鋁合金電纜在電力工程中的應用

耿 健，周 翔

（中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054）

1 鋁合金電纜的應用現狀

電纜作為電力工程中的主要材料，一般用于電力的傳輸，在電力工程中起著至關重要的作用。電纜的種類多種多樣，選擇合適的電纜不僅能增加電力系統的穩定性和安全性，對電力工程的造價也有著重要影響。

金屬導體是電纜最重要的組成部分，通常選擇導電性能優良的金屬作為電纜導體，如銅、鋁等。GB/T 3956—2008［電纜的導體］4.1條中規定：導體應包含以下類型之一：1）不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線。2）鋁或鋁合金線。相應的，根據標準金屬導體的種類，電力工程中常用的電纜分為銅電纜、鋁電纜和鋁合金電纜。

銅電纜和鋁電纜作為較為傳統的電纜類型，已為大家所熟知，并在電力工程中得到廣泛的應用。銅電纜因其優越的導電性能和機械特性，應用最廣；鋁電纜雖然價格較為低廉，但因其固有的導電率低、易蠕變、極易斷裂等特點，僅用于較不重要的場合。在GB 50217—2007［電力工程電纜設計規范］第3部分［電纜型式與截面選擇］對電力工程中銅芯與鋁芯電纜的使用范圍有詳細的規定。銅芯電纜適用于所有場合，而控制電纜、耐火電纜及用于安全性、連接可靠性要求較高的場所的電纜等均不允許采用鋁電纜。電力作為關系國家安全的重要產業，對電網運行及用戶的管理均以“安全第一”為目的，因而對于電網設備要求也極為嚴格，對鋁電纜的使用十分謹慎，這也導致了我國電纜工業中鋁導體用量占比很低。

鋁合金電纜作為一種新型的電纜，雖然歷史不長，但因其優越的性能和相對較低的價格，近年來迅猛發展，成為電纜行業中一股新生力量，引起越來越多的關注。20世紀60年代末，在全球銅資源缺乏的背景下，一種新型鋁合金電纜產品得到開發，并應用于配電領域。因其良好的性能，從19世紀70年代初開始在北美得到了廣泛的推廣和使用，2007年進入中國后在北京、天津、浙江、遼寧、廣東、四川等地逐步打開市場。最初的鋁合金電纜均從國外進口，價格較為昂貴，與銅纜相當，隨著合資廠的設立和國產品牌的出現，鋁合金電纜產能擴大，競爭加劇，價格逐步下降，優勢越來越明顯，市場份額也迅速增長。但鋁合金電纜目前主要用于房地產項目、商業項目和電纜用戶工程，仍難以進入電網工程的采購名錄中，市場份額仍然偏低。

鋁合金電纜若要打破人們心中鋁質電纜安全性能較低的固有印象，調整銅電纜在電纜市場中的霸主地位，一方面其優異的性能需經受住市場的考驗，另一方面也需要電力工程相關行業人士摒棄舊有觀念，以開放和寬容的心態去面對這一新產品。

2 鋁合金電纜與銅電纜的性能比較

鋁合金電纜若想在電力工程中占有一席之地，打破銅電纜在電纜行業中的壟斷地方，則應在與銅電纜的比較中，有其獨特的技術與經濟優勢。

2.1 鋁合金電纜的主要參數

鋁合金導體以金屬鋁為主要成分，通過添加銅（Cu）、錳（Mn）、鎂（Mg）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鐵（Fe）和硅（Si）等多種元素，經過先進的合成和退火等工藝，彌補了純鋁電纜的不足，改善了純鋁電纜的物理性能和工藝性能，提高了電纜的抗腐蝕、抗蠕變能力，保證電纜即使在長時間過載和過熱時的連接穩定性。

2.1.1 電阻率

鋁合金導體的電阻率與鋁相當，約為銅的1.68倍，由于銅芯電纜的電阻率低，在同截面情況下，銅芯電纜的電壓降較小。但一般在工程應用中，鋁合金電纜為了達到相同的載流量，放大截面后，電壓降相當。

2.1.2 質量銅的密度約為8.9t/m3，鋁合金的密度與鋁相當，約為2.7t/m3，即在單位面積質量下，銅的質量約為鋁合金的3.3倍。

2.1.3 導電能力

如果按銅的導電率是100%計算，鋁合金的單位體積電導率與鋁相當，約為61.2%。由于導體的導電能力與導體截面成正比，則（8.9/2.7）×（0.612/1）＝2，即2kg銅的導電能力與1kg鋁合金相當。另外，考慮密度后，合金電纜的截面積約為銅的1.5倍時，其電氣性能相同。

因此，在實際的電纜選型中，鋁合金電纜截面約為銅電纜的1.5倍，質量約為銅電纜的一半。

2.1.4 短路熱穩定能力

根據《電力工程電纜設計規范》GB 50217—2007，按短路熱穩定條件計算電纜導體允許的最小截面，公式如下

經計算（此處略去計算過程）可得，銅電纜熱穩定系數C銅＝13 700，鋁合金電纜熱穩定系數C鋁＝9 000。在通過相同的短路電流并且短路持續時間相等的情況下，設定S銅≥S基準，則S鋁≥1.52S基準，即在相同的條件下，鋁合金電纜的截面必須為銅電纜截面的1.52倍以上。

