文 / 中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司 尤振平 北京安泰科信息開發(fā)有限公司 熊 慧

銅、鋁均屬良導(dǎo)體，在電纜工業(yè)中都獲得了廣泛的應(yīng)用。鋁的導(dǎo)電率次于銅，但具有比重輕、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)使用條件和具體要求的不同，銅、鋁導(dǎo)體的使用各有側(cè)重。另外，從發(fā)展的角度來(lái)看，電線電纜的某些子行業(yè)“以鋁節(jié)銅”也在循序漸進(jìn)地向前推進(jìn)。

一、中國(guó)電線電纜產(chǎn)業(yè)概況

中國(guó)電纜工業(yè)是機(jī)械行業(yè)中僅次于汽車制造業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè)。根據(jù)上海電纜研究所統(tǒng)計(jì)，2012年中國(guó)電纜工業(yè)銅、鋁導(dǎo)體產(chǎn)量分別為510萬(wàn)噸和230萬(wàn)噸，約占當(dāng)年全國(guó)銅、原鋁消費(fèi)量的64%和10%。目前，中國(guó)電纜工業(yè)的規(guī)模、產(chǎn)量，以及增長(zhǎng)速度都居世界第一，2012年，中國(guó)產(chǎn)量約占全球?qū)w產(chǎn)量的三分之一。

二、中國(guó)鋁合金電纜生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的分類，電線電纜行業(yè)屬于電氣機(jī)械及器材制造業(yè)。按用途分類，主要產(chǎn)品包括電力電纜、裸導(dǎo)線、繞組線、電氣裝備用電纜、通信電纜與光纜。電線電纜產(chǎn)品按電壓等級(jí)劃分，可分為低壓、中壓、高壓、超高壓和特高壓等不同電壓等級(jí)。

表1～表3顯示了2011年中國(guó)銅、鋁導(dǎo)體的應(yīng)用分布情況?？梢钥闯?，在鋁及鋁合金電線電纜中，83%為裸導(dǎo)體；10%為電力電纜；其余7%為電器裝備電纜、繞組線及通信電纜。若從電線電纜使用材料的角度分析，架空線中94.1%為鋁及鋁合金導(dǎo)線；電力電纜中11.4%為鋁及鋁合金材質(zhì)；通信線及繞組線中，鋁及鋁合金材質(zhì)分別占4.5%和2.7%。

目前，鋁裸線主要用于生產(chǎn)架空線——鋼芯鋁絞線，鋁導(dǎo)線是裸露的，鋼芯則起到支撐鋁線的作用。在高壓輸變電領(lǐng)域，需采用架空線對(duì)電力進(jìn)行傳輸，我國(guó)該領(lǐng)域使用的導(dǎo)體94.1%采用的是鋼芯鋁絞線，銅導(dǎo)體的使用量已經(jīng)降至很低。

電力電纜指用于傳輸和分配電能的電纜，常用于發(fā)電站的引出線路、城市地下電網(wǎng)、工礦企業(yè)、民用建筑的內(nèi)部供電及過江、過海的水下輸電線，主要在電力系統(tǒng)的主干線路中用以傳輸和分配大功率電能，電壓范圍為中低壓領(lǐng)域。根據(jù)上海電纜研究所提供的資料，在電力電纜中，鋁及鋁合金電纜的使用比例剛剛超過10%，目前我國(guó)使用的大部分仍是銅電纜。

另外，電氣裝備中，鋁及鋁合金電纜僅有少量應(yīng)用，未來(lái)的發(fā)展空間也不大；繞組線中，鋁及鋁合金線只在一些小型電機(jī)中有所應(yīng)用，應(yīng)用擴(kuò)展的空間十分有限；通信線纜領(lǐng)域，鋁導(dǎo)體的使用量約10萬(wàn)噸，僅為銅導(dǎo)體的一半，并且光纖正在對(duì)銅、鋁材料形成替代。

根據(jù)調(diào)研情況，只有電力電纜領(lǐng)域，鋁電纜最有可能對(duì)銅電纜進(jìn)行大規(guī)模替代。從目前的情況來(lái)看，中國(guó)使用的鋁電力電纜主要應(yīng)用在建筑物外部的輸配電路中，而用于建筑物內(nèi)部干線電路的鋁電纜數(shù)量還非常少。據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，目前，中國(guó)建筑物內(nèi)部干線電纜中鋁合金電纜的使用比例不到1%，與北美的差距十分巨大。

表1 2011年中國(guó)金屬導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”進(jìn)展的不完全統(tǒng)計(jì)（按電線電纜產(chǎn)品類別分）

表2 2011年中國(guó)金屬裸導(dǎo)體總用量的不完全統(tǒng)計(jì)（按導(dǎo)體材料類別分）

表3 2011年電工用鋁和鋁合金使用比例

三、國(guó)外鋁合金電纜應(yīng)用現(xiàn)狀

鋁合金導(dǎo)線，尤其是8000系鋁合金導(dǎo)線在北美已經(jīng)有40年的安裝歷史，隨著電纜敷設(shè)安裝技術(shù)的進(jìn)步，鋁導(dǎo)體氧化腐蝕、接續(xù)，以及銅鋁導(dǎo)體過渡接頭等問題都已取得重大突破，消除了鋁電纜推廣應(yīng)用的技術(shù)障礙。多年的實(shí)際應(yīng)用表明，鋁合金電纜是可靠的、安全的、穩(wěn)定的、性價(jià)比較高的配電線纜。目前，北美地區(qū)的鋁電纜用量已占到該地區(qū)電力電纜用量的30%～40%，應(yīng)用面已涉及低、中、高各個(gè)電壓等級(jí)。

