從1821年邁克爾·法拉弟完成電發(fā)明以來的近200年來，人們在導(dǎo)電體的選擇上費(fèi)盡心思。銅、鋁、鐵、鎳、銀以及金都被作為導(dǎo)體使用過。但是實(shí)踐證明：銅和鋁是承載電流的最合適材料，成為目前世界上電線電纜的最主要選擇。而金和銀以及銀鎳合金只被少量使用，主要應(yīng)用在集成線路板、繼電器接觸器和斷路器的觸頭和航天航空領(lǐng)域。在70年代以前，由于我國銅的儲藏量較少，加之被作為戰(zhàn)略物資，大力提倡采用鋁作為電力電線，甚至鋁芯變壓器、鋁芯電機(jī)都是當(dāng)時的主流選擇。改革開放后，我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，由于鋁芯電纜故障率高，鋁芯變壓器，鋁芯電機(jī)損耗大，效率低，出于供電的高可靠性、高質(zhì)量需求，以及節(jié)能降耗的要求，鋁芯變壓器和鋁電機(jī)已經(jīng)被淘汰。目前鋁芯線纜更多應(yīng)用于架空線路。隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市配電網(wǎng)作為城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，電力電纜的需求量越來越大，銅芯電纜應(yīng)用量迅速增加，我國銅材料使用量已經(jīng)占到線纜行業(yè)的90%以上。電力電纜在電網(wǎng)建設(shè)的成本中所占比重顯著提高，鋁芯電纜相對銅芯電纜價格低，重量輕，適合一些特定的場合應(yīng)用，如用于大跨度的建筑，可減輕對建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。目前我國電解鋁產(chǎn)能過剩，鋁合金線纜在機(jī)械特性方面較純鋁芯電纜有所改善，采用鋁合金電纜的呼聲再次升高。本文僅針對銅芯與鋁合金電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能在工程應(yīng)用中的差異進(jìn)行分析對比，提出鋁合金電纜在電網(wǎng)應(yīng)用需要考慮的問題，有關(guān)鋁合金電纜的機(jī)械特性不在此文中進(jìn)行描述和分析。

　　電力電纜在中壓電網(wǎng)中的應(yīng)用情況

　　截至2014年底，國家公司6-20千伏配電線路電纜約40萬公里，電纜化率為12.6%;其中城市配網(wǎng)電纜27萬公里，電纜化率為47.1%，同比增加4.1%;縣域配電網(wǎng)電纜12萬公里，電纜化率為4.8%。電纜敷設(shè)方式主要有直埋、電纜溝、排管、隧道、橋梁、水底敷設(shè)等。電纜通道中排管敷設(shè)占46.4%;直埋敷設(shè)占26.3%;電纜溝敷設(shè)占14.6%;隧道敷設(shè)占8.3%;橋梁等其它方式敷設(shè)占4.4%。在運(yùn)的電纜中以銅芯電纜為主，鋁芯電纜所占比例較低不足5%,。其中國網(wǎng)浙江公司相對鋁芯電纜所占比例相對大些，浙江電網(wǎng)所轄10kV~35kV電纜45684km，鋁芯電纜3649km，鋁芯電纜占該電壓等級電纜的7.989%。浙江電網(wǎng)在運(yùn)的鋁芯電纜，大多數(shù)從2009年下半年以后投運(yùn)，根據(jù)三年左右的運(yùn)行記錄，共發(fā)生鋁芯電纜故障停運(yùn)29次。故障主要發(fā)生在電纜附件，尤其是中間接頭共發(fā)生19次，占故障的65.52%，中間接頭故障除1次外力破壞外，其余18次均為接頭擊穿;其他分別為電纜終端、外力破壞、施工原因等，鋁芯電纜故障以500mm2電纜故障情況尤為突出，共發(fā)生18次，占總統(tǒng)計(jì)故障的62.07%，其中有14次為電纜中間接頭絕緣擊穿或爆炸，占電纜中間接頭故障的78.8%。據(jù)了解目前對大截面鋁芯電纜的中間接頭施工工藝還未完全解決可靠、穩(wěn)定、成熟的現(xiàn)場壓接技術(shù)問題。

