DQZHAN技術訊：鋁合金電纜在城市中壓電網(wǎng)的適用性研究
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)**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**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對比，并結合實際應用情況，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)結構，故障情況下短時間內(nèi)保護動作，迅速將負荷切轉至對側線路，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。火災情況下，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**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，質地堅硬、粘結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*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**的現(xiàn)象，接觸區(qū)的惡性循環(huán)又對接頭**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**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。
