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铝合金电缆与铜电缆的差异!

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铝合金电缆与铜电缆的差异!

发布日期:2016-07-27 作者:兰州众邦电线电缆集团有限公司 点击:

在供配电系统中电力电线电缆是输送电力的主要设备材料,国内目前常用的是铜芯电缆。而国外主要用的是铝合金电缆。国外在铝质导体的研究和应用方面, 早在40 年前就率先开发出了AA8000 系列电工级铝合金作为导体材料。目前美国90%以上的市政民用及工商建筑都采用的铝合金电缆。成功应用铝合金电缆已40多年。

我国铝合金电缆发展相对较慢,近10年来美国、加拿大等电缆制造商把合金电缆及其附件安装配套系统引进国内,使合金电缆得到了快速发展。同时国家及相关行业也推出相关规范:GBT 31840.1-2015 《额定电压1kV Um1.2kV 到35kV Um40.5kV铝合金芯挤包绝缘电力电缆》、GB/T30552《电缆导体用铝合金线和NB/T42051《额定电压0.6/1kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》。

铝合金电缆在电工铝中加入铜、铁、镁、硅、锌、硼等合金元素,采用特殊辊压成型型线绞合生产工艺和退火处理等先进技术创造的新型材料电力电缆。根据合金成分的不同主要分为两大类。一类是以AA8030为代表的合金电缆;一类是以AA8176为代表的稀土铝合金电缆。我们对此都统称为AA8000系列。

AA8000系列铝合金导体典型结构如下图:

下面我们分别从技术参数、施工安装、综合成本、运营维护四个方面对铜电缆和铝合金电缆进行比较分析。

1技术参数:

技术参数是设备材料选择的一项重要指标。我们以AA8030铝合金导体为样本与铜导体进行对比。技术参数中我们重点关注电缆载流量及电压损耗。

有上表可知铝合金的密度仅为电工铜的1/3;电阻率为铜的1.6倍;导电率为铜的61.8%;抗拉强度为铜的1/2左右;屈服强度及伸长率与铜的下限值基本接近。其中我们最为关注的是导电率和电阻率比较,直接与导电率相关的技术参数就是载流量;直接与电压损耗相关的技术参数就是电阻率。下面附表2,3分别对这二项参数进行比较分析(附表中比较条件是:铝合金电缆截面是铜电缆截面的1.5倍)。

对于铝合金电缆的载流量选择,国家于2010年和2013年出版了标准图集10CD106《铝合金电缆敷设与安装》和13D101-7《预制分支与铝合金电力电缆》,详细列举了对于不同安装方式的铝合金电缆载流量。

2施工安装:

其次我们在从施工安装方面进行对比分析。在施工安装的过程中我们需要关注电缆的机械性能:

1.弯曲性:铝合金导体电缆的弯曲半径是电缆直径的7 倍,而铜导体电缆的弯曲半径是电缆直径的10~20倍。 铝合金电缆在安装过程中更易弯折,因此能有效减少安装成本,降低事故风险。

2.反弹性:铝合金导体反弹性能较铜小40 % (同一室温条件下将铝合金导体电缆和铜导体电缆都弯90° 后释放应力, 铝合金导体电缆的反弹角度只为铜导体电缆的0. 6 倍)。安装中由导体造成的反弹性应力会大为减小,便于施工。

3.柔韧性: 铝合金导体柔韧性能较铜高25 %, 塑性好、抗疲劳强度高、易加工成形, 折弯次数远高于纯铝和铜导体, 经反复折弯后也不会出现裂纹或折断, 可提高电缆线路的安全性。

4. 延伸率:延伸率是电缆优劣和承受外力大小的标志, 也是检验电缆导体机械性能的一个重要指标。经退火处理后, 铝合金导体电缆的延伸率可提高至30 %, 而铜导体电缆为25 %。由此可知,铝合金电缆比传统的铜电缆具有更强的柔韧性,因此敷设时所需的拉力比铜缆小很多。

由此可见在施工安装过程中,铝合金电缆的机械性能全部优于铜芯电缆。

在施工安装过程中对于电缆的分支总体可分为两种情况,一种是预分支电缆,一种为在施工现场进行T接。预分支电缆一般是在工厂内根据图纸内容做好分支后进行灌塑绝缘处理,现场无需再加工,直接吊装安装即可。而电缆T接一般通过三种手段:T接箱、T接端子、穿刺线夹。

在使用T接箱时,因为T接箱内的母排一般为铜母排,电缆的压接需要使用铜铝过渡端子,铜铝过渡端子需要满足GB/T9327(IEC61238)1000次热循环试验。而铜电缆在T接箱时则不需要使用专门的过渡端子。而在使用穿刺线夹及T接端子也必须使用合金电缆专用的端子以解决不同金属材料连接处的热膨胀系数。

