鋁合金電纜在水電工程中的推廣應(yīng)用

王 鵬，余淑娟

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司第五分局，四川彭山 620860)

當(dāng)前，我國(guó)正在建立綠色、循環(huán)、低碳、低耗、資源節(jié)約的發(fā)展模式，各行各業(yè)都在提倡節(jié)能減排。作為綠色能源開(kāi)發(fā)龍頭的水電工程，在工程建設(shè)允許的場(chǎng)合采用以鋁節(jié)銅就是一項(xiàng)簡(jiǎn)單易行、效果明顯的節(jié)能措施。筆者通過(guò)對(duì)鋁芯電纜、銅芯電纜與鋁合金電纜的各種特性進(jìn)行分析對(duì)比，并通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例取得的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，進(jìn)一步說(shuō)明了鋁合金電纜在水電工程中應(yīng)用的可行性和必要性。

1 鋁芯電纜的不足之處

在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的上世紀(jì)60～80年代，由于我國(guó)銅產(chǎn)量低及進(jìn)口少，銅主要用于軍工領(lǐng)域，而鋁導(dǎo)線、鋁線變壓器等則大量應(yīng)用在建筑電氣行業(yè)，但在其長(zhǎng)期使用過(guò)程中，純鋁導(dǎo)體的不足逐漸顯現(xiàn)出來(lái):

(1)銅和鋁的連接處(如鋁線與斷路器、電動(dòng)機(jī)等的銅聯(lián)接樁頭)由于銅和鋁兩種金屬的價(jià)電子不同而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕效應(yīng)，使鋁線表面生出白色氧化物，導(dǎo)致與樁頭間的接觸電阻增大，接頭處發(fā)熱，甚至引起連接處導(dǎo)線絕緣碳化失去絕緣作用而起火;

(2)純鋁線機(jī)械強(qiáng)度低，容易折斷，同時(shí)由于純鋁的伸長(zhǎng)率小，抗蠕變性差，安裝一段時(shí)間后，連接處容易松弛而造成接觸電阻增大，發(fā)熱又使連接處更松動(dòng)，如此循環(huán)下去，后果不言而喻。

2 鋁合金電纜

傳統(tǒng)的鋁芯電纜采用的材質(zhì)為純鋁，而合金電纜針對(duì)以前純鋁電纜本身固有的缺點(diǎn)，加入了合金成分對(duì)其進(jìn)行了改性，使合金的多種性能大幅提高。

目前常用的鋁合金材料分類如下:

1xxx—純鋁(99.00%含量或更高)

2xxx—鋁-銅合金 宇宙飛船

3xxx—鋁-錳合金 可樂(lè)罐體

4xxx—鋁-硅合金 焊接

5xxx—鋁-鎂合金 人字梯/薄板

6xxx—鋁－錳-硅合金 機(jī)翼/架空線/車架

7xxx—鋁-鋅合金 A380/保險(xiǎn)杠

8xxx—鋁和其他元素合金 建筑用電力電纜

9xxx—未定義

合金電纜采用的鋁合金型號(hào)為8030合金。

鋁合金電纜由于在純鋁中加入了銅、鐵、鎂、錳等元素，大大提高了鋁合金導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度較純鋁提高了53%，抗蠕變與壓緊性能較純鋁提高了300%，屈服強(qiáng)度較純鋁提高了121%，同時(shí)，鋁合金電纜回彈力小，無(wú)記憶效應(yīng)，比銅電纜更方便施工。而且鋁合金電纜與設(shè)備接線樁頭連接時(shí)采用銅鋁過(guò)渡接線端子，從根本上杜絕了以前“生白粉”的氧化現(xiàn)象。

3 鋁合金電纜與銅芯電纜特性比較

(1)彎曲性能:根據(jù)GB/T12706中對(duì)銅電纜安裝時(shí)彎曲半徑的規(guī)定，銅芯電纜的彎曲半徑為10～20倍電纜直徑，而鋁合金電纜的彎曲半徑最小為7倍電纜直徑，使用鋁合金電纜減小了安裝布局的空間，減少了安裝成本且更易于敷設(shè)。

(2)延展性:鋁合金電纜由于退火后的延伸率能達(dá)到或超過(guò)30%，高于銅芯電纜25%的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)反彈性:鋁合金電纜的反彈性比銅芯電纜更小，更有利于端子連接接頭處的緊密程度，易于壓緊，從而提高其穩(wěn)定性。

(4)耐腐蝕性:在空氣中，鋁合金電纜的耐腐蝕性能優(yōu)于銅，銅芯電纜的使用壽命按30a設(shè)計(jì)，而鋁合金電纜的使用壽命則可以達(dá)到40a，這是以在美國(guó)應(yīng)用的事實(shí)為根據(jù)的。

