铝合金电缆在城市中压电网的适用性研究

铝合金电缆在城市中压电网的适用性研究摘要：“富铝缺铜”并不符合国情，“藏铜于国内”则更具有突出战略意义。铝合金电缆对比铜电缆在导电性、载流量、机械性能、耐腐蚀、耐高温等硬性指标上存在明显差距，在接头故障、通道资源占用、施工工艺等方面也存在对比劣势。综合资产全寿命周期和电网安全运行的需要，铝合金电缆并不适合在中压系统和城市配电网推广使用。【关键词】以铝代铜铝合金电缆富铝缺铜一、引言随着我国经济步入发展新常态，铝合金电缆在电气市场中占据了一定份额。相关媒体和企业提出了在电力电缆领域全面推广“以铝代铜”，并冠之以未来“发展方向”，解决铜资源短缺的“战略举措”。本文主要对铝合金电缆和铜电缆进行八个方面横向对比，并结合实际应用情况，理性审慎地看待铜铝替代问题。二、铜铝矿产资源的现实比较我国铜资源相对短缺是客观事实，但铝资源其实并不富裕。所谓“富铝缺铜”更是不符合国情的误导宣传〔1〕。众所周知，国内铝加工行业由于产能严重过剩，早已列入国家限制淘汰落后生产序列。国产铝土矿石的铝硅比偏低，氧化铝生产成本偏高。铝矿的过度开采使国内储采比仅有6.6年，远低于石油工业10年的储采比〔2〕，显然储量不能满足经济快速增长的需要。然而为维持庞大的铝业产能，必须从海外大量采购铝矿资源，预计到“十三五末”铝矿的海外依存度将达到60%以上。从长期来看，客观上存在铝资源短缺的系统性风险。反观铜作为100%可循环使用的金属，国内储采比尚有16年之久，若能利用当前外汇储备和低价铜矿的优势，大量收购国外铜矿资源，“藏铜于国内”无疑更具有突出战略意义。三、铝合金电缆与铜电缆的性能比较铝合金电缆是在普通铝的基础上加入微量元素作为导体的电缆形式，虽然是纯铝电缆升级版本，但与铜电缆相比仍有明显的比较劣势。(1)铝合金电缆的导电性较差。铝合金电缆导电率只有铜电缆的61%。相同电缆截面下，偏大的电阻必然造成线损偏高，降低能源利用效率。相同载流量条件下，铝合金电缆电阻率总是略大于铜电缆。以负荷电流380A，年利用小时数4500h，运行寿命30年为例，铜电缆截面若采用150mm2，则铝合金电缆截面需240mm2，两者的电阻率分别是0.148/km和0.150/km，年能耗为288495kwh/km和292410kwh/km，全寿命周期内两者能耗差为117450kwh/km〔3〕。显然全寿命周期内铝合金电缆的损耗偏大，背离国家“节能减排”的发展方向。(2)铝合金电缆载流量偏低。城市电网供电可靠性要求达到99.99%，核心区需达到99.999%的更高水平。由于城市电缆网采用环网结构，故障情况下短时间内保护动作，迅速将负荷切转至对侧线路，确保不间断用户供电。但要实现电网高可靠性，完善的网络结构、优良的设备和线路都是必不可少的。电网中的供电线路必须具有较高的载流量，除自身负荷外还能承担临时切换负荷。同等截面的铜芯电缆比铝合金电缆的载流量高出30%以上，显然更能满足城市供电可靠性的要求。(3)铝合金电缆机械抗拉强度低。铝合金电缆的抗拉强度只有铜电缆的46%，允许牵引力比铜电缆低60%。城市配电网大量采用电缆环网结构，规划设计上考虑尽量减少电缆中间接头的使用。实际使用中，单根铜电缆敷设长度一般在600~800米区间。考虑在同等载流量条件下，单根普铝电缆的敷设长度仅为500米。考虑牵引力的影响，单根铝合金电缆的敷设长度只有350米。显然抗拉强度偏低必然导致单次牵引电缆的长度受限，需额外增加大量中间接头，增加后续运行维护风险。(4)铝合金电缆耐腐蚀性能弱。电缆导体的腐蚀主要是金属电化学腐蚀，即在金属表面发生原电池或杂散电流干扰引起的电解电池作用。铝合金电缆在生产工艺中为了改善抗蠕变性能加入了镁、铜、锌、硅等元素，并增加热处理工序。由于电缆运行工况复杂，在含有电解质的环境中，电极电位更低的铝与其他加入的金属元素存在电极差，从而形成电流通路，发生孔蚀和裂隙腐蚀等电化学现象。铝合金电缆热处理工艺还容易造成导体表面物理状态不均匀，增加电化学腐蚀的可能，继而发生应力腐蚀裂纹和晶间腐蚀。(5)铝合金电缆耐高温性能差。铜的熔融点为1080，而铝的熔融点仅为660，显然铜导体是耐火电缆更好的选择。火灾情况下，中心环境温度可上升到750以上，电缆必须能够维持通电的基本功能以构筑生命保障线。显然当火场温度高于铝合金和铝的熔融点后，无论采取何种隔热措施，电缆导体都会在短时间内发生融化，丧失导电功能，从而严重影响火场人员安全疏散。(6)铝合金电缆接头故障风险高。电缆运行经验表明，80%故障均发生在接头部位。铜具有铝和铝合金无法比拟的优越性。铜接头氧化生成的氧化铜是优良导体，仍能够保障接头和端子的电气连接性能。铝和铝合金接头发生氧化生成的氧化铝是绝缘体，质地坚硬、粘结力强的特性使其难以形成良好的导电触点，易造成触点发热。电气设备终端多采用的是铜制接头，使用铝合金电缆就会形成铜铝连接。铝合金的热膨胀系数远高于铜。由于电网运行始终存在峰谷差，当负荷发生明显变化时，温度快速变化，接触区出现较大的侧向运动，切断了金属触点的有效连接，增大接触阻抗，导致连接处温度上升。冷却时再次发生热应力变化，进一步形成界面剪切作用。在长期冷热反复作用下，当热应力大于铝的屈服力时，就会在接触区内形成不可逆的塑性变形，加速接头处的损耗程度，直至最终出现连接故障。铝合金导体在热胀冷缩后更容易产生接触不良的现象，接触区的恶性循环又对接头安全运行形成巨大考验。(7)铝合金电缆占用通道资源多。在相近能耗条件下，铝合金电缆截面需大于铜电缆两个规格以上，才能达到相近的载流量。然而增大的导体截面对电缆敷设和电缆通道结构尺寸都带来严重影响。电缆通道资源是城市电缆网建设的重要组成部分。受城市道路规模和交通组织的影响，大多数电缆采用排管和拉管方式敷设。选用铝合金电缆进行排管内敷设，则排管孔径必须放大到敷设铜电缆孔径的1.6倍以上〔4〕，显然增加了电缆土建工程建设成本。同时扩大的土建规模增加了占地，在城市地下资源日益紧张的条件下，显然并不具有可行性。(8)铝合金导体安装工艺要求高。安装铝合金电缆需要使用特殊工具，不同厂家接头甚至需要配置不同工具，无疑增加施工安装成本。铝合金电缆安装程序复杂,一般分为剥离绝缘层、去除导体氧化层、涂覆抗氧化剂、插入端子、压接成型、擦除多余抗氧化剂等6个主要步骤。不正确的安装容易导致接头接触电阻过大，异常温升直至发生电缆故障。国内目前的电缆施工力量参差不齐，现场管理水平也落后于发达国家。相比较而言，铜电缆应用经验丰富，具有更好的机械性能和安装容错性，施工工艺比较简化，更