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        合金電纜在低壓配電網(wǎng)中的適應(yīng)性研究

        2012-06-22 07:29:24蔡國陽黃偉瓊郭謀發(fā)楊耿杰
        電氣技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:世德導(dǎo)體選型

        王 鵬 蔡國陽 黃偉瓊 郭謀發(fā) 楊耿杰

        (1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)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(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(yīng)性程度。

        1 銅芯電纜與合金電纜的性能對比

        在導(dǎo)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(dǎo)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(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(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)體退火時添加的鐵元素提高了導(dǎo)體的抗蠕變性能,同時增加了導(dǎo)體的強度;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,減小了接觸電阻使得導(dǎo)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(zāi)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(shù)方法

        在技術(shù)方面對電纜進行選型,一般應(yīng)考慮電纜型號和導(dǎo)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(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,一般以導(dǎo)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(dǎo)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(shè)方式和敷設(shè)環(huán)境。同一電纜在不同的敷設(shè)方式下所對應(yīng)的載流量也不相同。計算電纜實際載流量時,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(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(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(guān)。

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

        3.2 全壽命周期成本法

        全壽命周期成本法簡稱LCC。LCC管理理念考慮了設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備具有設(shè)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(shè)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(shè)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(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-TC90-4×150兩種型號電纜。

        利用所設(shè)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(shè)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(shè)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(xué)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(yīng)用合金電纜,將會降低低壓電纜工程建設(shè)成本,提高社會經(jīng)濟效益。

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