低壓電力電纜選型研究與經濟性分析

徐文彬

上海電氣電站環保工程有限公司 上海 201612

1 研究背景

在整個電力系統中,電力電纜作為連接發電機、變壓器、配電裝置、終端負載等設備的重要電氣元件,是電能傳輸、分配的主要載體,直接影響電氣系統的安全性、可靠性及經濟性。

在一般工業與民用建筑工程中,大部分終端用電設備都采用380 V電壓等級,低壓電力電纜的用量較大,電力電纜投資占工程總投資的比例達到3%左右。

筆者結合從業經驗,從不同行業、多個角度對1 kV及以下低壓電力電纜的選型進行研究,并進行經濟性分析,為工程項目提供參考。

2 低壓電力電纜結構

低壓電力電纜在結構上大致可分為導體、絕緣層、屏蔽層、護套層。根據不同的整體性能和使用條件,低壓電力電纜的結構也各有不同。在需要承受較大壓力或面臨機械損傷風險時,低壓電力電纜結構還應當包括鎧裝層。

三芯聚氯乙烯絕緣內鋼帶鎧裝電纜的結構如圖1所示。

圖1 三芯聚氯乙烯絕緣內鋼帶鎧裝電纜結構

3 低壓電力電纜型號

低壓電力電纜型號以字母和數字組合表示。其中,字母表示低壓電力電纜的產品系列、導體、絕緣、護套、特征及派生代號,數字表示外護層。完整的低壓電力電纜型號還應包括額定電壓、線芯數、標稱截面積等,即低壓電力電纜型號是產品系列、導體、絕緣、護套、特征、外護層的組合表示。

目前工程中比較常用的低壓電力電纜產品系列有阻燃型(ZR)、耐火型(NH)、低煙無鹵阻燃型(WDZ)、低煙無鹵耐火型(WDZN)等,導體材料有鋁、銅、鋁合金,絕緣層材料多采用聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、交聯聚乙烯(XLPE)、乙丙橡膠(EPR),護套材料常選用聚氯乙烯、聚乙烯、低煙無鹵烯烴等。

4 低壓電力電纜技術特點

1 kV及以下低壓電力電纜選型的主要依據是電纜載流量、回路電壓降、截面熱穩定性[1]。此外,還需要考慮機械強度、敷設環境、電流經濟密度等。

4.1 導體材料

在常用的低壓電力電纜導體材料中,銅的電導率最大,因此銅芯低壓電力電纜相比鋁制低壓電力電纜有更小的線路損耗,更節省運行成本。在空氣環境溫度為40 ℃,土壤環境溫度為25 ℃,熱阻系數為2(℃·m)/W時,不同導體材料1 kV交聯聚乙烯絕緣電纜載流量比較見表1。銅芯低壓電力電纜的載流量比其它類型低壓電力電纜要高出一兩個截面等級,在工程中可以有效減小電纜外徑,降低電纜通道的填充率,并降低電纜通道的造價。銅芯低壓電力電纜還具有機械強度高、易于進行加工等特點。另外,電氣設備的接線端子多為銅質,相同材質間進行連接,可靠性較高,不會出現電化學腐蝕、膨脹系數不同等問題。

表1 1 kV交聯聚乙烯絕緣電纜載流量

由于銅價持續高企,目前鋁合金低壓電力電纜在發達國家擁有了一定的市場占有率。鋁合金導體在純鋁材料的基礎上添加了銅、鐵、鎂、硅等元素,經過特殊的工藝合成和退火處理,提高了低壓電力電纜的彎曲性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能[2]。鋁合金質量輕，載荷小,可降低對電纜通道支吊架的技術要求,在抗震設計方面有得天獨厚的優勢,在大亞灣、秦山二期核電機組中有廣泛應用。

4.2 絕緣材料

聚氯乙烯以聚氯乙烯樹脂為主要原料,加入適量配合劑、增塑劑、穩定劑、填充劑、著色劑等,經混合塑化而制成。聚氯乙烯的優點是制造工藝簡便、機械強度高、耐油、耐酸堿腐蝕、工藝性能較好,缺點是耐熱性能差、絕緣電阻率較小、介質損耗較大。

