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【头条】电缆材料选择决定电网中压系统安全性

电缆网2018-12-04 15:16:24


目前我国城市电网中压系统一般指6-10千伏系统,部分地区有20千伏系统。中压系统从高压输电系统经降压接收电力,直接送往中压用户,或再降压后至低压系统,由低压系统送往低压用户。所以,中压系统是连接高压输电系统和千万用户重要的桥梁。就像人体内送往大脑和四肢的毛细血管,一旦堵塞,人体就会瘫痪。一个人要有健康的身体,必须保证血管畅通。一个城市电网要正常运转,必须保证各级电压线路畅通,而中压系统在电网中占比庞大,且直接与用户相连,故其安全可靠显得尤为重要。那么,铝合金电缆是否适合我国电网中压系统呢?

通过下文对铜、铝、铝合金的各项指标的比对,我们或许可以得出结果:

一、铜、铝、铝合金导体各种性能指标

1.铜的各种性能指标


参数名称

参数数值

备注

原子特性

原子序数

29


原子量

63.546


物理特性

密度

8.96g/cc

20℃时

密度

7.94g/cc

熔点时

电负性

1.90

鲍林标度

电极电位

-0.520V

一价时

电极电位

-0.340V

二价时

电化当量

1.185g/A/h

二价时

电化当量

2.38g/A/h

一价时

机械性能

维氏硬度

49-87

Vickers

极限抗张强度

224-314PMa


屈服抗张强度

54-270PMa


断裂伸长率

14%


弹性模量

110GPa


体积模量

140GPa

体积压缩性

泊松比

0.343


剪切模量

46.0GPa

剪切弹性系数

电学特性

电阻率

0.00000169ohm-cm

20℃时

电阻温度系数

0.0043 K-¹

0-100℃时

热学特性

熔点

1083 ℃


比热

0.385J/g-℃

25 ℃时

熔化热

205J/g


线性热膨胀系数

17.0 10-6/℃

0-100 ℃时

线性热膨胀系数

18.5 10-6/℃

250℃时

热导率

401 W/m-k

0-100℃时

2.铝的各种性能指标


参数名称

参数数值

备注

原子特性

原子序数

13


原子量

26.982


物理特性

密度

2.70g/cc

20℃时

电极电位

-1.69.V

一价时

电负性

1.61

鲍林标度

电化当量

0.3354g/A/h


机械性能

维氏硬度

21-48

Vickers

极限抗张强度

50-195PMa


屈服抗张强度

10-170PMa


弹性模量

68.0GPa


泊松比

0.36


剪切模量

25.0.GPa


电学特性

电阻率

0.00000267ohm-cm

20℃时

电阻温度系数

0.0045 K-¹

0-100 ℃时

热学特性

熔点

660.4 ℃


比热

0.900J/g-℃

25 ℃时

熔化热

388J/g


线性热膨胀系数

23.5 10-6/℃

0-100 ℃时

线性热膨胀系数

18.5 10-6/℃

250 ℃时

热导率

237 W/m-k

0-100 ℃时

3.铝合金AA1000各种性能指标


参数名称

参数数值

备注

物理特性

密度

2.70-2.71g/cc

20 ℃时

机械性能

布氏硬度

12.0-55.0

Brimell

极限抗张强度

45-205PMa


屈服抗张强度

10-165PMa


弹性模量

62.0-69.0GPa


泊松比

0.330


剪切模量

25.0-26.0GPa


电学特性

电阻率

0.00000270-300ohm-cm

20 ℃时

热学特性

熔点

643-660  ℃


比热

0.900-904J/g- ℃

25 ℃时

熔化热

390J/g


线性热膨胀系数

21.9-25.5 10-6/ ℃

0-100 ℃时

热导率

218-243 W/m-k

0-100 ℃时

4.铝合金AA1350各种性能指标


参数名称

参数数值

备注

物理特性

密度

2.705g/cc

20 ℃时

机械性能

布氏硬度

23-50

Brimell

极限抗张强度

55-186PMa


屈服抗张强度

27.6-165PMa


弹性模量

68.9.0GPa


泊松比

0.330


剪切模量

26.0GPa


电学特性

电阻率

0.00000283ohm-cm

20 ℃时

热学特性

熔点

646.1-657.2 ℃


比热

0.900J/g ℃

25 ℃时

熔化热

390J/g


线性热膨胀系数

21.8-25.5 10-6℃

0-100 ℃时

热导率

243.2 W/m-k

0-100 ℃时

5.铝合金AA8030各种性能指标


参数名称

参数数值

备注

物理特性

密度

2.71g/cc

20 ℃时


极限抗张强度

59-152PMa


电学特性

电阻率

280.00000283ohm-cm3ohm-cm

20 ℃时

热学特性

熔点

646-657.2 ℃


线性热膨胀系数

23.6 10-6/ ℃

0-100 ℃时

热导率

231 W/m-k

0-100 ℃时

二、各种指标的比较

1.导电能力


铝合金AA1000

铝合金AA1350

铝合金AA8030

电阻率ohm-cm 20 ℃时

0.00000169

 

0.00000267

 

0.00000270-300

 

0.00000283

 

 

 

 

