鋁合金電力電纜在公路工程配電設計中的應用

王秀英, 劉勇健

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,成都 610041)

0 引言

電線電纜在我國的基礎建設中起著很重要的鏈接作用,電力電纜用于傳輸和分配電能,在公路工程配電設計中常用于照明、通風、消防、監控、收費、通信等供電線路。

在國內,公路機電設計行業絕大部分采用銅芯電纜,通過多年實踐證明銅芯電纜導電性好、載流量大、耐腐蝕性好、機械抗拉強度高。

銅是地球上一種不可再生自然資源之一,銅在地殼中的含量約為0.01%,主要分布在北美、拉丁美洲和中非地區,我國銅儲量約占全球的4.28%。隨著國民經濟發展,銅的需求將保持增長,我國是主要的銅消費國,也是主要的銅進口國。 我國鋁土礦資源分布比較豐富,是主要的鋁出口國。

公路工程電纜沿公路全線分散分區段設置,特別是邊遠山區,易于偷盜,會造成很大經濟損失,同時由于機電設備失電,可能造成交通安全隱患。 鋁合金電纜中鋁的質量分子數大于95%,是以鐵和稀土等為主要合金元素,通過特殊工藝處理的電纜。若在工程中采用鋁合金電纜,偷盜可能性大大降低。 積極探索鋁合金電纜在公路工程配電設計中的應用,是推進經濟結構調整,建設"資源節約型、環境友好型"社會應盡的責任與義務。

1 相關規范的規定

公路工程電氣設計中執行建筑電氣設計和國標中相關規定:依據JGJ 16-2008 民用建筑電氣設計規范中第7.4.1 條相關規定,導體的選擇原則,可選用銅芯或鋁芯電纜和電線;民用建筑線纜宜采用銅芯電纜或電線,但在易燃、易爆場所和特別潮濕等場所應選用銅芯電纜或電線。 該條款未限制鋁合金電線電纜的使用,條款中的宜的定義是表示允許稍微有選擇,在條件允許時首先應這樣理解。

依據GB 50096-2011 住宅設計規范中的8.7.2條第2 款規定住宅進戶線和戶內分支回路電纜的選擇。 線纜敷設應符合防火和安全相關要求,導線材質應采用銅芯線纜,進戶線纜的截面應＞10mm2,分支線纜截面應＞2.5mm2。 從用電需求發展、線纜機械強度等角度明確規定每套住宅線纜芯線材質和截面要求。

依據JGJ 242-2011 住宅建筑電氣設計規范中的第6.4.2 條, 在電氣豎井內敷設作為主干供電的封閉母線和線纜,可選用銅、鋁或合金材質的導體。該規范說明鋁合金電纜在住宅電氣設計中主要作為干線供電電纜使用。

依據GB 50217-2018 電力工程電纜設計標準中的第3.1.1 條,在振動場所、有爆炸危險場所和耐火電纜應采用用銅導體電力電纜;在第3.1.2 條規定,除第3.1.1 條明確規定應選用銅導體外,其余電纜可選用銅、鋁或鋁合金導體。 鋁合金不宜作為作為電壓等級1kV 以上導體材質。

依據GB 50016-2014(2018 版) 建筑設計防火規范中第10.1.10 條,要求線纜敷設路由應滿足消防配電火災連續供電的需求,且此條為強條。 消防配電線路和其他配電線路敷設路徑宜分開敷設,布設在不同的電纜井和電纜溝,若確有困難時,應分別布置在電纜井、電纜溝的兩側,且消防配電回路應采用礦物絕緣類不燃性電纜。 公路隧道內電纜敷設路徑一般在電纜溝和隧道壁上安裝橋架或線槽,要將消防配電和其他回路電纜路徑完全分開,有一定難度時,在選擇同路徑電纜時宜選用同材質導體線纜。

2 鋁合金電纜特點

鋁合金導體的機械性能和耐腐蝕性能較差,一般在電工鋁中加入鐵、硼、鎂、硅、鋅、錳等合金元素,同時通過特殊工藝調整處理,提高鋁合金性能,彌補純鋁導體電纜的不足。

銅的電極電勢0.342V,鋁的電極電勢為-1.662V,二者的電位差是1.662+0.342=2.004V。 鋁、銅導體直接連接時,這兩種金屬接觸表面在空氣中的水等其他雜質作用下,極易形成電解液,由于二者存在電位差,鋁會逐漸被氧化腐蝕,銅得到還原,在鋁線表面生成氧化物,造成銅、鋁連接處的接觸電阻增大,接頭容易發熱,有電氣火災安全隱患。