聚乙烯具有優良的電氣性能,介電常數小,介質損耗小,加工方便,缺點是耐熱性差、機械強度低、耐電暈性能差[3]。

交聯聚乙烯是聚乙烯經過交聯反應后的產物。線形結構的聚乙烯通過加工變為網狀結構的交聯聚乙烯,不僅保留了聚乙烯的優點,而且改善了耐熱性能和機械強度。交聯聚乙烯低壓電力電纜質量輕,外徑小,適用于水下敷設。

乙丙橡膠是一種合成橡膠,由乙烯、丙烯和少量第三單體共聚而成,具有良好的電氣性能、耐熱性能、耐臭氧性能和耐氣候性能。乙丙橡膠低壓電力電纜柔軟性好,適用于敷設彎曲半徑很小的場合。

各種絕緣材料低壓電力電纜的運行溫度比較見表2。

表2 各種絕緣材料低壓電力電纜運行溫度

三門一期核電工程采用了先進的第三代核電技術AP1000堆型,選用乙丙橡膠和交聯聚乙烯作為低壓電力電纜的絕緣材料,分別用于嚴酷環境與緩和環境[4]。絕緣材料的絕緣電阻常數在90 ℃時不小于3.67 MΩ·km,在浸水條件下,經受2.4 kV工頻電壓4 h不發生擊穿,耐壓性能優秀。在絕緣老化前,交聯聚乙烯的抗拉強度達到12.5 N/mm2,斷裂伸長率達到200%。經135 ℃、持續10 d老化后,抗拉強度、斷裂伸長率的變化率小于25%。乙丙橡膠的國際橡膠硬度(IRHD)不低于80,在150%伸長率下的抗拉強度不小于4.5 N/mm2。在水溫85 ℃、持續時間14 d的條件下,乙丙橡膠的質量增值不大于5 mg/cm2,交聯聚乙烯的質量增量不大于1 mg/cm2[5]。

綜合上述內容可見,交聯聚乙烯及乙丙橡膠作為絕緣材料,具有耐熱、耐潮濕、耐水淹、耐輻照等優點,較另外兩種絕緣材料更具技術優勢,能保證核島在極端情況下的供電可靠性,為整個核電站的縱深防御和安全運行帶來重要保障。

4.3 護套材料

護套能夠保護低壓電力電纜在敷設、運行過程中免受機械損傷和各種環境因素帶來的破壞,直接影響低壓電力電纜的使用壽命。低壓電力電纜目前主要采用聚氯乙烯、聚乙烯和低煙無鹵聚烯烴作為護套材料。出于對公共場所公眾安全的考慮,在大型民用公共建筑中,護套材料通常采用低壓無鹵聚烯烴[6],火災時產生的氣體無鹵無毒。在淮安市國際會展中心項目中,采用了低煙無鹵阻燃型低壓電力電纜,其護套性能優良。在材料燃燒時,釋放的氣體折合氯化氫,含量小于5 mg/g,逸出氣體的酸堿值不小于4.3,電導率不大于10μs/mm,煙霧透光率大于60%,毒性指數不大于5,20 ℃和80 ℃時氧指數之差絕對值不大于2。在200 ℃,機械拉力為20 N/cm2,持續時間為15 min的條件下,護套材料的延伸率小于175%,冷卻后永久延伸率小于15%。在臭氧濃度為0.025%～0.030%,持續時間為30 h的條件下,護套無裂痕。在-15 ℃的條件下持續16 h后,電纜護套無裂紋。

低煙無鹵低壓電力電纜在明火燃燒時,產生極少量煙霧,釋放氣體無鹵無毒[7],對人體更加安全,但價格較高,可根據工程的實際情況靈活選擇。

5 低壓電力電纜經濟性分析

筆者結合某大型火電廠環保項目對低壓電力電纜的經濟性進行分析。低壓電力電纜的價格在很大程度上受制于原材料價格,其中主要包括導體材料銅、鋁,以及絕緣和護套材料聚乙烯、聚氯乙烯等。上海期貨交易所銅、鋁價格如圖2所示,大連商品交易所聚乙烯、聚氯乙烯價格如圖3所示。