　　交聯(lián)聚乙烯銅芯、鋁合金電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能的對比分析

　　鋁合金與銅相比，在同等截面等長度的情況下，電導(dǎo)率是銅的61.8%，載流量約為銅的78%，銅比重為8.9克/厘米?，鋁比重為2.7克/厘米?，同樣截面積電纜，鋁合金電纜重量僅有銅芯電纜的一半多。由于鋁合金電纜重量輕特點(diǎn)，特別適合用于大跨度的建筑，如體育場館、會展中心等建筑物的電纜敷設(shè)，采用鋁合金電纜可減輕對建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。另外，采用鋁合金電纜對高層建筑來可以降低垂直敷設(shè)電纜的難度和工作量，節(jié)省人工成本，同時也減少了由于電纜施工中可能造成本體損傷的風(fēng)險。由于鋁的熔點(diǎn)是660℃，因此火災(zāi)發(fā)生時需要連續(xù)供電的消防線路不得選用鋁合金電纜。

　　國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC287-3-2/1995提出了電纜尺寸選擇以導(dǎo)體截面經(jīng)濟(jì)性最佳的觀點(diǎn)：電纜導(dǎo)體截面的選擇，不僅要考慮電纜線路的初始成本，而且要同時考慮電纜在壽命期間的電能損耗成本，因此要從經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇電纜截面。根據(jù)電纜截面的規(guī)格分布，將鋁合金電纜的截面增加1.5倍左右，載流量與電壓降等電氣參數(shù)與銅相當(dāng)。銅纜與鋁合金電纜的安培.公里電壓降比值和截面比見表1。

　　表1 銅纜與鋁合金纜的能耗比

　　在相近能耗下，鋁合金芯電纜的截面要比銅芯電纜的截面大兩個規(guī)格，也就是說，鋁合金電纜大于銅芯電纜兩個規(guī)格才可以達(dá)到相近的載流量。增大導(dǎo)線截面積對電纜敷設(shè)、電纜通道的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣性能都帶來了影響。

　　1、采用鋁合金電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸的影響

　　按照配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則要求，配電網(wǎng)電纜主干線截面積宜綜合飽和負(fù)荷狀況，線路全壽命周期一次選定。 10kV主干線的電纜截面積銅芯一般為240mm2～400mm2，如果選擇鋁合金芯電纜則要選擇400mm2～630mm2。10kV分支線的電纜截面積銅芯為150mm2～240mm2,如果選擇鋁芯電纜則為240mm2～400mm2，電纜截面積增大在電纜敷設(shè)帶來一些問題。采用大樣截面用三芯電纜其重量，和彎曲半徑也隨之增加很多，受場地環(huán)境，施工敷設(shè)方法，人工，機(jī)械的限制，給運(yùn)輸和施工帶來許多困難，也增加了許多工作量。因此，目前10kV三芯電纜選用的最大截面是400mm2，大于400mm2一般選用兩根240 mm2的三芯電纜。

　　電纜敷設(shè)的通道資源也是主要的電纜建設(shè)和運(yùn)行成本之一。城市電網(wǎng)中近一半電纜是排管敷設(shè)，選用鋁合金電纜在排管敷設(shè)時，則排管孔徑比選用銅芯電纜的孔徑大一到兩個規(guī)格或采用兩個管孔，這樣選用鋁合金電纜增加了排管的建設(shè)和運(yùn)行成本。對其它敷設(shè)方式增加截面后同樣也會增加占地，增加了建設(shè)和運(yùn)行成本。

　　電力電纜在敷設(shè)安裝時。在各彎曲處產(chǎn)生不同方向的拉伸力，并產(chǎn)生導(dǎo)致電纜損壞的動態(tài)壓力，而且電纜在敷設(shè)安裝牽引時所產(chǎn)生的動態(tài)壓力比電纜靜止時大的多，所以在各種情況下，電纜的彎曲半徑應(yīng)盡量大些。電纜最小彎曲半徑計(jì)算公式為：

