銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的應(yīng)用探討

張方 王位權(quán) 于笑辰 葛雷 王偉陽(yáng) 劉鳳月

摘?要：本文對(duì)銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量、機(jī)械性能、連接性能、經(jīng)濟(jì)性和可再生性等多方面與銅導(dǎo)體電纜進(jìn)行對(duì)比分析，探討其在工程中應(yīng)用的可行性。通過(guò)研究表明該產(chǎn)品不但各方面性能可靠穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，而且性價(jià)比高。結(jié)合國(guó)家政策對(duì)該產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：銅包鋁合金;有限元分析;載流量;機(jī)械性能;可再生性

中圖分類號(hào)：TM244.1??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前，國(guó)內(nèi)電力輸送的主要載體是銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體。銅導(dǎo)體性能優(yōu)異但是造價(jià)高，鋁導(dǎo)體易氧化形成致密氧化膜，大大增加導(dǎo)體電阻，損耗較大。國(guó)內(nèi)一直在積極探索合適的電纜導(dǎo)體，繼而出現(xiàn)將銅層均勻而同心地包覆在鋁芯線上，并使兩者界面上的銅和鋁原子實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種層狀復(fù)合材料-銅包鋁導(dǎo)線（以下簡(jiǎn)稱CCA），而鋁芯機(jī)械性能較差，適用性有局限[1～3]。目前，鋁合金電纜[4，5]在歐美市場(chǎng)占有率高，若采用銅包鋁合金（以下簡(jiǎn)稱CCAA）可以綜合銅和鋁合金的優(yōu)點(diǎn)，CCAA導(dǎo)體克服了鋁導(dǎo)體強(qiáng)度低、易蠕變和銅芯導(dǎo)體密度大、成本高等缺點(diǎn)，具有可焊性強(qiáng)、易加工、密度小、彎曲半徑小和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。

電纜的載流能力取決于導(dǎo)體的交流電阻、電壓等級(jí)和環(huán)境溫度。銅導(dǎo)體在50Hz交流頻率下的集膚深度約為9mm，大部分的電流都分布在集膚深度范圍內(nèi)。因此，如果在集膚深度內(nèi)的外層導(dǎo)體采用銅導(dǎo)體，在集膚深度以外的內(nèi)層導(dǎo)體采用CCAA形成的新型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以在滿足載流量的前提下，節(jié)約銅材損壞，這樣的組合也是最為經(jīng)濟(jì)合理的。

目前還未有CCAA與銅復(fù)合導(dǎo)體的新型結(jié)構(gòu)電纜（以下簡(jiǎn)稱銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜）相應(yīng)的載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和選型方法。因此，對(duì)于銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量研究，可以為其工程示范應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 載流量分析

1.1 幾何模型建立

以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例進(jìn)行幾何建模，各層結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜和銅導(dǎo)體電纜的各層尺寸保持一致。

如圖1所示，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的導(dǎo)體內(nèi)三層為銅層體積比為15%的CCAA，外三層為銅導(dǎo)線，主要研究不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)載流量的影響。

1.2 仿真模型建立

為了提高運(yùn)行效率，采用二維平面對(duì)電纜進(jìn)行建模，電纜采用較細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，電纜溝及周圍土壤采用粗網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

以電纜溝內(nèi)敷設(shè)電纜的工況為例，電纜敷設(shè)環(huán)境參數(shù)如表2所示，分析傳熱過(guò)程可以確定傳熱方式主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。在傳熱學(xué)中有三類邊界條件，模型中電纜溝尺寸為1.6m×2m，選擇距離電纜溝壁底部2m處為下邊界，深層土壤溫度恒定為10℃屬于第一類邊界條件;距離電纜溝壁左右兩側(cè)2m處為左右邊界，與熱源有足夠距離，溫度認(rèn)為無(wú)變化屬于第二類邊界條件;電纜溝蓋板為上邊界，空氣溫度恒定為40℃與空氣對(duì)流換熱屬于第三類邊界條件。對(duì)三相電纜線芯導(dǎo)體施加幅值相同，相位差為120°的交流電，并在Z軸方向施加耦合電壓。

