王 鵬 蔡國陽 黃偉瓊 郭謀發(fā) 楊耿杰

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2.福建省石獅電力有限責(zé)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(jì)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(chǎng)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(dǎo)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(jià)格持續(xù)上升，若能合理的利用鋁資源，科學(xué)選用合金電纜，則可在滿足電氣性能要求的同時(shí)降低成本。目前合金電纜在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用還相對(duì)較少，本文通過銅芯電纜與加鋁世德合金電纜的性能對(duì)比，合金電纜選型方法以及合金電纜的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(yīng)性程度。

1 銅芯電纜與合金電纜的性能對(duì)比

在導(dǎo)電性能方面，鋁和銅均為性價(jià)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(dǎo)率約為常用基準(zhǔn)材料銅IACS的60%，合金電纜的截面積為銅芯電纜1.5倍時(shí)，其電氣性能基本相同。

在力學(xué)性能方面，加鋁世德合金電纜比傳統(tǒng)銅芯電纜具有更強(qiáng)的柔韌性能，超強(qiáng)的彎曲性能和優(yōu)異的抗反彈性能。獨(dú)特的自鎧裝結(jié)構(gòu)使其結(jié)構(gòu)更為堅(jiān)固，合金電纜安裝時(shí)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(xué)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(dǎo)體退火時(shí)添加的鐵元素提高了導(dǎo)體的抗蠕變性能，同時(shí)增加了導(dǎo)體的強(qiáng)度；加入適量的銅，增加了導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性；加入適量的鎂，增加了導(dǎo)體連接的接觸點(diǎn)，減小了接觸電阻使得導(dǎo)體運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱程度減少，增強(qiáng)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(yàn)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(hù)套料中含有鉛等重金屬,容易對(duì)環(huán)境和人體造成嚴(yán)重的傷害，在發(fā)達(dá)國家已被禁用。而加鋁世德合金電纜的PVC護(hù)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(zāi)時(shí)產(chǎn)生大量的濃煙，對(duì)環(huán)境的影響效果小。

2 電纜選型的技術(shù)方法

在技術(shù)方面對(duì)電纜進(jìn)行選型，一般應(yīng)考慮電纜型號(hào)和導(dǎo)體截面積的選取。

電纜型號(hào)的選擇主要考慮電纜的用途、敷設(shè)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(shè)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(dǎo)體截面積時(shí)，一般以導(dǎo)體發(fā)熱、電壓損失、機(jī)械強(qiáng)度等作為選擇條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，低壓動(dòng)力線因其負(fù)荷電流較大，故一般先按發(fā)熱條件選擇截面，然后驗(yàn)算其電壓損失和機(jī)械強(qiáng)度；低壓照明線因其對(duì)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(yàn)算發(fā)熱條件和機(jī)械強(qiáng)度。

2.1 載流量計(jì)算

在熱穩(wěn)定條件下,當(dāng)電纜導(dǎo)體達(dá)到長期允許工作溫度時(shí)的電纜載流量稱為電纜長期允許載流量。

實(shí)際工程項(xiàng)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(shè)方式和敷設(shè)環(huán)境。同一電纜在不同的敷設(shè)方式下所對(duì)應(yīng)的載流量也不相同。計(jì)算電纜實(shí)際載流量時(shí)，應(yīng)根據(jù)電纜不同的敷設(shè)條件乘以相應(yīng)的修正系數(shù)。

2.2 短路電流和熱穩(wěn)定計(jì)算

當(dāng)短路時(shí)間不大于5s時(shí)，按照短路熱穩(wěn)定條件計(jì)算電纜導(dǎo)體允許最小截面的公式如下

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

根據(jù)線路的總阻抗計(jì)算短路電流的公式為

2.3 電壓損失效驗(yàn)

因電纜導(dǎo)體本身具有電阻，當(dāng)電流流過電纜時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，用電設(shè)備只能在一個(gè)允許的電壓降范圍內(nèi)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。在進(jìn)行電壓損失效驗(yàn)時(shí)，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(jì)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(jī)械強(qiáng)度

對(duì)于導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度，一般情況下可查表得出不同用途的電纜所對(duì)應(yīng)的允許截面，遇到個(gè)別特殊情況，可單獨(dú)進(jìn)行效驗(yàn)。

3 電纜選型的經(jīng)濟(jì)方法

3.1 經(jīng)濟(jì)電流密度法

特大電流的低壓線路，一般應(yīng)按規(guī)定的經(jīng)濟(jì)電流密度選擇電纜的截面，以使線路的年運(yùn)行費(fèi)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(jì)截面。此種選擇原則，稱為年費(fèi)用支出最小原則。

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

公式（4）中， Ci和 Cj都是與電纜截面 S有關(guān)的函數(shù)。在項(xiàng)目總費(fèi)用 Ct最小的約束條件下，可求出電纜導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)電流密度和相應(yīng)的截面積。