銅和鋁熱在20℃時膨脹系數系數分別為17.5(1E-6 /K)和23.2(1E-6 /K)。 導體溫度將隨環境溫度溫度變化而變化,外部電源電壓中部穩定將影響電流變化,電流的大小影響導體溫度,在外部環境和電源質量綜合影響下,銅鋁導體作不同收縮和擴張,由于二者膨脹系數不同,將造成二者接觸不良,接頭處會發熱,導體發熱將導致電阻增加,加劇接頭發熱,形成惡性循環。 電纜發熱導致電纜絕緣加速老化,引發電氣火災。

電纜中間接頭如果是與相同的電纜連接,與普通電纜一樣,選擇普通電纜接頭就可以;如在配電柜內,不允許將鋁導體和銅導體直接相連。 銅、鋁導體連接須采用銅鋁專用過渡端子。

20℃時,銅線纜直流電阻率1.72 × 10 - 8 (Ω·m),電工鋁直流電阻率2.82 (Ω·m),鋁合金電阻率略大于鋁。 同截面鋁合金芯電纜載流量為銅芯電纜的0.61。

銅的熔點為1 083℃,鋁的熔點是660℃,一般情況下合金的熔點比純金屬的熔點應該低些,在GA 306.2-2007 阻燃及耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級和要求 第2 部分:耐火電纜中規定,一般耐火電纜供火溫度為750 ～800℃,A 級耐火電纜供火溫度為750 ～800℃,鋁合金無耐火電纜。 火災起火點溫度800～900℃,在消防等重要場合,明文規定應采用耐火電纜,

鋁合金電纜由于自身重量較輕,較易施工,可減少施工人員,節省安裝費用;柔韌性較好,電纜設施轉彎半徑較銅小,方便在井內盤曲;由于相當銅材料低廉,回收價較低,不易于被偷盜。

但鋁合金電纜在與銅芯電纜相同載流量下,其外徑較大,預埋孔和橋架尺寸均需要加大,工程費用有所加大。 它需要專用鋁合金端子頭,而且壓接端子頭工具較昂貴,并由廠家專門配套,維護時間較長。 且只有阻燃級,沒有耐火級電纜。 由于機械強度問題,導體截面10mm2以下時不應選用鋁合金電纜。

3 公路工程配電設計電纜類型分析

公路工程路段照明系統、隧道機電系統等場所的配電均使用大量電力電纜。 電纜在機電造價比例較高,在合適場所探討采用鋁合金電力電纜合影節省投資。

由于鋁合金電纜沒有耐火級電纜,涉及消防設施,供電等級要求交高的場合,不適合選用。 根據機械強度問題,供電照明、插座和設備末端分支電纜應選用銅芯電纜。 相同載流量下,鋁合金電纜截面更大,電纜敷設場地狹窄受限時,不宜選用。

路段照明敷設在室外,導體截面一般為25 mm2等截面或非等截面。 燈具布置間距一般為30 ～40m,接頭數量較少,可采用鋁合金電力電纜供電。

根據隧道規模和交通量設置通風設施。 風機當風機功率為22kW,風機根據載流量選擇的電纜截面為三芯10mm2銅芯電纜;一般采用放射式供電方式時,無分支電纜。 射流風機按照隧道內舒適設置的運營工況送風機時,其供電電纜可以采用鋁合金電力電纜。 但隧道內通風機一般兼做營運工況和火災工況風機,很難將二者區分,要求在隧道內發生火災時,保證射流風機應能正常可靠運轉1h。在選擇通風供電電纜時,根據通風工況形式選擇合適的電纜。

對于隧道內樹干式配電的加強照明,隧道入口燈具數量與行車速度相關,當車速達到120km/h時,入口段長度約350m,燈具數量約800 盞,根據情況分4～8 個回路供電,每盞燈分支電纜一般用3×2.5mm2銅芯電纜,由于鋁合金與銅芯接頭數量多,對施工要求高,且隧道內基本照明和應急照明負荷供電等級為一級,且主干電纜截面較小,故不建議隧道內主干采用鋁合金電纜。 在低等級公路上的加強照明,隧道入口段亮度低,燈具數量較少,加強照明長度短,一般低等級公路全線不封閉,存在電纜偷盜嚴重的現象,建議嘗試用鋁合金電纜作主干供電電纜。