1.3 電纜電流密度分布

在COMSOL軟件中，800mm2截面的銅導(dǎo)體電纜和銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的導(dǎo)體中加載900A的電流，其電流密度分布分別如圖2和圖3所示。

銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的集膚效應(yīng)體現(xiàn)的更加明顯，外層銅導(dǎo)體的最大電流密度達(dá)到1.72×106A/m2，而內(nèi)層銅包鋁合金導(dǎo)體的電流密度僅為外層銅導(dǎo)體電流密度的1/3。

1.4 電纜載流量

電纜載流量與電纜導(dǎo)體溫度有著直接的聯(lián)系，基于二分法原理可以通過(guò)迭代導(dǎo)體溫度，確定導(dǎo)體溫度等于90℃時(shí)的電流為電纜載流量。在電纜溝中單回路110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜分別以品字形排列和一字型排列時(shí)，達(dá)到滿載的情況下，其熱場(chǎng)分布如圖4所示。

以單回路110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，通過(guò)COMSOL有限元仿真可以得到電纜在不同情況下的載流量如表2所示，數(shù)據(jù)表明采用一字型排列時(shí)，隨著相間距的增大，載流量有所提升且增大的幅值隨著間距的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)間距增加至400mm后，載流量變化不再明顯，因此敷設(shè)時(shí)相間距應(yīng)在300～400mm范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)性較好。由于“品”字形排列時(shí)，相間距等于電纜外徑約100mm，散熱條件相比“一”字形排列要差，所以載流量要低不少。

不管是“品”字形排列還是“一”字形排列，等導(dǎo)體截面的銅導(dǎo)體電纜和銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量相差并不大，平均差值在12%左右。

2 機(jī)械性能分析

關(guān)鍵機(jī)械性能分析：a）抗拉強(qiáng)度：鋁合金導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度為115～150MPa，銅導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度為200～270MPa，銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度介于兩者之間，完全滿足施工和運(yùn)行要求;b）延伸性能：鋁合金導(dǎo)體經(jīng)退火后，延伸率可達(dá)30%，而銅導(dǎo)體的延伸率在25%左右，CCAA延伸率介于兩者之間，因此銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體的延伸性能要略優(yōu)于銅導(dǎo)體;c）彎曲半徑：鋁合金導(dǎo)體柔韌性較好，鋁合金電纜最小彎曲半徑為7倍電纜外徑，CCAA的柔韌性與鋁合金相近，因此銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的彎曲半徑要求小于銅導(dǎo)體;d）抗蠕變性能：鋁合金中添加的銅元素增強(qiáng)了高溫時(shí)的電阻穩(wěn)定性，添加的鐵元素提高了抗蠕變性能，再輔以特殊的退火工藝[6]，其蠕變量基本與銅導(dǎo)體達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?。可見銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體具備穩(wěn)定的連接性能。總體來(lái)說(shuō)，在機(jī)械性能方面，采用銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體替代銅導(dǎo)體，電纜性能有增無(wú)減。

3 連接特性分析

電纜導(dǎo)體與金具連接最為關(guān)注的指標(biāo)是接觸電阻和熱穩(wěn)定性。與金具接觸的是導(dǎo)體最外層銅導(dǎo)體，因此，復(fù)合導(dǎo)體的接觸電阻和銅導(dǎo)體一致。由于CCAA中銅和鋁合金的線膨脹系數(shù)有差異，因此，當(dāng)接頭處收到冷熱溫度交替變化時(shí)，可能會(huì)影響連接處的穩(wěn)定性。已有日本科研工作者通過(guò)200次通電熱循環(huán)試驗(yàn)證明，CCA與銅質(zhì)金具連接具有穩(wěn)定特性[7]，而CCAA的蠕變性能相比CCA提高了300%，可以充分證明復(fù)合導(dǎo)體與金具連接在使用中的可靠性。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

CCAA的鋁合金中融入了少量稀土元素可以有效緩解銅鋁界面處的電化學(xué)腐蝕，耐腐蝕性能大大提高，通過(guò)包覆銅層后，抗氧化性能也進(jìn)一步提高，使用壽命為30年，與銅導(dǎo)體電纜相比無(wú)差異。由電纜結(jié)構(gòu)尺寸表可知，以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，銅導(dǎo)體電纜的單重為13329.5kg/km，而銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的單重為12445.1kg/km，單重降低了7%。銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜與銅導(dǎo)體電纜相比，重量減輕，反彈性減弱，彎曲半徑要求降低，敷設(shè)施工安裝難度大大降低，尤其是在轉(zhuǎn)角處，安裝費(fèi)用可以縮減的同時(shí)安裝周期也可以縮短。

