鋁芯電纜應(yīng)用的技術(shù)選型方法

陶 波

（江西新余鋼鐵集團(tuán)公司第一煉鐵廠，江西 新余 338001）

電力電纜按線芯的用材可分為銅芯電纜和鋁芯電纜，常用的銅芯電纜型號為YJV 和VV；鋁芯電纜的型號為YJLV 和VLV。鋁芯電纜在20 世紀(jì)70、80年代推廣用得比較好。一般的中小型工廠基本上都是選用鋁芯電纜。而且，電動機(jī)和變壓器也有鋁芯線圈。從20 世紀(jì)90年代開始至今，電力電纜應(yīng)用基本上是銅芯電纜占據(jù)。在一些大型工廠，無論是主體設(shè)備還是附屬設(shè)備全都是使用銅芯電纜。例如，某廠2×2500m3高爐煉鐵廠建于2009年，電氣工程全部使用銅芯電纜。其實(shí)在如水渣轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶應(yīng)用鋁芯電纜既可滿足供配電需要又可以節(jié)省大量的寶責(zé)資金。之所以會出現(xiàn)一邊倒的選型，一是過份強(qiáng)調(diào)可靠性；二是忽視了投資的經(jīng)濟(jì)性。只要選型得當(dāng)，鋁芯電纜一樣可滿足應(yīng)用要求，而且經(jīng)濟(jì)性較佳。

1 鋁與銅的材料特性

鋁的元素符號為Al，原子量為27，核外電子數(shù)13，最外層電子數(shù)為3。銅的元素符號為Cu，原子量為64，核外電子數(shù)29，最外層電子數(shù)為1。影響導(dǎo)電材料載流量的是電阻率。鋁的電阻率是0.0294Ω mm2/m，銅的電阻率是0.01851Ω mm2/m。兩者的比率是0.0294/0.01851=1.59，鋁的密度是2700kg/m3，銅的密度是8900kg/m3。銅單位體積內(nèi)自由電子數(shù)多于鋁，故銅的導(dǎo)電性要好于鋁。鋁的熔點(diǎn)是660.4℃，銅的熔點(diǎn)為1083℃。從鋁和銅的材料特性上看，鋁的電阻率是銅的1.59 倍。在通過同樣大的電流時(shí)，同樣截面積的鋁芯電纜的發(fā)熱量為銅芯電纜的1.59 倍。銅的熔點(diǎn)比鋁要高約400℃，在使用鋁芯電纜時(shí)，應(yīng)該通過截面積的合理選擇來確保電纜在運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)高溫。由于鋁密度比銅密度要少，在同柱重量下，鋁電纜的長度比銅電纜長度長許多。所以，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，應(yīng)在附屬設(shè)備盡量選用鋁芯電纜，以降低供配電的投資金額。

2 鋁芯電纜技術(shù)選型方法

2.1 鋁芯電纜應(yīng)用范圍探討

由于鋁芯電纜電阻率是銅芯電纜的1.59 倍，以及銅芯電纜的高溫過載性要優(yōu)于鋁芯電纜，在一些國防及國家重點(diǎn)項(xiàng)目，以及大型聯(lián)合企業(yè)的關(guān)鍵流線用銅芯電纜可靠性更高。鋁芯電纜應(yīng)用定位于三級負(fù)荷較妥。對于用電負(fù)荷分級，強(qiáng)調(diào)的是供電的可靠性，但并沒有具體到采用什么材料電纜進(jìn)行供配電。在三級負(fù)荷上大量應(yīng)用鋁芯電纜，可取得好效果。例如大型聯(lián)合企業(yè)除流水線外的配套工程，后勤服工程，輔助工程。這些工程短時(shí)停電不會影響到流水線的生產(chǎn)。例如2500m3高爐的排水,鑄鐵,除塵等附屬工程均可以來用鋁茌電纜。中小型工廠的供配電也可大量應(yīng)用鋁芯電纜。例如中小型水泥廠的供配電。另外，一些小型的工廠作坊，建筑工地的建筑機(jī)械都可以采用鋁芯電纜供電。

2.2 常用鋁芯電力電纜載流量及截面積選擇

1kV 交聯(lián)聚氯乙稀電力電纜載流量如表1所示（Qe=65℃）。

表1

說明：Qe是鋁芯電纜允許長期工作溫度。表中25℃，30℃，35℃，40℃是電纜工作的環(huán)境溫度。為保證電纜的安全可靠，在選擇鋁芯電纜截面積時(shí)，應(yīng)按35℃環(huán)境溫度選規(guī)格。主芯電纜的電流為計(jì)算電流，對于短時(shí)沖擊負(fù)荷，選截電纜截面積應(yīng)考慮起動電流。

2.3 鋁芯電纜的熱穩(wěn)定性校驗(yàn)

