王 鵬 蔡國陽 黃偉瓊 郭謀發(fā) 楊耿杰

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2.福建省石獅電力有限責任公司，福建 泉州 362700；3. 福建省漳州電業(yè)局，福建 漳州 363000）

中國經(jīng)濟持續(xù)高速的增長為電線電纜行業(yè)的發(fā)展提供了巨大的市場空間。至今，電線電纜已占據(jù)中國電工行業(yè)四分之一的產(chǎn)值，根據(jù)導電材料的不同，電纜可分為鋁芯電纜、銅芯電纜和合金電纜。近幾年銅資源緊缺且價格持續(xù)上升，若能合理的利用鋁資源，科學選用合金電纜，則可在滿足電氣性能要求的同時降低成本。目前合金電纜在低壓配電網(wǎng)中的應用還相對較少，本文通過銅芯電纜與加鋁世德合金電纜的性能對比，合金電纜選型方法以及合金電纜的現(xiàn)場運行狀況等方面綜合分析合金電纜在低壓配電網(wǎng)中的適應性程度。

1 銅芯電纜與合金電纜的性能對比

在導電性能方面，鋁和銅均為性價比高的金屬。以加鋁世德 0.6/1kV鋁合金電纜與銅芯電纜比較，相同規(guī)格下合金電纜的電導率約為常用基準材料銅IACS的60%，合金電纜的截面積為銅芯電纜1.5倍時，其電氣性能基本相同。

在力學性能方面，加鋁世德合金電纜比傳統(tǒng)銅芯電纜具有更強的柔韌性能，超強的彎曲性能和優(yōu)異的抗反彈性能。獨特的自鎧裝結(jié)構(gòu)使其結(jié)構(gòu)更為堅固，合金電纜安裝時的電纜最小彎曲半徑為7倍的電纜外徑，并且需要的安裝拉力比銅芯電纜小很多，力學性能優(yōu)于銅芯電纜。

在連接性能方面，加鋁世德合金電纜在導體退火時添加的鐵元素提高了導體的抗蠕變性能，同時增加了導體的強度；加入適量的銅，增加了導體的熱穩(wěn)定性；加入適量的鎂，增加了導體連接的接觸點，減小了接觸電阻使得導體運行時的發(fā)熱程度減少，增強了其連接性能。

在抗腐蝕性能方面，加鋁世德合金電纜的抗腐蝕性能優(yōu)于銅芯電纜，工作溫度范圍更大。著名的古巴試驗證明，在相同的外界條件下合金電纜的金屬流失速度只為銅芯電纜的1/10～1/100。

在環(huán)保性能方面，目前國內(nèi)生產(chǎn)的銅芯電纜中常加入一種鹽基性鉛鹽類穩(wěn)定劑，銅芯電纜的PVC護套料中含有鉛等重金屬,容易對環(huán)境和人體造成嚴重的傷害，在發(fā)達國家已被禁用。而加鋁世德合金電纜的PVC護套料為無重金屬配方，并采用低煙無鹵性阻燃材料防止火災時產(chǎn)生大量的濃煙，對環(huán)境的影響效果小。

2 電纜選型的技術方法

在技術方面對電纜進行選型，一般應考慮電纜型號和導體截面積的選取。

電纜型號的選擇主要考慮電纜的用途、敷設條件及安全性等因素。根據(jù)用途的不同，可選用電力電纜、架空絕緣電纜、控制電纜等；根據(jù)敷設條件的不同，可選用一般塑料絕緣電纜、鋼帶鎧裝電纜、鋼絲鎧裝電纜、防腐電纜等；根據(jù)安全性要求，可選用不延燃電纜、阻燃電纜、無鹵阻燃電纜、耐火電纜等。

確定電纜導體截面積時，一般以導體發(fā)熱、電壓損失、機械強度等作為選擇條件。根據(jù)經(jīng)驗，低壓動力線因其負荷電流較大，故一般先按發(fā)熱條件選擇截面，然后驗算其電壓損失和機械強度；低壓照明線因其對電壓水平要求較高，可先按允許電壓損失條件選擇截面，再驗算發(fā)熱條件和機械強度。

2.1 載流量計算

在熱穩(wěn)定條件下,當電纜導體達到長期允許工作溫度時的電纜載流量稱為電纜長期允許載流量。

實際工程項目中電纜的載流量一般可查表得到，影響電纜載流量大小的因數(shù)很多，主要是電纜的敷設方式和敷設環(huán)境。同一電纜在不同的敷設方式下所對應的載流量也不相同。計算電纜實際載流量時，應根據(jù)電纜不同的敷設條件乘以相應的修正系數(shù)。

