“各司其職,共同發展” 話說電纜的以鋁代銅(圖表)

發布時間:2016-09-30 09:16    來源:機經網
 

關鍵詞:電纜 鋁合金電纜 導體 銅 鋁 鋁合金 銅鋁資源 損耗

摘要:文章回顧了我國電纜導體的演變歷程,以科普講座形式分析銅、鋁和鋁合金電纜損耗差不容小覷,討論了如何正確選擇。鋁和鋁合金電纜有它的用武之地,但不是“替代”銅電纜。三者應各司其職,共同發展。

  什么是“以鋁代銅”?

  顧名思義是原來用銅,現在用鋁代替銅。我國從上一世紀五十年代始,由于朝鮮戰爭開打,因銅是重要的戰略物資而遭資本主義國家的禁運。國人還記得響應號召將家里的銅器捐獻給國家的愛國熱情。以鋁代銅是全方位的,生活中銅的水壺、洗臉盆、痰盂、銅暖鍋等等,全部不再有了,生活的方方面面凡是能用鋁的統統用鋁代替。在電工領域“以鋁代銅”也作為一項技術政策頒布實施。凡是能用鋁的不再用銅。用鋁電線、鋁電纜代替銅電線、銅電纜,用鋁排代替銅排。在一些對安全和可靠性不太嚴格的場所,都用鋁導體了。一來是形勢所迫,二來是矯枉過正,在一些本來應該關注安全的場所,也只能將就。這就是“以鋁代銅”,這個過程一直延續到改革開放,根深蒂固影響了一代人。

  后“以鋁代銅”時期

  改革開放以來,國際銅材料大量進口,人們不再為缺銅發愁。大家都知道銅的導電性能和機械性能都優于鋁,如20℃的直流電阻率,鋁比銅大1.64倍,人們反思——干嘛不用銅導體?于是從一個極端走到另一個極端,東南部經濟較發達地區,重新回到從前,電線、電纜不再使用鋁導體。

  重提“以鋁節銅”

  前幾年銅價飆漲,導致電線、電纜價格節節攀升,一定程度影響到電氣工程的投資。于是根深蒂固的印象重新泛起,但改頭換面提出“以鋁節銅”,其實質是一樣的。主要理由是我國銅資源貧乏而鋁資源豐富。其次,鋁較輕,比重約為銅的三分之一,因此可以放大截面,使鋁電纜電阻小于銅電纜。還有鋁電纜價格低。

  那么現在這樣提是否恰當呢?國務院發展研究中心經過全國范圍調研,提出報告認為并不恰當、是誤導,并針對性做了回答。第一,我國銅、鋁礦產資源稀缺,未來10~15年面臨缺銅少鋁,銅礦資源可開采19年而鋁礦只能開采7年。銅和鋁同樣大量進口。所以,口號并不符合國情。

  銅鋁損耗哪個大?

  銅導體20℃的直流電阻1.72×10ˉ6 Ω·cm,鋁或鋁合金 2.82×10ˉ6 Ω·cm,大約是銅的1.64倍。因為使用在交流系統,電纜通電后溫度大約在70℃左右,所以要用70℃交流電阻來作比較。工程上銅、鋁纜不能等截面直接比較,因為銅電纜通電能力(也稱載流量),大約是鋁的1.39倍,對于同樣大小的電流,鋁電纜截面要選擇大一點,也就是實際電阻比要小一點。比較合理的是以銅、鋁電纜相同(或相當)的通電能力為條件作對比。從下表1可見當銅電纜截面95 mm2及以下時,鋁電纜要放大一級截面;當大于95 mm2時要放大兩級截面,這時候再來比較二者的電阻值,見表2.

表1 銅、鋁或鋁合金電纜載流量(A)