筆者根據相關規范和工程經驗,推薦以下情況,可以采用鋁合金電力電纜。

(1)射流風機為排煙風機時,應用有限。

(2)若隧道內照明采用從洞外變電所供電方式時,從變電所至隧道洞口變電所至隧道內配電箱加強照明主干電力電纜。 從隧道內配電箱至燈具,行車速度較低時,敷設于隧道內這部分干線根據實際情況可考慮采用鋁合金電力電纜。

(3)引道路燈和道路照明電力電纜,選用鋁合金電力電纜時,可以節省投資;同時比選用銅芯電力電纜截面大,且更能滿足開關靈敏度要求。

(4)電纜截面＞10mm2的外場監控設施。

4 鋁合金電纜設計選型、施工和驗收

4.1 設計選型

電纜選擇包括絕緣材料和護套選擇,應考慮氣候的適應性和使用場所。 在高海拔地區的環境溫度＜-15℃時,不應選用普通聚氯乙烯絕緣電纜;在公路隧道選用低煙、低鹵或無鹵阻燃電纜;在潮濕或易受水浸泡的電纜,其金屬層、鎧裝上應有聚乙烯護套層;在有鼠患嚴重的場所,應選用金屬包帶或鋼帶鎧裝電纜。 直埋電纜應采用帶護套的聯鎖鎧裝電纜。

電纜導體截面選擇應滿足載流量大小,按照電壓降、機械強度效驗截面。 用電設備若UPS、直流電流源、LED 燈、氣體放電燈等均含有不同程度的諧波,在選擇導體截面時,計入諧波電流的影響。 當導線截面＞10mm2時,根據負荷電流選擇的電纜截面,一般能滿足導體熱穩定、機械強度要求,只需要再驗算電壓降。

電纜導體截面的選擇還需要考慮保護等相關要求。 對于公路隧道機電供電電纜和道路照明電纜,截面不大,但電纜長度達數百米,特別注意驗算電纜能否滿足接地故障。

鋁合金電纜選型應滿足文獻[6]中相關參數,并按照文獻[7]中相關圖集進行設計。

4.2 鋁合金電纜施工

電纜的壓接工具、壓接工序及附件應符合相關標準要求,并確保電纜終端與保護設備或用電設備連接處匹配。

電力電纜的在低溫下安裝時,在低溫下施工時,電纜容易變脆,導致損壞無法安裝,要求電纜應將電纜放置室內,放置時間應＞24h;電纜安裝時的環境溫度≥15℃。

電纜進線終端、中間接頭或分支接頭連接時,應對導體進線清潔,然后涂敷抗氧化油脂。

鋁合金電纜中間接頭、終端、分子接頭、分子接線箱及接地配件宜由電纜生產廠家提供配套產品,并符合國家標準要求。

鋁合金電纜分支,可以采用絕緣穿刺線夾、T 接線箱、分支端子。 鋁合金電纜需要專用鋁合金端子頭,并由廠家專門配套。

銅鋁過渡端子有CAU 型、DTL 型、針形。 針形銅鋁過渡端子適用于鋁合金電纜與微型斷路器連接。 若端子寬度與斷路器接頭不匹配,應使用轉接銅排連接。 端子與銅排連接時,螺栓的擰緊力矩應符合表“螺栓擰緊力矩”。

在相同載流量下,鋁合金電纜外徑較大,預埋孔和橋架尺寸均需要加大,改造項目時,需要實地考察。

4.3 鋁合金電纜驗收

查驗廠家的鋁合金電纜導體與鋁合金銅連接端子的鋁合金材料一致性檢查報告和導體鋁合金材料的100h 抗壓蠕變試驗報告,確保廠家能生產合格的鋁合金電纜。

鋁合金電纜與端子應通過文獻[8]中1000 次熱循環試驗,考核端子連接是否可靠。

全負荷運行時,應檢查接頭部位的外護套溫度,其溫度不得高于電纜本體溫度。

5 結束語

目前國內鋁合金電纜質量參差不齊,故國家發布GB/T 31840-2015《額定電壓1kV (Um=1.2kV)到35kV (Um=40.5kV)鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》規范,規定了材料、結構、尺寸和試驗要求;國家能源局NB/T 42051-2015《額定電壓0.6/1kV 鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜》規定了結構、材料和試驗要求。 鋁合金電纜的大力推廣,電纜連接技術是關鍵,需提高鋁合金電纜施工工藝水平。 隨著國際和行業規范逐步出臺,鋁合金電纜行業進一步規范化,其發展前景空間還很大。