3.2 全壽命周期成本法

全壽命周期成本法簡(jiǎn)稱LCC。LCC管理理念考慮了設(shè)備從規(guī)劃到最后報(bào)廢各個(gè)環(huán)節(jié)的成本，比經(jīng)濟(jì)電流密度法具有更強(qiáng)的全面性，能對(duì)設(shè)備可靠性和投資水平的最佳平衡點(diǎn)做出客觀的評(píng)價(jià)和決策，降低設(shè)備采購的總成本。

電纜由于其固有的特征，LCC費(fèi)用計(jì)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(xiàng)目正式投入運(yùn)行以前所付出的一次性成本；為運(yùn)行成本，指電纜運(yùn)行期間所花費(fèi)的一切費(fèi)用的總和，包括能耗費(fèi)、人工費(fèi)、環(huán)境費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)以及其他費(fèi)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(jì)損失； Cd為報(bào)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(fèi)用。部分設(shè)備具有設(shè)備殘值，變賣可得到一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 基于LCC的電纜選型

以某實(shí)際工程項(xiàng)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(duì)兩種選型方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)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(shí)際工程項(xiàng)目電纜選型方案

首先對(duì)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(dāng)，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(jì)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(jià)格見表4和表5。

表4 銅芯電纜價(jià)格表

表5 合金電纜價(jià)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(fèi)用也應(yīng)包含在內(nèi)。電纜附件購買成本對(duì)比見表6和表7，安裝費(fèi)用對(duì)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(fèi)用對(duì)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(duì)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(yùn)行成本

電纜投入運(yùn)行后，其主要運(yùn)行成本為電能損耗和維護(hù)費(fèi)用。由于兩組電纜的電氣性能大致相當(dāng)，因此兩組方案的電能損耗費(fèi)用相同。根據(jù)電纜研究所提供的數(shù)據(jù)，在電纜維護(hù)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(hù)費(fèi)用相同。綜上，銅芯電纜與合金電纜的運(yùn)行成本相同，在進(jìn)行LCC計(jì)算時(shí)不計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的銅鋁過渡端子連接，該端子通過符合IEC61238標(biāo)準(zhǔn)模擬30年應(yīng)用的1000次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，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(xué)的交聯(lián)聚乙烯材料，護(hù)套采用的美國進(jìn)口的普立萬耐寒級(jí)護(hù)套料，電纜壽命長達(dá)30年，國內(nèi)普通電力電纜設(shè)計(jì)壽命按照標(biāo)準(zhǔn)為 30年，由于采用的材料有差異，實(shí)際使用壽命并不一定可以達(dá)到30年。使用合金電纜的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步可以體現(xiàn)出來。

在此次LCC的計(jì)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(jìn)行LCC計(jì)算時(shí)不計(jì)入總投資成本。

4）報(bào)廢成本

在實(shí)際項(xiàng)目中，電纜的報(bào)廢成本包含兩個(gè)方面，一是拆除的人工費(fèi)及機(jī)械設(shè)備成本，二是拆除后的電纜殘值。電纜殘值一般為負(fù)值，這相當(dāng)于收回部分的投資成本，電纜拆除成本對(duì)比見表10。

表10 銅芯電纜與合金電纜拆除成本對(duì)比

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

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

表11 銅芯電纜殘值費(fèi)用

表12 合金電纜殘值費(fèi)用

綜上，可得出銅芯電纜的報(bào)廢成本為-14644603元，合金電纜的報(bào)廢成本為-1457911元。電纜的報(bào)廢成本費(fèi)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(jìn)行考慮。銅芯電纜與合金電纜的報(bào)廢成本（現(xiàn)值）見表13。

表13 銅芯電纜與合金電纜的報(bào)廢成本（現(xiàn)值）

5）兩種方案的比較和評(píng)估

銅芯電纜與合金電纜LCC費(fèi)用對(duì)比見表14。

表14 銅芯電纜與合金電纜LCC費(fèi)用對(duì)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(duì)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(gè)有利于企業(yè)，有利于社會(huì)，有利于全球資源合理利用的選擇。

4 合金電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

選擇福建沿海某配電變壓器作為試點(diǎn)，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(shè)2根合金電纜，每根電纜敷設(shè)長度大于25m。采用加鋁世德ZR-TC90-4×185及ZR-TC90-4×150兩種型號(hào)電纜。

利用所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)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(shè)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，某一支路出線的合金電纜運(yùn)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(yùn)行溫度與合金電纜鋪設(shè)環(huán)境溫度

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行5個(gè)月以來，實(shí)際運(yùn)行狀況及監(jiān)測(cè)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(yùn)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(xué)性能、連接性能以及經(jīng)濟(jì)性等方面均能達(dá)到或優(yōu)于傳統(tǒng)銅芯電纜。合金電纜的現(xiàn)場(chǎng)安裝過程、實(shí)際運(yùn)行狀況及監(jiān)測(cè)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(yùn)行。若能在低壓配電網(wǎng)中推廣應(yīng)用合金電纜，將會(huì)降低低壓電纜工程建設(shè)成本，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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