綜上所述，鋁合金電纜選型時，截面應考慮放大。當放大約1.5倍時，主要參數基本與銅電纜相當。

2.2 鋁合金電纜的優點

2.2.1 鋁資源豐富

地殼中的鋁以鋁土礦（鋁礬土）的形式存在，鋁土礦中氧化鋁的含量一般在40%以上。鋁是地殼中含量最豐富的金屬。在地殼總質量中，鋁約為8%，鐵約占5%，而銅約占0.000 1%。這說明，在作為電導體的金屬資源開發利用中，鋁比銅有絕對吸引力。

2.2.2 改良的機械性能

鋁電纜因其易蠕變、連接可靠性較低、易斷裂等固有特點而飽受詬病，國家供電的安全可靠性，對鋁電纜的應用也做了諸多限制，使得鋁電纜在電力行業中的應用很少。但在經過特殊的工藝處理后，鋁合金導體在抗蠕變、壓緊性、屈服強度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高。在國外三十幾年的使用中，安全可靠，故障率極低?？梢?，雖然鋁合金導體的含量90%以上仍是鋁，但是其含有的微量元素已經徹底改變了其大部分機械性能。

2.2.3 價格低

2013年初，銅材的價格約為45 000元/t，鋁材約為12 000元/t，鋁材的價格僅為銅材的約1/4，考慮同等電氣性能下，鋁材質量僅為銅材的1/2。

即若采用純鋁電纜，其鋁導體價格僅為銅導體價格的1/8，價格相差巨大。當然，電纜的價格并不僅由導體的價格決定，其絕緣層、保護層、加工運輸費及公司生產運營中的各種成本都對電纜的價格有影響。但金屬作為電纜中最重要的組成部分，是影響電纜價格的關鍵因素。

當前鋁合金電纜的價格比銅電纜的價格低約10%～20%，隨著鋁合金電纜的推廣，競爭的引進，鋁合金電纜的價格優勢將越來越明顯。

2.2.4 安裝、運輸成本低，工期短

與銅電纜相比，鋁合金電纜的質量僅為其1/2，在電纜運輸、現場搬運、電纜敷設時十分方便，大大減少了對工作人員的數量和配合難度的要求，從而也縮短了不少工期。隨著人力成本的不斷提高以及工程項目對工期的要求越來越緊，鋁合金電纜的出現，正好適應了這種需求。

質量的大幅減輕，同時也減少了對電纜固定支架、橋架等材料的要求，同時電纜的安裝方式也更為多樣，甚至能夠通過簡單的卡子固定在墻上明敷。

電纜的轉彎半徑是電纜敷設時特別需要注意的重要參數，GB 12706中的表3對電纜的最小轉彎半徑做出了規定，詳見表1。

表1 電纜安裝時的最小彎曲半徑

合金電纜安裝時的電纜最小彎曲半徑大于7倍電纜外徑即可，遠小于表1中的要求，盡管鋁合金電纜截面略大，外徑約為銅電纜的1.2倍左右，安裝仍更為方便。

可見，因為質量輕、轉彎半徑要求低，鋁合金電纜為安裝、運輸和工期控制帶來了極大的便利。

2.2.5 防盜

因為銅價較高，當銅電纜敷設于戶外時，極易被盜。戶外電纜被盜時，不僅造成了電纜材料的損失，意外的停電會造成更大的間接損失，該問題一直困擾著電力相關部門。

鋁合金電纜中的鋁導體回收價值較低，僅能按一般鋁材進行回收。如2.2.3分析，其價格僅為銅導體的1/8，因此其被盜的風險極低，能有效解決銅電纜被盜的問題，減少銅電纜頻繁被盜帶來的損失。

2.3 鋁合金電纜的缺點

2.3.1 載流量小

鋁是最常用來制作合金的金屬，通過添加部分微量元素，鋁的性能會得到極大的改善，原來柔軟的鋁經過加工，甚至可以應用于航空、汽車等對機械性能要求極高的領域。雖然機械性能得到提高，但在鋁中加入其它多種合金元素后，導電性能會下降。盡管通過工藝控制，可以使導電率恢復到接近純鋁的水平，但仍無法超過純鋁。

因載流量偏小，在選擇電纜時就必須增大導體截面，甚至增加電纜根數。例如1×400的銅電纜，可能就要采用1×630（或2×185）的鋁合金電纜來代替。電纜截面的增大及根數的增加，在柜、盤內等連接擁擠的地方就有可能帶來安裝的不便。此外，連接頭的增多，也會增大發生事故的概率。