2.2 短路電流和熱穩(wěn)定計算

當短路時間不大于5s時，按照短路熱穩(wěn)定條件計算電纜導體允許最小截面的公式如下

式中，S為按照短路熱穩(wěn)定條件計算電纜導體允許最小截面（mm2）；I為短路電流有效值（A）；t為短路時間（s）；K為系數(shù)，可查表得出。

根據(jù)線路的總阻抗計算短路電流的公式為

2.3 電壓損失效驗

因電纜導體本身具有電阻，當電流流過電纜時會產(chǎn)生電壓降，用電設備只能在一個允許的電壓降范圍內(nèi)安全穩(wěn)定的運行。在進行電壓損失效驗時，可查表得到電纜的電壓降系數(shù),電壓允許偏差值一般小于5%。

電壓允許偏差值計算公式為

式中， Δ U ′為電壓允許偏差值；K為電纜的電壓降系數(shù)（V/A·km）；L為電纜線路長度（km）；I為流過電纜的最大電流（A）；U為電纜線路線電壓（V）。

2.4 機械強度

對于導體的機械強度，一般情況下可查表得出不同用途的電纜所對應的允許截面，遇到個別特殊情況，可單獨進行效驗。

3 電纜選型的經(jīng)濟方法

3.1 經(jīng)濟電流密度法

特大電流的低壓線路，一般應按規(guī)定的經(jīng)濟電流密度選擇電纜的截面，以使線路的年運行費用接近于最小，節(jié)約電能和有色金屬。所選截面，稱為經(jīng)濟截面。此種選擇原則，稱為年費用支出最小原則。

式中， Ct為項目總費用； Ci為電纜主材料費用，附件費用，施工費用等的總和； Cj為電纜損耗費用，與負載大小、年最大負荷利用小時、電價、電纜電阻以及使用壽命等因素有關。

公式（4）中， Ci和 Cj都是與電纜截面 S有關的函數(shù)。在項目總費用 Ct最小的約束條件下，可求出電纜導體的經(jīng)濟電流密度和相應的截面積。

3.2 全壽命周期成本法

全壽命周期成本法簡稱LCC。LCC管理理念考慮了設備從規(guī)劃到最后報廢各個環(huán)節(jié)的成本，比經(jīng)濟電流密度法具有更強的全面性，能對設備可靠性和投資水平的最佳平衡點做出客觀的評價和決策，降低設備采購的總成本。

電纜由于其固有的特征，LCC費用計算可采用如下模型

式中， Ci為一次投資成本，指電纜在安裝和調(diào)試期間，項目正式投入運行以前所付出的一次性成本；為運行成本，指電纜運行期間所花費的一切費用的總和，包括能耗費、人工費、環(huán)境費用、維護保養(yǎng)費以及其他費用等； Cf為故障引起的中斷供電損失成本，指在故障發(fā)生后中斷供電所造成的經(jīng)濟損失； Cd為報廢成本，指工程壽命周期結(jié)束后清理、銷毀該工程所需支付的費用。部分設備具有設備殘值，變賣可得到一定的經(jīng)濟效益。

3.3 基于LCC的電纜選型

以某實際工程項目銅芯電纜與合金電纜的兩種選型方案為依據(jù)，采用LCC方法對兩種選型方案的經(jīng)濟性進行對比，最終確定合適的電纜選型方案。具體兩種電纜的選型方案見表1。

表1 某實際工程項目電纜選型方案

首先對比表1中兩組方案電纜的電氣性能，兩種方案中所選用電纜的載流量、電壓降系數(shù)見表 2和表3。

表2 銅芯電纜性能表

表3 合金電纜性能表

從表2和表3可知，合金電纜的載流量均大于或等于銅芯電纜的載流量，而電壓降系數(shù)與銅芯電纜大體相當，因此兩組電纜的電氣性能大致相同。

1）一次投資成本

通過比較兩種方案中電纜的購買成本、電纜附件購買成本和電纜安裝成本，分別計算出銅芯電纜與合金電纜的一次投資成本。兩種方案的電纜價格見表4和表5。

表4 銅芯電纜價格表

表5 合金電纜價格表

由表 4和表 5可得銅芯電纜的購買成本為22834984元，合金電纜的購買成本為14965100元，合金電纜購買成本為銅芯電纜購買成本的66%。在一次投資成本中，電纜成本只是其中的一部分，電纜附件購買成本和安裝管理費用也應包含在內(nèi)。電纜附件購買成本對比見表6和表7，安裝費用對比見表8。