對于10kV 重要負(fù)荷鋁芯電纜應(yīng)進(jìn)行熱穩(wěn)定性校驗(yàn)。驗(yàn)算鋁芯電纜的熱穩(wěn)定性時(shí)，短路點(diǎn)按下述情況確定：

1）不超過制造長度的單根電纜，短路發(fā)生在電纜的末端。

2）有中間接頭的電纜，短路發(fā)生在每一縮減電纜截面積線段的首端；電纜線段為等截面積時(shí),則短路發(fā)生在并列點(diǎn)后。

3）無中間接頭的并列連接的電纜，短路發(fā)生后在并列點(diǎn)后。

鋁芯電纜在滿足短路熱穩(wěn)定性校驗(yàn)時(shí)，最小截面積

式中，I∞為穩(wěn)態(tài)短路電流kA；C 為熱穩(wěn)定系數(shù)，YJLV型C=80，VJLV 型C=65；tj為穩(wěn)態(tài)短路電流流過的假想時(shí)間（s）。

式中，tb為主保護(hù)動作時(shí)間（s）；tgu為斷路器固有分閘時(shí)間（s）；thu為斷路器燃弧持續(xù)時(shí)間（s）。

3 應(yīng)用鋁芯電纜的經(jīng)濟(jì)效果分析

一般銅材的價(jià)格是鋁材的4 信左右。電力電纜的成本，芯線成本占90%以上。長距離大截面積電纜，選用鋁芯電纜有巨大的的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，某廠4#高爐槽下電除塵建在離高爐350m 的地方。4#高爐槽下電除塵計(jì)算負(fù)荷Ijs=425A。由于錳燒車間變電所的變壓器容量不夠，需從高爐變電所引入380V(T－NC) 電源。若用銅芯電纜要用YJV—1kV，3×180+1X50電纜兩根并聯(lián)供電。YJV—1kV，3×180+1×50 電纜的載流量（400C）是272A。2 根的載流量為544A。如果用鋁芯電纜，可選用的型號規(guī)格為JJLV－1kV，3×10+1×50 鋁芯電纜3 根并聯(lián)供電。3 根JJLV－1kV，3×10+1×50 鋁芯電纜載流量（400C）為546A。銅芯與鋁芯的載流量基本相等。根據(jù)報(bào)價(jià)得知YJV－1kV，3×180+1×50 的單價(jià)為765 元/m，JJLV－1kV，3×10+1× 50 的單價(jià)為208 元/m。選用銅芯電纜的總造價(jià)為535500 元，選用鋁芯電纜的總造價(jià)為218400 元。由此可知，4#高爐槽下電除塵供電電纜選用鋁芯電纜可節(jié)略投資535500-218400=317100 元。很多工程長距離大截面積供電電纜，選用鋁芯電纜都可以取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

使用銅芯電纜與使用鋁芯電纜電壓降對比分析，以上例為例進(jìn)行計(jì)算分析：

線路長 350m 計(jì)算電流為 425A，功率因數(shù)COSφ=0.80。查《工廠配電設(shè)計(jì)手冊》，185mm2銅芯電纜的電壓損失為0.062%/km，150mm2鋁芯電纜的電壓損失為0.108%。假設(shè)2 根銅芯電纜載流量均勻分配，每根電纜的載流為212A。 假設(shè)3 根鋁芯電纜載流量均勻分配，每根電纜的載流量為141A。

銅芯電纜總電壓損失率為（%）

鋁芯電纜總電壓損失率為（%）

變電所低壓母線電壓為400V，兩種電纜芯材的供電末端電壓分別如下。

銅芯電纜末端電壓為400×(1-4.6%)=382V

鋁芯電纜末端電壓為400×(1-5.3%)=380V

從以上計(jì)算可知，銅芯電纜與鋁芯電纜均可滿足電壓損失在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

銅芯電纜在16mm2以下截面積機(jī)械強(qiáng)度和韌性要好于鋁芯電纜。在16mm2以上兩者都可滿足機(jī)械強(qiáng)度和韌性要求。計(jì)算電流越大的供電線路，供電距離越長的線路，選擇鋁芯電纜的經(jīng)濟(jì)效果越好。用在6kV 和10kV 中壓供電，應(yīng)對鋁芯電纜進(jìn)行熱穩(wěn)定性校驗(yàn)。長距離鋁芯電纜供電應(yīng)進(jìn)行電壓損失計(jì)算。鋁芯電纜連接最好是壓銅鋁過渡接頭，再進(jìn)行連接。

[1] 竇飛,等.鋁芯電纜在電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2011(7):102-104.

[2] 航空工業(yè)部第四規(guī)劃設(shè)計(jì)院.工廠配電設(shè)計(jì)手冊[M].北京:水利電力出版社,1985.