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铝合金电缆代替铜缆的分析报告

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电缆产品以“铝代铜”分析报告

 摘要:以铝代铜一直是人们争论不休的话题,能不能替代、怎么替代,中国人一直在为这个话题进行争辩。本文从铝合金电缆的发展背景,并从人们所关心的铝合金电缆的电气、机械、连接、耐腐蚀性能及使用成本与铜缆做全面比较,并结合铝合金电缆在国内外应用情况进行分析。

关键词:铝合金电缆;以铝代铜;抗蠕变性能;连接性能;耐腐蚀能力

一、背景

上世纪60年代初期,全球开始出现铜资源紧张的局面,人们开始寻求铜的替代品,其中就涉及到电缆的导体材料。由于常温下金属的导电性能依次为银、铜、金、铝、镁、铁,因此人们很自然的想到以铝代铜,因而世界各国出现以铝代铜的热潮。

早在20世纪60年代,我国也开始实行“以铝代铜”,铝芯电缆大量应用,从高压输电线到居民入户线,全部采用铝芯,《电力工程电缆设计规范》中也明确说明了宜采用以铝代铜的技术经济政策。但在长期的实际应用中发现,由于纯铝的机械强度和柔韧性差,在使用过程中会出现铝线开裂、折断,长期使用后铝线也会脆化,不利于维修。早期的住宅入户铝线截面较小,供电能力不足,不能满足用电增长的需要,居民自己新买的铜线直接与铝线拧在一起,在潮湿的空气里会发生电化学腐蚀,造成接触电阻变大,久而久之发生短路、断路等现象,再加上原来的电线电缆绝缘材料差,熔点低、火灾发生的概率增大。根据公安部消防局统计显示,电气线路引发的火灾一直比例较高,占火灾总数的15%左右。

不仅仅是在中国,同样的经历也发生在北美地区。60年代美国开发的AA1350纯铝,住宅用线采用硬态的纯铝,由于力学性能较差,在安装工艺方面,当时使用的机械连接人为控制差异很大,会出现紧固后过松或过紧,在压力作用下,长期运行后会发生不可回复的变形,即所谓的“蠕变”。蠕变产生后,原来的紧压力不够,接触点的压力减小使得接触电阻迅速增大,电流流过后造成接头处过热,如果不定期维修,就会引发断路、火灾事故。经过长达两年时间的细致研究和分析,发现问题主要出现在导体线材和连接点处。

由于以上问题的存在,导致使用纯铝材料作为电缆导体,特别是在住宅进户线,频繁的引发事故,使得纯铝在人们的印象中成为安全性能较低的电缆,又由于当时中国电力供应的紧张使得电解铝产量降低。同时,国际市场的铜供应趋于缓和,使纯铝电缆逐步淡出国内的低压配电领域,铜电缆再次被广泛使用。

但随着近年来国际铜价的飞涨,加上中国铜矿资源紧张,濒临匮乏,据中国有色金属网统计,中国铜资源储量约2600万吨,而中国每年实际用铜量约500万吨,铜电缆用量约占中国总铜消费量的70%。中国每年70%的铜精矿依靠进口,如果不依赖进口,中国铜矿资源最多可使用5年。中国是一个富铝国家,据不完全统计,中国铝资源储量约27亿吨,且中国还是一个产铝大国。因此在这样的背景下,不得不重提以铝代铜政策。

二、性能比较                                                    

多年来,国人一直期望能开发出一种导体,能继续推行以铝代铜,但始终未能从技术上取得突破,因而一直未能实现这历史性的使命。针对纯铝作为电缆导体存在的众多不足,美国和加拿大等发达国家率先在这方面做了大量的研究,于20世纪60年末开发出了铝合金导体,铝合金导体在北美地区至今已运用近40年的时间,得到美国和加拿大等发达国家广大用户的一致认可,美国90%的民用及商业建筑使用的都是铝合金电缆。为什么铝合金电缆能具有如此广阔的市场,同纯铝和铜相比具有哪些特性,本文将从铝合金导体的材料、电气性能、机械性能、连接性能及耐腐蚀性等各方面做综合分析.