表6 銅芯電纜附件購買成本

表7 合金電纜附件購買成本

表8 銅芯電纜與合金電纜安裝費用對比

綜上，銅芯電纜和合金電纜的一次投資成本見表9。

表9 銅芯電纜與合金電纜一次投資對比

由表9可知，合金電纜一次投資成本僅占銅芯電纜的67%，節(jié)約成本8143643元。

2）運行成本

電纜投入運行后，其主要運行成本為電能損耗和維護費用。由于兩組電纜的電氣性能大致相當，因此兩組方案的電能損耗費用相同。根據(jù)電纜研究所提供的數(shù)據(jù)，在電纜維護上銅芯電纜和合金電纜是沒有區(qū)別的，因此兩組方案的維護費用相同。綜上，銅芯電纜與合金電纜的運行成本相同，在進行LCC計算時不計入總投資成本。

3）故障引起的中斷供電損失成本

由于合金電纜采用符合 GB14315-2008標準的銅鋁過渡端子連接，該端子通過符合IEC61238標準模擬30年應用的1000次熱循環(huán)實驗，在連接穩(wěn)定性上和銅芯電纜一致，銅電纜和合金電纜的損失差異基本可以忽略。

合金電纜采用的絕緣材料為美國陶氏化學的交聯(lián)聚乙烯材料，護套采用的美國進口的普立萬耐寒級護套料，電纜壽命長達30年，國內(nèi)普通電力電纜設計壽命按照標準為 30年，由于采用的材料有差異，實際使用壽命并不一定可以達到30年。使用合金電纜的優(yōu)勢進一步可以體現(xiàn)出來。

在此次LCC的計算中，銅芯電纜與合金電纜因故障引起的中斷供電損失成本相同，在進行LCC計算時不計入總投資成本。

4）報廢成本

在實際項目中，電纜的報廢成本包含兩個方面，一是拆除的人工費及機械設備成本，二是拆除后的電纜殘值。電纜殘值一般為負值，這相當于收回部分的投資成本，電纜拆除成本對比見表10。

表10 銅芯電纜與合金電纜拆除成本對比

兩種方案的拆除費相比較，合金電纜比銅芯電纜的拆除費用節(jié)約140526元。

廢銅鋁價格基于國內(nèi)廢品回收價格均價：1#電纜銅線 58500元/噸，割膠鋁線 14200元/噸。銅芯電纜的殘值費用見表11，合金電纜的殘值費用見表12。

表11 銅芯電纜殘值費用

表12 合金電纜殘值費用

綜上，可得出銅芯電纜的報廢成本為-14644603元，合金電纜的報廢成本為-1457911元。電纜的報廢成本費用發(fā)生在30年之后，本工程LCC分析采用現(xiàn)值法，年貼現(xiàn)率按8%進行考慮。銅芯電纜與合金電纜的報廢成本（現(xiàn)值）見表13。

表13 銅芯電纜與合金電纜的報廢成本（現(xiàn)值）

5）兩種方案的比較和評估

銅芯電纜與合金電纜LCC費用對比見表14。

表14 銅芯電纜與合金電纜LCC費用對比

由表14可看出，兩種方案從30年的總投資來看，合金電纜比銅芯電纜約有29.32%的節(jié)約。因而，僅僅從投資角度考慮，選用合金電纜不失為一種好的選擇。如果考慮到對環(huán)境的影響，資源的節(jié)約，可持續(xù)發(fā)展等因素，在電纜行業(yè)合理地以鋁代銅更是一個有利于企業(yè)，有利于社會，有利于全球資源合理利用的選擇。

4 合金電纜運行狀態(tài)監(jiān)測

選擇福建沿海某配電變壓器作為試點，該配電變壓器為油浸式，容量為400kVA，給132戶居民供電。在低壓綜合配電箱到0.4kV架空線路間更換敷設2根合金電纜，每根電纜敷設長度大于25m。采用加鋁世德ZR-TC90-4×185及ZR-TC90-4×150兩種型號電纜。

利用所設計的在線監(jiān)測系統(tǒng)對運行中合金電纜的電壓、電流、功率等電參數(shù)、銅鋁連接處的溫度及敷設環(huán)境實時監(jiān)測，某一支路出線的合金電纜運行曲線見圖1－圖4。

圖1 A相電壓

圖2 A相電流

圖3 A相有功功率

圖4 銅鋁接頭運行溫度與合金電纜鋪設環(huán)境溫度

在線監(jiān)測系統(tǒng)投入運行5個月以來，實際運行狀況及監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明加鋁世德合金電纜在低壓配電網(wǎng)中能夠安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

通過以上分析，可知加鋁世德合金電纜在電氣性能、力學性能、連接性能以及經(jīng)濟性等方面均能達到或優(yōu)于傳統(tǒng)銅芯電纜。合金電纜的現(xiàn)場安裝過程、實際運行狀況及監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明合金電纜能夠在低壓配電網(wǎng)中安全穩(wěn)定運行。若能在低壓配電網(wǎng)中推廣應用合金電纜，將會降低低壓電纜工程建設成本，提高社會經(jīng)濟效益。

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