(5)重量:相同載流量、相同長(zhǎng)度的鋁合金電纜是銅芯電纜重量的一半，在大跨度安裝中優(yōu)勢(shì)明顯，可以降低安裝成本。合金電纜與銅芯電纜的重量比較情況見(jiàn)表1。

表1 合金電纜與銅芯電纜重量比較表

從表1可以看出，在相同的電氣性能條件下，鋁合金電纜的重量是銅芯電纜的42%～53%。

(6)導(dǎo)電性:根據(jù)GB/T3956，鋁合金導(dǎo)體相比銅導(dǎo)體增加了一個(gè)或兩個(gè)規(guī)格，達(dá)到相同的載流量，也就是說(shuō)，鋁合金的截面增加1.5倍就能達(dá)到與銅同樣的導(dǎo)電效果。雖然截面增大1.5倍，但通過(guò)緊壓處理，導(dǎo)體外徑與銅電纜相比只增加了1～18mm，增加的很少。不同材料導(dǎo)體的載流量見(jiàn)表2。

如表2所示，當(dāng)合金電纜的截面擴(kuò)大一至兩級(jí)時(shí)，與銅芯電纜的載流量相當(dāng)。

(7)抗拉伸強(qiáng)度和抗疲勞性能:鋁合金電纜的抗拉伸強(qiáng)度的性能略遜于銅芯電纜，與銅纜很接近，但不會(huì)因此而影響到電纜的使用。

4 材料成本及安裝成本的比較

在實(shí)現(xiàn)同樣性能的前提下，鋁合金電纜的直接成本比銅芯電纜節(jié)約30%～50%。由于鋁合金電纜的彎曲性能更好、重量更輕，可以不用橋架或減少橋架的用量，安裝成本能節(jié)約20% ～50%。

表2 不同材料導(dǎo)體的載流量統(tǒng)計(jì)表

5 鋁合金電纜的應(yīng)用情況

鋁合金電纜在美國(guó)、加拿大等國(guó)家使用了40多年，美國(guó)民用及商用建筑90%采用鋁合金電纜。在國(guó)內(nèi)，鋁合金母線及電纜也逐漸被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域中，如青島地標(biāo)建筑——萬(wàn)邦中心、成都天府時(shí)代廣場(chǎng)、上海世博會(huì)電動(dòng)汽車充電站工程、成都藍(lán)光IBP空港總部高檔寫(xiě)字樓群、成都?xì)g樂(lè)谷等，鋁合金電纜在中國(guó)的普及使用也將很快成為現(xiàn)實(shí)。

在水電工程中，由于工程施工環(huán)境復(fù)雜，施工強(qiáng)度高，為保證工程建設(shè)的連續(xù)性，近年來(lái)水電工程建設(shè)中的重要場(chǎng)合已經(jīng)基本采用銅芯電纜代替鋁芯電纜。但隨著銅資源的緊缺、銅芯電纜價(jià)格的不斷上漲，水電工程建設(shè)中銅芯電纜費(fèi)用的支出比例也逐漸增大。

以某水電工程混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600m3/h(均為碾壓混凝土)，配置了兩座2×6m3強(qiáng)制式拌和樓，預(yù)冷系統(tǒng)總裝機(jī)容量1744×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)，系統(tǒng)設(shè)備總功率14100kW，按使用VV型銅芯電纜和ZC－TC90型鋁合金電纜分別進(jìn)行比較，所需要的部分1kV級(jí)電纜數(shù)量及采購(gòu)價(jià)格比較情況見(jiàn)表3。

表3中只列出了系統(tǒng)所需要的部分1kV級(jí)電纜，還未包括10kV級(jí)的電纜。通過(guò)以上比較，可知在同樣條件下，在未包括10kV級(jí)電纜的情況下，采用鋁合金電纜已比采用銅芯電纜節(jié)約費(fèi)用2908064元;如果加上高壓電纜節(jié)省的費(fèi)用則更加可觀，其直接費(fèi)用還不到銅芯電纜的40%。同時(shí)，由于鋁合金電纜比銅芯電纜輕，節(jié)約的安裝費(fèi)用和時(shí)間效益也非常可觀。

表3 銅芯電纜與鋁合金電纜價(jià)格比較表

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在的以鋁節(jié)銅絕不是上世紀(jì)60～80年代所有范圍的線路都以鋁代銅，而是在必須用銅的地方用銅(如控制電纜)，在可用銅可用鋁的地方推廣使用鋁合金產(chǎn)品。在合適的場(chǎng)合及有保障措施(如使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的銅鋁過(guò)渡端子等)的前提下，水電工程應(yīng)加大鋁合金電纜的使用，其對(duì)節(jié)能減排、降低工程造價(jià)、減少偷盜、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等都具有著非常重要的意義，真正做到綠色水電、節(jié)能環(huán)保。