3综合成本:

综合成本我们通过以下二个方面进行比较分析:

1.采购成本:通过笔者多家铝合金厂家调查总结发现,实现同样的电气性能,铝合金电缆( 含专用连接端子和桥架) 直接采购成本比铜电缆低约20%~40%; 我们以一个18层单元住宅工程项目为例,其电缆、桥架清单及采购成本如下表:

由上表可知由于铝合金电缆(非铠装)要达到相同的电气性能需要加大电缆截面从而导致桥架的截面变大。提高了在桥架主材的成本费用,但综合采购成本降低28.42%。

2.安装成本:根据电缆的敷设方式不同,电缆安装所需要的辅材也有所不同。当铜缆在室内敷设干线电缆时一般采用桥架敷设。根据规范要求,桥架内敷设的电缆截面不能大于桥架截面的40%。而采用铠装的铝合金电缆可以不使用桥架。我们以一个电缆采购额2000万的项目预算为例:

从上表可见,如果使用合金电缆,可节约安装费用约180万,比铜缆的安装成本节约50%,节约的安装费用占电缆采购额的8%。

4运营维护:

电缆在运营过程中我们需要关注电缆的电能损耗、抗蠕变性、防腐性、阻燃性及使用寿命等多种特性。

1、电能损耗:

电缆线路的损耗计算公式:三相线路中有功及无功功率损耗计算公式为:

有功功率损耗  △PL=3I2jsR/103 (KW);

无功功率损耗  △QL=3I2jsX/103 (kvar)。

式中:

R——每相线路电阻(Ω),R=R’L;

X——每相线路电抗(Ω),X=X’L;

L——线路计算长度(KM);

Ijs ——计算相电流(A);

R’、X’——线路单位长度的交流电阻及电抗(Ω/km)。

我们以400V供电线路,三相负载平衡、线路电流为电缆在空气中敷设的安全载流量、功率因数取0.8,线路长度为100米建立模型。得到如下数据:

由上表可知,在相同的运行电流情况下,铜缆与放大截面的铝合金电缆在线路损耗(或电能损耗)方面基本一致。

2、抗蠕变性:

固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。电缆在敷设和连接的过程中会长期受到应力的作用。如果抗蠕变性很差, 安装一段时间后, 连接处容易松弛, 造成接触电阻增大, 形成线路安全运行的隐患。而合金电缆让合金元素作为溶质原子溶入铝基体,形成固溶体。形成固溶体后,晶格结构有一定畸变,晶格畸变增大位错运动的阻力,使金属的滑移变形变得更加困难,从而提高合金的强度和硬度,同时抗蠕变性能也得到显著改善。使合金电缆与铜缆一致的抗蠕变性。

3、防腐性能:

铝特有的防腐性能来自铝表面与空气接触自然形成的氧化层, 这种氧化层能耐受多种腐蚀。碱性土壤和某些类型的酸性土壤环境对铝有较大的腐蚀性, 所以裸铝铠装电缆(无PVC 护套的自锁型铠装电缆)不能直埋敷设, 需使用模压护套来防止腐蚀。而在如铁路隧道和其它类似含硫环境中, 铝的抗腐蚀性能优于铜。

4、阻燃性能:

铠装铝合金电缆的绝缘采用的是低烟无卤的XLPE ( 交联聚乙烯) 材料, 加之其独特的自锁型铠装结构, 使其达到低烟无卤阻燃IA 级, 这种电缆在燃烧时的透光率达到了99 % (标准要求IA 级透光率≥ 80 %), 只产生极微量的烟雾, 发生火灾时减少了对人身的二次伤害, 有利于及时疏散和救援。自锁型铠装电缆的铝合金铠带散热性好, 可以很快带走热量, 其阻燃特性优异, 在火焰撤走后能迅速熄灭, 不会延燃其他材料。通过燃烧试验对比, 供火40 min 炭化高度只有0.15 m, 远低于国家标准《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验第33部分: 垂直安装的成束电线电缆火焰垂直蔓延试验A 类》(GB / T 18380. 33 - 2008) 的阻燃电缆炭化高度≤2.50 m 的要求。但由于铝的熔点是660 ℃, 因此火灾发生时需要连续供电的消防线路不能采用铝合金电缆, 但其它要求低烟无卤阻燃的供电回路均可采用自锁型铠装铝合金电缆。

5.使用寿命

由于国内引进铝合金电缆的时间较短。运行时间可参照的项目不多。但世德合金电缆在北美有40年的安全无故障运行时间。

综上所述,铝合金电缆在技术参数、电能损耗方面基本与铜电缆一致,甚至其它方面优于铜电缆,相信在不远的将来,随着科学研究和工艺技术的不断提高, 铝合金导体电缆的应用会越来越得到业界的关注。


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