　　R=FD;

　　式中：R——電纜彎曲半徑， mm;

　　D——電纜外徑，mm;

　　F——電纜最小彎曲半徑系數(shù)。

　　由于電纜截面積的增大電纜外徑增加，電纜彎曲半徑也隨之增加，勢必增加電纜的轉(zhuǎn)角井和入口井的占地面積，同樣也增加了電纜通道的建設(shè)和運(yùn)維成本。10kV三芯交聯(lián)電纜外徑和最小彎曲半徑見表2。

　　表2 8.7/15kV交聯(lián)聚乙烯電纜近似外徑和最小彎曲半徑

　　2、采用鋁合金電力電纜電氣特性的影響

　　(1)系統(tǒng)短路時電纜的允許溫度和熱穩(wěn)定性

　　電纜的選擇還要考慮正常和短路時電纜最高允許溫度，銅芯和鋁芯電纜線路在系統(tǒng)正常和短路時電纜導(dǎo)體最高允許溫度見表3。鋁合金電纜在短路時最高允許溫度低于銅芯電纜，在選擇時需要考慮。

　　表3 電纜線路在系統(tǒng)正常和短路時電纜導(dǎo)體最高允許溫度

　　電纜的選擇除應(yīng)按照允許溫度確定允許電流外，還應(yīng)驗(yàn)算在短路情況下的熱穩(wěn)定性。當(dāng)熱穩(wěn)定不足時，增大電纜截面直到適合為止。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50217-2007，按短路熱穩(wěn)定條件計(jì)算電纜導(dǎo)體允許最小截面的公式如下：

　　計(jì)算(本文略去計(jì)算過程)，可得銅電纜熱穩(wěn)定系數(shù)C銅=137，鋁合金電纜熱穩(wěn)定系數(shù)C鋁合金=90，在通過相同的短路電流，并且短路持續(xù)時間相等的情況下，鋁合金電纜的截面必須為銅電纜截面的1.52倍及以上才可以滿足熱穩(wěn)定的要求。另外，鋁合金電纜短路時熱穩(wěn)定系數(shù)低于銅芯導(dǎo)線，在選用鋁合金電纜時一定要進(jìn)行熱穩(wěn)定校核，確保其滿足熱穩(wěn)定的要求。

　　(2)多根電纜并列的影響

　　多根電纜并列敷設(shè)時運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量相對單根更難發(fā)散，載流量較單根要小些。并列敷設(shè)的越多則允許載流量就越小。由下表可以看出電纜并列敷設(shè)時間距最好大于300cm(電纜直徑5倍以上)來保證電纜散熱和故障時減少對其他電纜的影響。多根電力電纜敷設(shè)在電纜溝道中或直埋在土壤中其載流量的計(jì)算公式如下：

　　KIN≥Ig

　　式中Ig——計(jì)算工作電流;

　　IN——電纜在標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)條件下的額定電流;

　　K—— 不同敷設(shè)條件下綜合校正系數(shù)，空氣中單根敷設(shè)時：K=Kt;在土壤中單根敷設(shè)：K=Kt·Kg;在土壤中多根敷設(shè)：K=Kt·Kg·K2;在電纜通道中單層多根敷設(shè)時：K=Kt·K2·k2;在電纜通道中多層多根并列敷設(shè)時：K=Kt·K2·k3;

　　Kt ——環(huán)境溫度校正系數(shù);

