铝合金电缆的优势及设计应用
摘要:文章通过对铝合金电缆和铜芯电缆的各方面参数比较(安全性能、导电性能、机械性能、防腐性能、连接性能、经济性能),介绍了铝合金电缆的性能优势以及经济效益;结合我国目前实际国情,大力推广铝合金电缆在工程中的应用。
1 前言
在全球范围内铜的稀缺程度仅次于石油,在我国则尤为突出,被列为仅次于石油的战略储备物资。据国家统计局的数据,目前我国已探明铜资源储备约为2600万吨,每年铜的使用量约为500万吨,如不依靠进口,只能使用5年(我国现使用70%的铜都是依靠进口的)。
随着我国社会经济的发展,用电量不断增加,供配电电缆的使用量不断上升,铜消耗量占到了我国每年总铜消耗量的70%;同时近年来国内、国际铜资源紧缺,价格不断攀高,电缆成本也越来越引起投资方的关注。铜资源的紧缺、电缆成本的不断攀高使得寻找铜芯电线电缆替代品的需求越来越紧迫,资源替代战略的实施已经迫在眉睫。
2 解决方式及比较
常温下金属导电率由高到低依次为:银、铜、金、铝、镁、铁……,由此看出,铝成为了电线电缆首选替代金属。目前国内铝代铜方式上大致有3种:铝、铜包铝、铝合金。
尽管我国铝资源相对比较丰富,铝重量轻、导电率高、价格也相对低廉,但是铝的强度低、容易蠕变、易腐蚀、表面极易形成氧化膜而增大接触电阻等致命缺点很大地限制了铝芯电线电缆的应用;铜包铝电缆是在铝芯线上均匀连续地包覆铜层,使接触面上的铜、铝原子形成冶金结合,构成一种双金属层状复合材料,铜包铝电缆充分发挥了铜的优良导电性和铝重量轻的特点(重量约为铜的40%,电阻率与铝差不多,约为铜的1.4~1.5倍),但是抗拉强度依然较差,而且制造工艺要求较高,废旧电缆回收再利用难度大;铝合金电缆抗蠕性能、柔韧性能、防腐性能都有了较大提高,但是载流量接近铝电缆,相同载流量的电缆截面约为铜芯电缆的1.29~1.5倍(即需放大截面1~2级使用),综合考虑依然是一种较好的铜芯电缆替代品,目前市场上已经越来越广泛地应用。
3 铝合金电缆优势
本节就安全性能、导电性能、机械性能、防腐性能、连接性能、经济性能等方面综合比较说明铝合金电缆的相关优势。
3.1 安全性能
目前,市场上铝合金电缆基本都符合GB/T12706-2002《额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件》、国际电工委员会IEC60502(电力电缆及附件标准)、GB/T9327-2008《额定电压35kV(Um=40.5kV)及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具 试验方法和要求》、国际电工委员会IEC61238-1(连接接头标准)等标准要求,在上海电缆研究所通过了《按照长期运行(大于30年)所制定的IEC1000次连接头热循环测试标准》。
3.2 导电性能
一般情况下铝导体的截面积是铜的1.29~1.5倍时,其电气性能相同,导体截面增加约50%,同时属于非磁性材料,不会产生涡流,从而线损减少;相同电气性能铝合金电缆半径理论上增加约22%,但实际并非如此,铝合金电缆采用了紧压绞合技术使导体压紧度达到93%~95%,从而使电缆外径增加小于22%,从而尽可能少地占用管井空间(相同电气性能条件下,铝合金电缆直径比铜电缆直接大1~12mm)。
下面看某品牌合金电缆和铜缆电气特性的具体参数对比(见表1)。
说明:表1为单根电缆敷设的持续载流量值,敷设方式为自由空气中,参考环境空气温度30℃;电压降值功率因数为0.8,电缆运行温度为80℃;直流电阻值为导体20℃时的参数值;铜芯电缆规格参数采自《工业与民用配电设计手册》第三版,合金电缆规格参数采自10CD106《铝合金电缆安装与敷设》,从表1可以看出,铝合金电缆电气性能在大一级截面情况下基本接近。
3.3 机械性能
(1)弯曲性能:①合金配方及加工工艺使得合金电缆柔韧性能大幅提高,比铜电缆高出25%~30%,从某产品反复扭转试验显示,在相同电气性能条件下,铝合金电缆35次折断,铜电缆25次折断,铝电缆7~10次折断;②铝合金电缆弯曲半径为7倍外径(铜电缆为10~20);③反弹性比铜电缆小40%(在室温条件下,将铜电缆与铝合金电缆弯曲90°,应力释放后铝合金电缆反单角度为铜电缆的60%),因铝合金电缆具有无记忆力,所以反弹性能优于铜芯电缆,在安装过程中,更有利于端子连接接头处的紧密程度,易于压紧提高连接的稳定性。
(2)延伸性能:铝合金电缆延伸性能30%,铜电缆25%,铝电缆1.5%~2%,从这里可以看出铝合金电缆延伸性能还是比较优越。
(3)抗蠕变性能:铝合金电缆的特殊配方与热处理工艺大大减少了金属在受热和压力下的蠕变倾向,某铝合金电缆产品试验蠕变曲线图如图2所示。
由此可见,相比于纯铝,铝合金导体抗蠕变性能提高了约300%。
3.4 防腐性能
在大气中,铝表面自然生成极薄而透明的氧化膜、最外层是硬质结晶-水软铝石(Al2O3H2O);中间层是致密的活性阻挡层-不定形的氧化铝(Al2O3);最内层是基体金属铝。氧化保护膜耐受各种形式的腐蚀,具有承受罪恶环境的特性。铝合金材料是在铝中加入相关元素起到净化、提高纯度、填补表层缺陷、细化晶粒、减少偏析,消除显微不均而导致的局部腐蚀的作用,从而大大提高了铝的耐腐蚀性能。
3.5 经济性能
实现同样的电气性能,铝合金电力电缆(含专用连接端子)直接采购成本比铜电缆低约15%~20%;同时铝合金电缆重量轻(约为一半),反弹性比铜电缆少40%,柔韧性比铜电缆高25%~30%,使得施工安装成本节约大概20%以上(大跨度建筑节约费用更高)。在我国城镇化建设,城乡电网改造加速之日,铜资源逐渐枯竭、电缆需求量不断加大之时,使用新型铝合金电缆对创建节约型社会和国家将产生不可估量的影响。
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