8030合金是美國(guó)、加拿大等國(guó)家40年前研發(fā)的8000系列鋁合金之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的低壓配電領(lǐng)域，許多著名的企業(yè)和工程項(xiàng)目都是該鋁合金電纜的用戶，如亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館、肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)、通用會(huì)展中心、沃爾瑪購(gòu)物商場(chǎng)、拉斯維加斯威尼斯人酒店、甲骨文數(shù)據(jù)處理中心，加拿大多倫多國(guó)際機(jī)場(chǎng)、威斯汀酒店、Nova Scotia銀行，墨西哥的立福馬大廈、天空商場(chǎng)等，使用情況十分良好。在美國(guó)，鋁合金電纜在大跨度建筑結(jié)構(gòu)中的使用量較大，如體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等，這是因?yàn)殇X合金電纜重量?jī)H為銅纜的一半，可以大大減輕對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)重，從而節(jié)約近15%鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用。

四、銅、鋁電纜性能對(duì)比及鋁電纜適用性分析

以8000系鋁合金為例，其在純鋁中加入了銅、鐵、鎂、錳等元素，大大提高了鋁合金導(dǎo)體的機(jī)械性能，如抗拉強(qiáng)度較純鋁導(dǎo)體提高53%，抗蠕變與壓緊性能較純鋁導(dǎo)體提高300%，屈服強(qiáng)度較純鋁導(dǎo)體提高121%。

導(dǎo)電性：鋁的電導(dǎo)率是銅的61.8%。在滿足與銅導(dǎo)線相同載流量的條件下，8000系鋁合金導(dǎo)線截面積需要是銅導(dǎo)線的2倍左右，而其密度只是銅導(dǎo)線的30%，因此其重量可比銅導(dǎo)線低40%，安裝更為便利，同時(shí)設(shè)備與電纜的摩擦也大幅減小。由于重量輕，鋁電纜可以采用支架敷設(shè)的方式安裝，既節(jié)省了橋架敷設(shè)、管道預(yù)埋的費(fèi)用，使施工更加方便，也可在更短的時(shí)間、更小的空間完成施工。

抗蠕變性：Fe的添加使8000系鋁合金導(dǎo)線的抗蠕變性能顯著提高，用該合金制造的電氣連接與用銅導(dǎo)體制造的連接一樣牢固，即使在長(zhǎng)時(shí)間過載或過熱時(shí)，也能保證連接的穩(wěn)定性。

防腐蝕性：鋁能承受低溫并在惡劣環(huán)境中工作，鋁電纜使用的最低環(huán)境溫度為零下40℃，最高為90℃。特別是在含硫的環(huán)境中，如鐵路隧道，鋁的抗腐蝕性能大大優(yōu)于銅。

柔韌性：8000系鋁合金導(dǎo)體比銅柔韌，不像銅那樣容易“變形反彈”，有著很好的彎曲性能，因此更容易進(jìn)行端子連接。

8000系鋁合金作為建筑配電用導(dǎo)體在北美地區(qū)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用近40年，在其推廣使用的過程中，也出現(xiàn)過對(duì)其適用性的各種爭(zhēng)論。實(shí)踐表明，以鋁合金為導(dǎo)體的電纜產(chǎn)品在包括住宅等類型的項(xiàng)目中經(jīng)過長(zhǎng)期的應(yīng)用，所表現(xiàn)出的可靠性和穩(wěn)定性是值得肯定的。

表4 銅、鋁電纜性能對(duì)比

五、中國(guó)鋁電纜推廣應(yīng)用的障礙分析

歐美等國(guó)家早已大量使用鋁芯電纜，中國(guó)鋁電纜的應(yīng)用也開始起步，推廣應(yīng)用還存在一定的障礙，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 敷設(shè)空間的限制。過去敷設(shè)好的管道大多是按照銅電纜的尺寸規(guī)格設(shè)計(jì)的，而在相同載流量條件下，鋁電纜截面積需要是銅電纜的2倍左右，導(dǎo)致鋁電纜無(wú)法直接安裝。

2. 用戶的使用習(xí)慣。雖然鋁導(dǎo)體氧化腐蝕、接續(xù)問題和銅鋁導(dǎo)體過渡接頭問題等都已經(jīng)取得重大突破，但部分用戶仍不能改變“鋁芯電纜容易引起火災(zāi)”的觀念。

3. 缺乏國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，中國(guó)低壓鋁合金電纜領(lǐng)域缺乏國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，鋁電纜生產(chǎn)正處于成長(zhǎng)期，企業(yè)數(shù)量快速增加，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，市場(chǎng)較為混亂。