1  导体材料

新型的铝合金材料在纯铝材料的基础上添加了铜、铁、镁、硅和稀土元素等

多种元素,经过特殊的工艺合成和退火处理等先进工艺,弥补了纯铝电缆的不足,提高了电缆的导电性能、弯曲性能、抗蠕变性能和耐腐蚀性能,保证电缆即使在长时间过载和过热时的连接热稳定性。

2  电气性能

铝和铜一样在导电方面是性价比高的金属,在北美地区的电缆传输中,高

压架空线电缆传输电缆100%为铝导体,中压传输99%为铝导体。在中国,中高压电力传输也还是以纯铝为主。

很多人观点认为铝导体的电阻率比铜导体的大,则用铝作为电缆的导体在传输过程中的能量损失应该比铜材料大。其实,这种观点是没有依据的。因为传输过程中的能量损失取决于导体电阻而不是电阻率。根据国家标准GB/T3956-2008《电缆的导体》,在20℃时,某一铜导体截面的直流电阻值与对应大一个或两个规格的铝(或铝合金)导体直流电阻值相当。也就是说,从传输过程中能量损失考虑,某一铜导体完全可以由对应大两个规格的铝(或铝合金)导体电缆所替代,此时铝或铝合金电缆的载流量是大于铜缆的。

由于新型的铝合金导体在进行挤塑前要进行退火工序的处理,导体经过重结晶和应力恢复处理,使得导电性能相对于纯铝有所提高,电导率能达到61.5%IACS,性能更加优于纯铝。

3.机械性能

1)柔韧性

硬态纯铝的伸长率为0.5~2.0%,而铝合金经退火工序处理后,电缆延伸率提高了30%,比传统的铜缆具有更强的柔韧性,安装时所需要的拉力比铜缆小很多。

2)弯曲性能

纯铝电缆弯曲性能很差,弯曲很容易发生断裂、折断,因而频繁引发事故。铝合金电缆的最小弯曲半径为7倍电缆外径,远远优于GB/T 12706的“电缆安装时的最小弯曲半径”中规定的10~20倍电缆外径,因而铝合金电缆在安装过程中更易弯折,有效的减少安装成本,降低事故风险。

3)抗蠕变能力

  铝合金材料中加入的铁元素,经过退火处理后起到强化作用,抗蠕变性能相比于纯铝提高了300%,因而避免了因长期受到机械力的作用而出现蠕变引起接触电阻增大导致事故的风险。

4)其他

  铝合金电缆的反弹性比铜缆的反弹性少40%,且具备无记忆效应等,比铜导体更适于安装使用。

4.连接性能

在过去的经验积累和认知中,铜铝连接一直是最为关键的问题。铜和铝(或铝合金)如果直接连接接触,因金属材质不同,存在电位差,在潮湿的空气中会发生电化学腐蚀。在电力系统中,这种腐蚀会增加接触电阻,使接头处发热,是系统安全运行的隐患。

另外,铜和铝(或合金)的膨胀系数不同,如果采用刚性连接会造成金属

疲劳,长时间使用后会造成连接处松弛,也会增加接触电阻。这是人们普遍担心的问题。

铝合金电力电缆对于终端的处理,主要依靠以下几个手段:

第一、采用铜铝过渡接线端子,此技术已非常成熟,完全解决铜铝线膨胀系数不同的问题;

第二、涂抹抗氧化剂或导电膏。当用电设备的铜触头没有镀锡,而铝端子也没用镀锡时,可以采用涂抹抗氧化剂的方法。抗氧化剂介于铜铝之间,可以有效地防止电解质的进入,从而避免了电化学腐蚀。