截面 mm2

銅纜載流量

鋁纜載流量

截面 mm2

銅纜載流量

鋁纜載流量

10

,75

-

95

298

227

16

100

77

120

346

263

25

127

97

150

436

304

35

158

120

185

498

347

50

192

146

240

588

409

70

246

187

300

678

471

  注:1. 表中數據是交聯聚乙烯電纜,導體允許溫度90 ℃,環境溫度30℃。

    2. 敷設方式為E,即在能夠自由流動的空氣中。

表2  電纜導體電阻值 Ω/km

截面mm2

鋁或鋁合金

R20

R70

R70j

R20

R70

R70j

16

1.150

1.376

1.376

1.910

2.291

2.291

25

0.727

0.870

0.870

1.20

1.44

1.44

35

0.524

0.627

0.627

0.868

1.043

1.043

50

0.387

0.458

0.458

0.641

0.770

0.770

70

0.268

0.321

0.321

0.443

0.532

0.532

95

0.193

0.231

0.231

0.320

0.384

0.384

120

0.153

0.183

0.183

0.253

0.304

0.304

150

0.124

0.148

0.148

0.206

0.248

0.248

185

0.099

0.119

0.119

0.164

0.197

0.197

240

0.0754

0.0902

0.0902

0.125

0.150

0.150

300

0.0601

0.0719

0.0723

0.100

0.120

0.120

400

0.0470

0.0562

0.0586

0.078

0.0937

0.0937

500

0.0366

0.0438

0.0477

0.0605

0.0727

0.0732

  注:R20R70 -分別為20℃和 70℃的直流電阻-R70j- 70℃的交流電阻。

  舉例說明:

  例1:負荷電流380A,銅電纜選150mm2,鋁或鋁合金電纜則選240 mm2

  根據表2,銅、鋁或鋁合金電纜的R70j分別為0.148和0.150Ω/km。

  例2:若負荷電流140A,銅電纜選擇35 mm2,按載流量相當條件,鋁或鋁合金電纜應該選擇50 mm2,此時銅電纜電阻0.6274Ω,鋁電纜0.770Ω。

  從表2可見例2是銅、鋁電阻最接近的一對;還可以看出銅、鋁電纜無論怎樣替代,鋁或鋁合金電纜的電阻總是略大于銅電纜,也就是鋁或鋁合金電纜損耗值大一些。

  電阻差異不容小覷

  進一步量化以上兩個例子的損耗值。首先要確定例1、例2各自統一的運行方式,見表3,電纜壽命為30年。

表3  案例負荷運行方式

  

  班次

  最大負荷損耗小時ζ(h)

  例1

  3

  4500

  例2

  2

  2400

  根據導體損耗計算方法,結果如表4.

表4  案例每km電纜損耗計算結果

項目

  銅

  鋁或鋁合金

差值

折合標煤(t)

  例1

功率損耗 (kW)

64.11

64.98

  年能耗 (kWh)

288495

292410

壽命期能耗(kWh)

8654850

8772300

117450

41

  例2

  功率損耗(kW)

36.9

45.3

年能耗(kWh)

88482

108662

壽命期能耗(kWh)

2654467

3259872

605405

212

  如果取平均電價1元/kWh,那么例1在電纜壽命終止前早就將銅電纜多于鋁合金電纜的投資因損耗低而省回來了。而例2更是早就將電纜的全部投資省回來了。相應折成標準煤41噸和212噸,對減少碳排放也有益。

  銅包鋁母線和鋁合金電纜的損耗小于銅的說法由來

  上面已經分析了銅鋁損耗之比其實是電阻比,那么將鋁母線或鋁電纜截面再放大,比如將鋁電纜截面比銅放大三級,鋁或鋁合金及銅包鋁的電阻和損耗就比銅小了。的確這樣可以使鋁電纜損耗比銅電纜低,但是工程上往往不允許這樣做。首先技術層面,加大截面后占用敷設通道多,城市電網對此特別敏感,浙江電網就有因通道不夠將鋁電纜改為銅電纜的案例。對工業與民用建筑,也會遇到類似問題。其次,經濟上也未必可取,采用鋁或鋁合金電纜主要理由是節約投資。優質鋁合金電纜造價僅比銅省20%~30%,如果再放大截面將無利可圖,何必再犧牲可靠性而采用鋁或鋁合金電纜呢!所以我們以載流量相當作對比,相對比較合理。節能銅包鋁母線也是用加大截面來與銅母線比較。技術人員通常不會這樣做,而往往是商家的過度宣傳。

  可靠性

  很多資料都表明,鋁或鋁合金電纜應使用在對可靠性不太強調的場合,的確,由于鋁的脆性使接頭容易斷裂,還由于蠕變特性,使接頭的可靠性降低。所謂蠕變就是在接頭溫度超過70℃和螺栓壓緊的壓力下,隨時間而增長的熱塑變形。它是電線電纜接頭可靠性降低、甚至損壞的主要原因。鋁合金較電工鋁有較大改進,但與銅相比,銅仍然略勝一籌。

  正確把握銅、鋁和鋁合金電纜應用

  事物總存在兩面性,由于鋁導體電線電纜的價格較低、重量輕,可大大減輕了施工勞動強度而受到歡迎,從北美引進了鋁合金導體電纜技術,近年鋁合金電纜在中國大地蓬勃發展也說明這一點。

  鋁和鋁合金電纜有它的用武之地,但不是“替代”銅電纜。三者應各司其職,共同發展。

(責編:)

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