4. 產(chǎn)品定價(jià)過高。目前，大多數(shù)鋁電纜生產(chǎn)企業(yè)的鋁電纜定價(jià)是按照銅電纜價(jià)格的比例來(lái)制定的，一般只比銅電纜低20%～30%，導(dǎo)致使用者以鋁電纜代替銅電纜的動(dòng)力明顯不足。

5. 安裝不當(dāng)引發(fā)火災(zāi)隱患。鋁電纜起火的危險(xiǎn)性要大于銅，但是起火原因不在鋁電纜自身，而在于鋁電纜的連接。鋁電纜的連接需要特定的端子，安裝規(guī)范也不同于傳統(tǒng)的銅電纜，給安裝和維護(hù)帶來(lái)了一定的麻煩。如果安裝不規(guī)范，確實(shí)可能埋下安全隱患。

6. 電網(wǎng)公司往往“選銅棄鋁”，因?yàn)殂~具有較好的保值屬性。

六、關(guān)于以鋁節(jié)銅的效果測(cè)算

鋁的導(dǎo)電率為銅的61.8%，根據(jù)等載流量設(shè)計(jì)原則，在同等載流量的要求下，鋁導(dǎo)體的截面積應(yīng)為銅導(dǎo)體的2倍左右，而銅的密度（8.9g/cm3）相當(dāng)于鋁密度（2.7g/cm3）的3.3倍，因此，同等長(zhǎng)度下，銅導(dǎo)體的重量是鋁導(dǎo)體重量的1.65倍，意味著每替代掉1噸銅，只需消耗0.6噸的鋁。目前銅價(jià)約為鋁價(jià)的3.7倍，若僅從材料成本分析，同等載流量條件下，鋁電纜的導(dǎo)體材料成本僅為銅電纜的16%。如表6所示。

除了上述分析的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)外，在電力電纜領(lǐng)域推行“以鋁節(jié)銅”，其戰(zhàn)略意義更為重要。2011年，中國(guó)電力電纜領(lǐng)域銅導(dǎo)體的消費(fèi)量超過150萬(wàn)噸，中國(guó)電纜協(xié)會(huì)認(rèn)為，其中80%～90%的銅電纜，即120萬(wàn)～135萬(wàn)噸銅導(dǎo)體是可以使用鋁及鋁合金電纜進(jìn)行替代的，而進(jìn)行這樣的替代只需要消耗70萬(wàn)～80萬(wàn)噸的鋁。

截至2011底，全球銅礦儲(chǔ)量?jī)H有6.9億噸。按照2012年全球1600萬(wàn)噸礦產(chǎn)銅產(chǎn)量來(lái)計(jì)算，全球銅礦的靜態(tài)保障年限僅為43年，因此，“以鋁節(jié)銅”是國(guó)際的大趨勢(shì)。相比而言，我國(guó)銅資源更為短缺，且消耗量又最大，按照2012年礦產(chǎn)銅產(chǎn)量140萬(wàn)噸來(lái)計(jì)算，資源的靜態(tài)保障年限僅為20年。由于銅礦資源儲(chǔ)量不足，我國(guó)已經(jīng)成為世界最大的銅進(jìn)口國(guó)，國(guó)家資源安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)。另外，當(dāng)前我國(guó)的電力工業(yè)還處在快速發(fā)展階段，需要大量的電力電纜做后盾，充分利用我國(guó)的鋁資源進(jìn)行“以鋁節(jié)銅”，能夠在一定程度上緩解銅資源短缺的矛盾，從而促進(jìn)我國(guó)電纜工業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定和健康的發(fā)展。

表6 同等載流量條件下，等長(zhǎng)度銅、鋁導(dǎo)體材料比較

七、結(jié)語(yǔ)

縱觀世界“以鋁代銅”的歷史，根據(jù)各國(guó)國(guó)情、科技的進(jìn)步，各國(guó)有所不同，走走停停甚至出現(xiàn)反復(fù)，但總體上是漸進(jìn)式地向前發(fā)展的。

現(xiàn)在的“以鋁節(jié)銅”與20世紀(jì)60～80年代中國(guó)曾經(jīng)推行的所有范圍的線路都以鋁代銅這種狹義的做法有著本質(zhì)的區(qū)別，是在必須用銅的場(chǎng)合用銅，在可用銅、可用鋁的場(chǎng)所推廣使用鋁合金產(chǎn)品。

值得一提的是，這種替代并不是盲目的，而是建立在科學(xué)研究的基礎(chǔ)之上的，同時(shí)替代的過程也不可能一蹴而就，需要鋁電纜整體生產(chǎn)水平的提高、價(jià)格更加趨于合理，更需要使用者觀念的改變。

總之，根據(jù)全球經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的“以鋁代銅”或“以鋁節(jié)銅”的技術(shù)政策，是一項(xiàng)必須堅(jiān)持的、涉及國(guó)家資源利用政策的大事。因過分片面強(qiáng)調(diào)用銅芯電線電纜節(jié)能和防火而忽視了資源的合理利用，既不利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也不利于自然資源的開發(fā)保護(hù)，更不利于電線電纜的技術(shù)進(jìn)步。