铝合金材料由于加入了铜、铁、镁、稀土等多种元素,大大改进了其连接性能。尤其是当导体退火时,添加的铁元素产生了高强度抗蠕变性能,即使在长时间过热时,也能保证连接稳定性。

/铝合金连接在北美通过了权威测试试验室按照长期运行(大于30年)所制定的100次冷水连接头热循环测试标准;在中国上海电缆研究所,通过了按照长期运行(大于30年)所制定的IEC1000次连接头热循环测试标准)。

5.耐腐蚀能力

腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀,从单纯的金属特性看,铝的抗腐蚀性能优于铜。铝在空气中很快形成一层厚度约为2×10-4mm的致密氧化膜,防止内部的金属被进一步腐蚀。而铜则不能形成氧化膜,所以污染物会进一步向里腐蚀。

在电缆应用中,连接点也决定了系统的耐腐蚀能力,连接点处的电化学腐蚀是由不同的电极电位、金属间的不同电阻、电解液的电导率、阴阳表面的接触面积(电流密度)和金属的极化特性等因素共同作用的结果。采用在美国应用数年的成熟的端子,解除了端子连接存在的隐患。

电位差越大,腐蚀会越严重。铝合金中加入的稀有金属,在化学性能方面,进一步提高以铝为导体的金属材料的耐腐蚀能力,减少了不同金属之间的电位差。

三、成本分析

由于铝合金的密度约为铜的1/3,导电率为61.5%IACS,所以在相同载流量下,铝合金电缆的重量比铜缆轻一半。当铝合金电缆的截面是铜缆的1.5倍时,其电气性能相同。很多人会有这种顾虑,担心铝合金电缆的截面增加到铜缆的1.5倍时,电缆外径会增加很多,因而会增加电缆的绝缘料、绕包、填充、护套材料等辅材成本,并且还担忧会增加安装成本。其实这种担忧完全是多余的,

因为采用了特殊的紧压工艺,经过逐层紧压后,导体紧压系数达到0.90,达到世界领先水平。而铜电缆经过一次紧压成型,紧压系数一般只能达到0.80,所以其外径仅比铜缆增加5%,由此可见铝合金电缆在略微增加外径的前提下,电导率就能完全达到铜电缆的导电能力,因而也不会增加多少辅材的成本。相比于铜缆,铜材的价格是铝材的3~4倍,而铜缆导体材料成本占电缆成本的约70%,因而使用铝合金电缆替代铜缆能节约近35%的成本。且相同载流量的铝合金电缆是铜缆重量的一半,因而使用铝合金电缆重量轻很多,可以免桥架成本。

四、阻燃绝缘及金属联锁铠装

  铝合金电缆自诞生以来就以其高标准而投入市场,铝合金电缆采用环保型交联聚乙烯材料,不仅使用寿命大大优于PVC绝缘,而且安全性能更加优异,再加上独特的金属联锁铠装结构,达到低烟无卤阻燃A级要求,这种电缆在燃烧时的透光率极高,达到99%,只产生微量的烟雾,从而减少对人体、仪器设备及建筑物的损害,有利于发生火灾时的及时疏散和援救。

五、结论

  通过以上分析,可以看出铝合金电缆弥补了硬态纯铝作为电缆导体的众多不足之处,解决了数年未能解决的技术难题,并具有优于铜缆的一些特性。铝合金电缆以其优越的性能在北美市场驰骋近四十年,在美国亚特兰大奥运场馆、洛杉矶国际机场、美国国家安全局等许多大型项目中成功运用。现已在中国北京、上海、四川、重庆、天津等地区的民用及工业建筑中广泛使用,如上海世博会、北京五棵松体育中心、武汉洪山供电公司等大型项目中。无论是从产品的技术指标、经济效益,还是站在国家铜资源战略储备的角度,以铝代铜在电力电缆领域是完全可行的,大量的试验数据及应用事实证明,以铝代铜的政策在如今必须重提,甚至应该大量推广,这是中国电缆发展大势所趋。

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