以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜和銅導(dǎo)體電纜對(duì)比為例，通過(guò)結(jié)構(gòu)表進(jìn)行電纜材料成本分析，可以發(fā)現(xiàn)銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的材料成本為銅導(dǎo)體電纜的90%，電纜截面越大，CCAA占比越大，電纜材料成本越低。結(jié)合單重?cái)?shù)據(jù)及載流量表可計(jì)算得出，在電纜溝“一”字形排列（相間距300mm）敷設(shè)條件下，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜單位重量的載流量可達(dá)銅導(dǎo)體電纜的96%。可以說(shuō)，110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜采用銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體可以在保證電纜線路在額定載荷下正常運(yùn)行的前提下，減少10%左右的直接采購(gòu)成本。

5 可再生性分析

中國(guó)工程院院士黃崇祺曾提出，銅包鋁線的回收再生利用是電線電纜行業(yè)規(guī)?；褂肅CA的前提條件[8]，CCAA亦是如此。目前較為成熟的報(bào)廢CCA再生利用方法有兩種，一種是直接熔煉法，應(yīng)用于煉鋁工業(yè)中硬鋁合金、鍛鋁合金的熔煉和煉銅工業(yè)中鋁青銅的熔煉;另一種是電解分離法，應(yīng)用于銅和鋁的電解精煉工業(yè)。CCAA與CCA相比，僅多了極少量的鐵、鎂、硅、鋅和硼等元素，可見CCAA的回收利用是同樣可行的。有相關(guān)報(bào)道表明，2018年我國(guó)再生鋁的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到695萬(wàn)t，占全鋁消費(fèi)量的16%，隨著回收體系的不斷完善，仍有巨大的發(fā)展?jié)摿9]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)載流量、機(jī)械性能、連接性能、經(jīng)濟(jì)性和可再生性等多方面的論證，說(shuō)明銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的力學(xué)和電學(xué)性能都能滿足使用要求且具備一定的成本優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，銅、鋁資源的合理搭配響應(yīng)了我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的方針，可作為銅導(dǎo)體電纜、鋁合金導(dǎo)體電纜產(chǎn)品的補(bǔ)充，具有市場(chǎng)前景。但是，目前銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜尚未制定標(biāo)準(zhǔn)，致使生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法統(tǒng)一，用戶在設(shè)計(jì)、采購(gòu)和施工時(shí)亦無(wú)標(biāo)準(zhǔn)借鑒。建議在進(jìn)一步深化研究銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的基礎(chǔ)上，推進(jìn)工程的示范應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作的落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李平舟.節(jié)能環(huán)保的銅包鋁線值得推廣應(yīng)用[J].資源再生，2015（3）：54-56.

[2]劉帥洋，王愛(ài)琴，呂世敬，等.銅鋁層狀復(fù)合材料界面特性及深加工研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（5）：828-835.

[3]戴雅康.銅鋁復(fù)合導(dǎo)體研究和創(chuàng)新的進(jìn)展與展望[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2018（03）：44-48.

[4]王國(guó)忠.型線絞合導(dǎo)體ZC-YJLHV22-103×630鋁合金電纜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[J].電線電纜，2018（03）：20-22.

[5]劉宇，林祝芬，趙芮，唐信寶，杜牧.鋁合金電纜在船舶行業(yè)應(yīng)用的可行性研究[J].廣東造船，2019，38（02）：86-89.

[6]吳振江.鋁合金導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展歷程及現(xiàn)狀[J].2018.

[7]鄭傳濤，戴雅康.銅包鋁線特性對(duì)銅包鋁電纜使用性能的影響[J].電線電纜，2016（6）：2.

[8]黃崇祺.架空電力線路用導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].2018.

[9]楊富強(qiáng)，熊慧，宋仁伯.我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（08）：10-14.