2.3.2 體積較大

盡管可通過一些工業的嚴格控制，來提高壓緊系數，以減少鋁合金電纜截面的增加量，但鋁合金電纜的外徑基本仍是要大于銅電纜的1.2倍。鋁合金電纜的尺寸較大，保護管的外徑需相應增大，電纜溝、電纜隧道、電纜豎井等電纜通道在設計時也需要考慮更大的尺寸。在一些空間較為緊張的區域，會帶來布置上的麻煩。

2.3.3 耐高溫能力弱

鋁的熔融溫度為600℃，而銅可達到1 080℃。在高溫環境中使用的耐火電纜要求具有在經受750～1 000℃作用下維持通電的功能。因此，在高溫環境及耐火電纜的選擇中，不應使用鋁合金電纜。

3 鋁合金電纜的市場前景

多種規格的鋁芯電纜定型產品在我國已經生產多年，但是其市場反應一直較為冷淡。制造行業也未曾對鋁芯電纜產品加大技術投入，宣傳力度也不夠。但隨著銅價的迅猛上漲，銅與鋁的比價越來越大，2001年時，銅與鋁的價格相當，而到2013年，銅價格幾乎為鋁的4倍，而且還有繼續拉大的趨勢。近年來，鋁質電纜受到越來越多的關注。

鋁合金電纜在純鋁電纜的基礎上，經過復雜的加工工藝，性能得到了極大的改良，在北美也已經有30年以上成功的運行經驗，并且廣受好評。2007年，鋁合金電纜引人中國，也逐漸地打開國內市場。目前鋁合金電纜的推廣，主要有兩個方面的阻礙，一是人們對鋁芯電纜性能低劣的根深蒂固的觀念，包括在電力行業一線工作的設計、施工、生產運行等專家；二是目前鋁合金電纜多為進口合資品牌，價格較高，如何能引人競爭，并扶持國內企業掌握核心工藝，生產出高標準的電纜，以降低產品價格，推動鋁合金電纜行業的發展。

要改變人們對鋁芯電纜的固有想法，需要電力行業中各個領域的專家們對鋁合金電纜以客觀的態度做出評價，并適時地更新相關規范，以指導人們對鋁合金電纜的選用。例如，目前GB 50217—2007［電力工程電纜設計規范］中尚無關于鋁合金電纜的規定，設計人員在選用電纜時，沒有可用的依據，又不能將鋁電纜的標準用于鋁合金電纜，出于謹慎考慮，基本不考慮鋁合金電纜的使用，這就阻礙了鋁合金電纜的推廣。此外，若想降低鋁合金電纜的價格，需引入國外優秀的電纜企業，同時在政策上扶持國內電纜制造企業，學習先進的制造技術，帶動市場的良性競爭，降低鋁合金電纜的市場價格。

我國是世界上最大的銅消費國，國內銅資源稀缺，大量依賴進口。在這種背景下，推廣使用鋁合金電纜有其特殊的戰略意義。對于電纜制造廠自身來說，亦有大量的工作需要完成。由于鋁合金載流量低、外徑大、熔點低、種類少等缺點，無法完全取代銅電纜的市場位置，如：消防電纜目前仍不允許使用鋁合金電纜，國內無法量產10kV鋁合金電纜，鋁合金電纜種類相對較少等。電纜制造廠應在加工工藝及電纜性能的提高方面加大研發投入，同時提供更多種類的鋁合金電纜產品，以滿足市場的需求，擴大鋁芯電纜的應用范圍。

4 結 語

傳統的鋁芯電纜，因其易蠕變、易斷裂、連接可靠性低等固有特點，在電力工程的應用中非常少，僅應用在對安全可靠性要求較低且對成本要求較高的場所。鋁合金電纜是一種改良型產品，采用的是AA8000系列的合金，與鋁相比，在抗蠕變、壓緊性、屈服強度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高，且鋁合金電纜較輕，能降低安裝運輸成本、壓縮工期，可廣泛應用于電力工程中。但由于其載流量小，體積大，不耐高溫、種類較少等缺點，無法完全取代銅芯電纜在電力行業中的應用。從資源節約、可持續發展及國家戰略意義上看，我國銅消費量巨大，且銅資源短缺，大量依靠進口，采用資源豐富的鋁合金電纜逐步代替銅芯電纜是一種趨勢。

鋁合金電纜是一個歷史不長的朝陽行業，在國外已有30多年的安全運行經驗，2007年才進入我國。鋁合金電纜是否能消除人們長期以來的固有印象，在電力項目中是否能得到推廣，有賴于電力行業中各個領域及相關部門的專家對鋁合金電纜的客觀評價，并適時地根據其特點制定相關規范以引導其在電力行業中的應用。電纜制造廠也應提升自身工藝水平及產品性能，豐富鋁合金電纜種類，以擴大鋁合金電纜適用范圍，以增加其在電力行業中的競爭力。

綜上所述，目前我國電力行業鋁金屬使用比例遠低于國外平均水平，發展空間十分巨大，性能優異的鋁合金電纜必將具有廣闊的市場前景。

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