0.00000283


电阻率越低导电能力越强。相同截面铝的导电能力只是铜的61.8%,而铝合金系列在导电性能方面还不如铝。

2.抗张强度和抗蠕变能力


铝合金AA1000

铝合金AA1350

铝合金AA8030

抗张强度和抗蠕变能力

(PMa)

 

224-314

 

50-195

 

45-205

 

55-186

 

 

 

 

59-152


从极限抗张力强度和屈服抗张力强度比较,铜导体最好,纯铝导体最差,铝合金系列比铝有改进,但没有实质性变化,与铜相比仍有很大差距。抗张强度(tensile strength),即抗拉强度。又称拉伸强度,扯断强度。表示单位面积的破碎力。是金属和非金属材料的机械性能的一项指标。

抗张力强度弱,在外力作用下导体会出现断裂或裂缝。抗蠕变能力差,导体变形后复原能力差。

 

3.热膨胀系数


铝合金AA1000

铝合金AA1350

铝合金AA8030

10﹣6/℃

0-100℃时

17.0

23.5

21.9-25.5

21.8-25.5

 

 

 

23.6


从表中可以看到,铝的热膨胀系数远远高于铜,铝合金AA1000和AA1350有了一点改善,而AA8030甚至高于铝。热膨胀系数高会导致导体在热胀冷缩后接触不良,并且会恶性循环。而电力供应始终有峰谷差,通过导体电流一天内变化很大,尤其在夏季,对电缆是巨大的考验。

4.熔点


铝合金AA1000

铝合金AA1350

铝合金AA8030

1083

660.4

643-660

646.1-657.2

 

 

646-657.2


从熔点看,铝与铜相比相差甚远,而铝合金还不如铝。导体熔点低在过载条件下容易烧断,而在着火条件下电缆会迅速溶化,彻底失去输电功能。

5.抗氧化腐蚀

铝导体比铜导体要差的多,无论是铝还是铝合金都一样,这取决于铜铝不同的原子结构,铝的化学性能比铜要活跃的多。

6.抗电化腐蚀

铝电极电位比铜要低的多,铝导体因此很容易被电化腐蚀,特别是铝导体在与铜导体或其它导体接触时。


三、分析结论

1)从上文附表上看到,铝合金导体的六大指标即导电率、抗张强度和抗蠕变能力、熔点、热膨胀系数、抗氧化腐蚀、抗电化腐蚀都与铜相差甚远。而这六大指标正是导体作为输送电力时安全和能效的保证。从这六大指标来看,铝合金与铝相比也并没有显著进步。

2)目前一些铝合金电缆制造企业提出用铝合金电缆替代铜电缆的解决方案是将铝合金电缆截面积提高到铜的1.6倍,从而达到与铜相同的导电能力。但除了导电能力,铝合金导体的抗张强度和抗蠕变能力、熔点、热膨胀系数、抗氧化腐蚀、抗电化腐蚀等五大指标并不因为加大截面就有所改变,因此铝和铝合金相比于铜的风险并没有降低。

3)铝合金电缆加大截面的解决方案是一种理论上的算法,而在实践中加大截面后的通道成本,电缆间距要求,排管孔径增大一到两个规格带来的成本增加和实际问题,电缆弯曲半径增加,转角井和入口井的占地面积增加,电缆的电容电流随着电缆截面的增大而增加,在电容电流增加后按照电力安全的规定,又需要采取相应的措施等。因为有这些不确定性,导致铝合金电缆在实践中是否能够按照理论上的算法如实地比铜电缆增加1.6倍的截面,这本身就是一个不确定性。

4)在北美用于制造铝芯电缆的铝合金型号是AA1350和AA8030。AA1350开始用于电力输电线路,后来用在住宅建筑,但效果非常不理想,最后都用铜电缆给替代了。AA1350用在电力输电线路失败的教训应该引起我们的充分重视。

5)AA8030相比AA1350在机械性能上有所提高,主要是抗蠕变性能有较大改进,但其它特性方面没有显著变化,因此后来被用在了住宅领域。AA8030在北美发展了40年也仅仅局限在住宅建筑领域,并没有进入到电力传输领域。另外,欧洲各国、日本等发达国家经过认真研究都没有采用铝合金电缆。因此说铝合金电缆市场非常有限,技术上没有先进性,是一个市场空间极为有限的技术。这点应该引起我国电力用户的高度重视。

6)除了上述问题以外,铝合金电缆还有接头端子问题,生产出合格铝合金投资成本高问题,建立相应标准法规体系的问题,铝合金电缆接头施工规范等问题。

7)从电网运行看,城市中低压系统是故障比例最高的系统,夏季高负荷时段尤其严重,加之电缆故障维修时间长,恢复送电慢,用户损失大,给供电企业带来很大压力,要求采用高可靠性设备的呼声很高。无论从安全性、可靠性、供电能力、设备使用寿命、施工维护方便性等方面,铜电缆均优于铝合金电缆。

总之,铝合金电缆是投资风险大、市场空间有限、对用户安全可靠性保障度低的一款产品。我国是否要引入到电网中压系统,值得深思。

(本文表格数据均来自国务院发展研究中心资源与环境政策研究所“我国铜铝资源在电力电缆市场应用战略规划研究报告”)



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主 编丨张文华 编 辑丨丁曦


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