用。

路段照明敷設(shè)在室外,導(dǎo)體截面一般為25 mm2等截面或非等截面。 燈具布置間距一般為30 ～40m,接頭數(shù)量較少,可采用鋁合金電力電纜供電。

根據(jù)隧道規(guī)模和交通量設(shè)置通風設(shè)施。 風機當風機功率為22kW,風機根據(jù)載流量選擇的電纜截面為三芯10mm2銅芯電纜;一般采用放射式供電方式時,無分支電纜。 射流風機按照隧道內(nèi)舒適設(shè)置的運營工況送風機時,其供電電纜可以采用鋁合金電力電纜。 但隧道內(nèi)通風機一般兼做營運工況和火災(zāi)工況風機,很難將二者區(qū)分,要求在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,保證射流風機應(yīng)能正?？煽窟\轉(zhuǎn)1h。在選擇通風供電電纜時,根據(jù)通風工況形式選擇合適的電纜。

對于隧道內(nèi)樹干式配電的加強照明,隧道入口燈具數(shù)量與行車速度相關(guān),當車速達到120km/h時,入口段長度約350m,燈具數(shù)量約800 盞,根據(jù)情況分4～8 個回路供電,每盞燈分支電纜一般用3×2.5mm2銅芯電纜,由于鋁合金與銅芯接頭數(shù)量多,對施工要求高,且隧道內(nèi)基本照明和應(yīng)急照明負荷供電等級為一級,且主干電纜截面較小,故不建議隧道內(nèi)主干采用鋁合金電纜。 在低等級公路上的加強照明,隧道入口段亮度低,燈具數(shù)量較少,加強照明長度短,一般低等級公路全線不封閉,存在電纜偷盜嚴重的現(xiàn)象,建議嘗試用鋁合金電纜作主干供電電纜。

筆者根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗,推薦以下情況,可以采用鋁合金電力電纜。

(1)射流風機為排煙風機時,應(yīng)用有限。

(2)若隧道內(nèi)照明采用從洞外變電所供電方式時,從變電所至隧道洞口變電所至隧道內(nèi)配電箱加強照明主干電力電纜。 從隧道內(nèi)配電箱至燈具,行車速度較低時,敷設(shè)于隧道內(nèi)這部分干線根據(jù)實際情況可考慮采用鋁合金電力電纜。

(3)引道路燈和道路照明電力電纜,選用鋁合金電力電纜時,可以節(jié)省投資;同時比選用銅芯電力電纜截面大,且更能滿足開關(guān)靈敏度要求。

(4)電纜截面＞10mm2的外場監(jiān)控設(shè)施。

4 鋁合金電纜設(shè)計選型、施工和驗收

4.1 設(shè)計選型

電纜選擇包括絕緣材料和護套選擇,應(yīng)考慮氣候的適應(yīng)性和使用場所。 在高海拔地區(qū)的環(huán)境溫度＜-15℃時,不應(yīng)選用普通聚氯乙烯絕緣電纜;在公路隧道選用低煙、低鹵或無鹵阻燃電纜;在潮濕或易受水浸泡的電纜,其金屬層、鎧裝上應(yīng)有聚乙烯護套層;在有鼠患嚴重的場所,應(yīng)選用金屬包帶或鋼帶鎧裝電纜。 直埋電纜應(yīng)采用帶護套的聯(lián)鎖鎧裝電纜。

電纜導(dǎo)體截面選擇應(yīng)滿足載流量大小,按照電壓降、機械強度效驗截面。 用電設(shè)備若UPS、直流電流源、LED 燈、氣體放電燈等均含有不同程度的諧波,在選擇導(dǎo)體截面時,計入諧波電流的影響。 當導(dǎo)線截面＞10mm2時,根據(jù)負荷電流選擇的電纜截面,一般能滿足導(dǎo)體熱穩(wěn)定、機械強度要求,只需要再驗算電壓降。

電纜導(dǎo)體截面的選擇還需要考慮保護等相關(guān)要求。 對于公路隧道機電供電電纜和道路照明電纜,截面不大,但電纜長度達數(shù)百米,特別注意驗算電纜能否滿足接地故障。

鋁合金電纜選型應(yīng)滿足文獻[6]中相關(guān)參數(shù),并按照文獻[7]中相關(guān)圖集進行設(shè)計。

4.2 鋁合金電纜施工

電纜的壓接工具、壓接工序及附件應(yīng)符合相關(guān)標準要求,并確保電纜終端與保護設(shè)備或用電設(shè)備連接處匹配。

電力電纜的在低溫下安裝時,在低溫下施工時,電纜容易變脆,導(dǎo)致?lián)p壞無法安裝,要求電纜應(yīng)將電纜放置室內(nèi),放置時間應(yīng)＞24h;電纜安裝時的環(huán)境溫度≥15℃。

電纜進線終端、中間接頭或分支接頭連接時,應(yīng)對導(dǎo)體進線清潔,然后涂敷抗氧化油脂。

鋁合金電纜中間接頭、終端、分子接頭、分子接線箱及接地配件宜由電纜生產(chǎn)廠家提供配套產(chǎn)品,并符合國家標準要求。

鋁合金電纜分支,可以采用絕緣穿刺線夾、T 接線箱、分支端子。 鋁合金電纜需要專用鋁合金端子頭,并由廠家專門配套。

銅鋁過渡端子有CAU 型、DTL 型、針形。 針形銅鋁過渡端子適用于鋁合金電纜與微型斷路器連接。 若端子寬度與斷路器接頭不匹配,應(yīng)使用轉(zhuǎn)接銅排連接。 端子與銅排連接時,螺栓的擰緊力矩應(yīng)符合表“螺栓擰緊力矩”。

在相同載流量下,鋁合金電纜外徑較大,預(yù)埋孔和橋架尺寸均需要加大,改造項目時,需要實地考察。

4.3 鋁合金電纜驗收

查驗廠家的鋁合金電纜導(dǎo)體與鋁合金銅連接端子的鋁合金材料一致性檢查報告和導(dǎo)體鋁合金材料的100h 抗壓蠕變試驗報告,確保廠家能生產(chǎn)合格的鋁合金電纜。

鋁合金電纜與端子應(yīng)通過文獻[8]中1000 次熱循環(huán)試驗,考核端子連接是否可靠。

全負荷運行時,應(yīng)檢查接頭部位的外護套溫度,其溫度不得高于電纜本體溫度。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)鋁合金電纜質(zhì)量參差不齊,故國家發(fā)布GB/T 31840-2015《額定電壓1kV (Um=1.2kV)到35kV (Um=40.5kV)鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》規(guī)范,規(guī)定了材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和試驗要求;國家能源局NB/T 42051-2015《額定電壓0.6/1kV 鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》規(guī)定了結(jié)構(gòu)、材料和試驗要求。 鋁合金電纜的大力推廣,電纜連接技術(shù)是關(guān)鍵,需提高鋁合金電纜施工工藝水平。 隨著國際和行業(yè)規(guī)范逐步出臺,鋁合金電纜行業(yè)進一步規(guī)范化,其發(fā)展前景空間還很大。