　　Kg ——直埋電纜因土壤熱阻不同的校正系數(shù)。

　　表4 電纜直埋時并列載流量修正系數(shù)Kg

　　表5 空氣中單層多根電纜并列敷設(shè)時電纜載流量校正系數(shù)K2

　　注：S為電纜中心間距離，d為電纜外徑。

　　表6 電纜橋架上無間隔配置多層并列電纜載流量的校正系數(shù)K3

　　注：呈水平狀并列電纜小于7根。

　　在同樣的環(huán)境溫度和土壤熱阻條件下，如果選用鋁合金電纜，由于增大截面積后電纜之間凈距就減少了.如240mm2的銅芯電纜其外徑是83mm，選用400mm2鋁合金電纜外徑為95mm，電纜之間凈距縮小了21mm，近縮小了20%，相應(yīng)的校正系數(shù)也降低。如400mm2的銅芯電纜，需選用兩條185mm2的鋁合金電纜，這樣增加了并列直埋電纜的根數(shù)，校正系數(shù)隨之降低。由于采用鋁合金電纜增大了電纜外徑，會出現(xiàn)線間距離減少，電纜數(shù)量增加的情況，這樣會降低校正系數(shù)，也就是降低電纜載流量，為滿足工作電流要求，可能還需要選擇更大截面的導(dǎo)線。所以選用鋁合金電纜還要考慮增大了截面降低了電纜間距離，而降低允許通流量的問題。

　　(3)電纜電容電流的影響

　　;;電纜的電容電流隨著電纜截面的增大而增加，選用鋁合金電纜后電纜后電纜截面積增加兩個規(guī)格，電纜的電容值也隨之增加。我國大部分地區(qū)還是以消弧線圈補(bǔ)償為主，消弧線圈容量的確定，取決于電網(wǎng)中電容電流的大小，電網(wǎng)中電容電流的確定主要采用實(shí)測和理論估算兩種方式，對于已經(jīng)運(yùn)行的電網(wǎng)還可以采用電容電流測量的方式測量，但在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段，由于電網(wǎng)尚未形成，需要用理論方法進(jìn)行估算。10kV交聯(lián)聚乙烯電纜每公里電容量和電容電流見表5。

　　表7 8.7/10kV 交聯(lián)聚乙烯電纜每公里電容量和電容電流

　　在10kV采用240mm2銅電纜電容電流為1.96A/km，采用400mm2鋁合金電纜時，電容電流為2.41A/km，采用鋁合金電纜后電容電流增加 123%。電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定：3kV～66kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不超過10A時，應(yīng)采用不接地方式;當(dāng)超過10A又需在接地故障條件下運(yùn)行時，應(yīng)采用消弧線圈接地方式;6kV～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地方式。在中壓電網(wǎng)系統(tǒng)大多數(shù)是采用消弧線圈接地方式，當(dāng)選用鋁合金電纜時會導(dǎo)致消弧線圈容量增加，相應(yīng)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本也在增加。國內(nèi)北京、上海、天津、廣州和深圳采用低電阻接地方式，低電阻接地方式對接地電流有限制值，當(dāng)接地電容電流增大后也需要校核接地電流。

　　結(jié)語

　　在滿足載流量和能量損耗的的前提下，鋁合金電纜的直接成本即電纜本本體的成本比銅纜低，由于鋁合金電纜的重量較銅芯電纜輕，鋁合金電纜更適合用于大跨度的建筑，可以大大減輕對建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，節(jié)約鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。另外，對高層建筑可以降低垂直敷設(shè)電纜的難度和工作量。在一些低壓配電系統(tǒng)中的電纜通道資源寬裕，沒有多條電纜并行敷設(shè)的場所可采用鋁合金電力電纜。

　　但是隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展，負(fù)荷密度越來越高，電纜通道中敷設(shè)的電纜數(shù)量密度也隨之增加。對于電纜通道資源緊缺，短路電流大的場合在選用鋁合金電纜時就不能只考慮鋁合金電纜的的直接成本還有考慮綜合成本，如選用鋁合金電纜增加了電纜通道的尺寸，過密敷設(shè)使得通流量隨著電纜間距減小而降低，電容電流增加需要增加消弧線圈容量等建設(shè)和運(yùn)行成本。另外，鋁合金電纜的最高允許短路溫度以及熱穩(wěn)定系數(shù)低于銅芯電纜，在設(shè)計(jì)時應(yīng)該進(jìn)熱穩(wěn)定校核，以保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

　　作者：侯義明(1951--)，男，中國電力科學(xué)研究院，教授級工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化。