在大型火力發電廠內,由于人員密集程度遠低于公共場所,因此出于經濟性考慮,護套不采用低煙無鹵材料,主要選用聚乙烯和聚氯乙烯作為護套材料。至2019年末,兩者的價格已經非常接近,再加上護套、絕緣材料占低壓電力電纜價格的比例相對較低,因此兩種材料的經濟性已沒有明顯差異。

銅價與鋁價大體同漲同跌,但銅價波動性大,差價大,近年來的價格區間為3.5萬元/t～6萬元/t。考慮到鋁芯低壓電力電纜的技術性能與銅芯低壓電力電纜相比差距很大,并且鋁合金電纜已在核島項目中有使用業績,運行情況良好,因此筆者主要對銅芯低壓電力電纜和鋁合金低壓電力電纜的經濟性進行分析[8-10]。

圖2 銅、鋁價格

圖3 聚乙烯、聚氯乙烯價格

某大型火電廠環保項目銅芯低壓電力電纜價格統計見表3。

由表3可知,整個項目銅芯低壓電力電纜的總投資為482萬元。

若在技術條件相同的情況下,改用鋁合金低壓電力電纜,需要對截面積70 mm2及以下的銅芯電纜提高一個截面等級,對截面積95 mm2及以上的銅芯低壓電力電纜提高兩個截面等級來選型。2013年初銅價為6萬元/t時,鋁合金低壓電力電纜的價格為低于其一個截面等級的銅芯低壓電力電纜價格的60%～70%。該項目的電纜采購階段,銅價為4.5萬元/t,采用鋁合金低壓電力電纜,總投資比銅芯低壓電力電纜降低5%～8%。若再綜合銅鋁過渡所需特殊的電纜終端頭和運行過程中的線路損耗等因素,兩者的經濟性差距小于3%,對總投資的影響小于0.1%。

表3 某大型火電廠環保項目銅芯低壓電力電纜價格統計

根據電纜制造廠提供的價格數據,分別得到該大型火電廠環保項目銅芯低壓電力電纜總投資與銅價關系及鋁合金低壓電力電纜總投資與鋁價關系,如圖4、圖5所示。對數據和曲線進一步處理,按銅價等于鋁價的三倍進行換算,可以得到鋁合金低壓電力電纜總投資與銅價的關系曲線,進而對兩種低壓電力電纜進行經濟性比較,如圖6所示。由于鋁價波動小于銅價,在兩種材料價格同時走高時,兩種低壓電力電纜的價格差距會出現放大效應。由圖6可知,當銅價高于5萬元/t時,鋁合金低壓電力電纜的價格優勢逐漸體現出來;當銅價低于5萬元/t時,兩者的經濟性相當。

圖4 銅芯低壓電力電纜總投資與銅價關系

圖5 鋁合金低壓電力電纜總投資與鋁價關系

圖6 低壓電力電纜經濟性比較

銅芯低壓電力電纜目前在國內市場份額很高,鋁合金低壓電力電纜則在歐美國家擁有一定的市場占有率。這是由于歐美國家圖紙設計深度細分,項目的成本控制較為精確,鋁合金低壓電力電纜在經濟性上有優勢。鋁合金低壓電力電纜在國內市場的份額低,在經濟性上的優勢未能得到充分體現。

6 結束語

筆者對低壓電力電纜進行了選型研究和經濟性分析。從技術性能來看,銅和鋁合金作為低壓電力電纜的導體材料,均具有較高的可靠性;交聯聚乙烯和乙丙橡膠作為絕緣材料,有更好的電氣性能、耐熱性能和機械性能;護套材料建議結合實際工程選用,在公共場所應選用低煙無鹵材料。在經濟性方面,導體材料占整個電纜總投資的比例高。當銅價大幅走高時,鋁合金低壓電力電纜具有較高的性價比。