銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的應(yīng)用探討

張方 王位權(quán) 于笑辰 葛雷 王偉陽 劉鳳月

摘?要：本文對銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量、機械性能、連接性能、經(jīng)濟性和可再生性等多方面與銅導(dǎo)體電纜進行對比分析，探討其在工程中應(yīng)用的可行性。通過研究表明該產(chǎn)品不但各方面性能可靠穩(wěn)定，使用壽命長，而且性價比高。結(jié)合國家政策對該產(chǎn)品的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：銅包鋁合金;有限元分析;載流量;機械性能;可再生性

中圖分類號：TM244.1??文獻標(biāo)識碼：A

目前，國內(nèi)電力輸送的主要載體是銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體。銅導(dǎo)體性能優(yōu)異但是造價高，鋁導(dǎo)體易氧化形成致密氧化膜，大大增加導(dǎo)體電阻，損耗較大。國內(nèi)一直在積極探索合適的電纜導(dǎo)體，繼而出現(xiàn)將銅層均勻而同心地包覆在鋁芯線上，并使兩者界面上的銅和鋁原子實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種層狀復(fù)合材料-銅包鋁導(dǎo)線（以下簡稱CCA），而鋁芯機械性能較差，適用性有局限[1～3]。目前，鋁合金電纜[4，5]在歐美市場占有率高，若采用銅包鋁合金（以下簡稱CCAA）可以綜合銅和鋁合金的優(yōu)點，CCAA導(dǎo)體克服了鋁導(dǎo)體強度低、易蠕變和銅芯導(dǎo)體密度大、成本高等缺點，具有可焊性強、易加工、密度小、彎曲半徑小和經(jīng)濟性等優(yōu)點。

電纜的載流能力取決于導(dǎo)體的交流電阻、電壓等級和環(huán)境溫度。銅導(dǎo)體在50Hz交流頻率下的集膚深度約為9mm，大部分的電流都分布在集膚深度范圍內(nèi)。因此，如果在集膚深度內(nèi)的外層導(dǎo)體采用銅導(dǎo)體，在集膚深度以外的內(nèi)層導(dǎo)體采用CCAA形成的新型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以在滿足載流量的前提下，節(jié)約銅材損壞，這樣的組合也是最為經(jīng)濟合理的。

目前還未有CCAA與銅復(fù)合導(dǎo)體的新型結(jié)構(gòu)電纜（以下簡稱銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜）相應(yīng)的載流量計算標(biāo)準(zhǔn)和選型方法。因此，對于銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量研究，可以為其工程示范應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 載流量分析

1.1 幾何模型建立

以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例進行幾何建模，各層結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜和銅導(dǎo)體電纜的各層尺寸保持一致。

如圖1所示，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的導(dǎo)體內(nèi)三層為銅層體積比為15%的CCAA，外三層為銅導(dǎo)線，主要研究不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對載流量的影響。

1.2 仿真模型建立

為了提高運行效率，采用二維平面對電纜進行建模，電纜采用較細網(wǎng)格進行剖分，電纜溝及周圍土壤采用粗網(wǎng)格進行劃分。

以電纜溝內(nèi)敷設(shè)電纜的工況為例，電纜敷設(shè)環(huán)境參數(shù)如表2所示，分析傳熱過程可以確定傳熱方式主要包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。在傳熱學(xué)中有三類邊界條件，模型中電纜溝尺寸為1.6m×2m，選擇距離電纜溝壁底部2m處為下邊界，深層土壤溫度恒定為10℃屬于第一類邊界條件;距離電纜溝壁左右兩側(cè)2m處為左右邊界，與熱源有足夠距離，溫度認為無變化屬于第二類邊界條件;電纜溝蓋板為上邊界，空氣溫度恒定為40℃與空氣對流換熱屬于第三類邊界條件。對三相電纜線芯導(dǎo)體施加幅值相同，相位差為120°的交流電，并在Z軸方向施加耦合電壓。

1.3 電纜電流密度分布

在COMSOL軟件中，800mm2截面的銅導(dǎo)體電纜和銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的導(dǎo)體中加載900A的電流，其電流密度分布分別如圖2和圖3所示。

銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的集膚效應(yīng)體現(xiàn)的更加明顯，外層銅導(dǎo)體的最大電流密度達到1.72×106A/m2，而內(nèi)層銅包鋁合金導(dǎo)體的電流密度僅為外層銅導(dǎo)體電流密度的1/3。

1.4 電纜載流量

電纜載流量與電纜導(dǎo)體溫度有著直接的聯(lián)系，基于二分法原理可以通過迭代導(dǎo)體溫度，確定導(dǎo)體溫度等于90℃時的電流為電纜載流量。在電纜溝中單回路110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜分別以品字形排列和一字型排列時，達到滿載的情況下，其熱場分布如圖4所示。

以單回路110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，通過COMSOL有限元仿真可以得到電纜在不同情況下的載流量如表2所示，數(shù)據(jù)表明采用一字型排列時，隨著相間距的增大，載流量有所提升且增大的幅值隨著間距的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)間距增加至400mm后，載流量變化不再明顯，因此敷設(shè)時相間距應(yīng)在300～400mm范圍內(nèi)經(jīng)濟性較好。由于“品”字形排列時，相間距等于電纜外徑約100mm，散熱條件相比“一”字形排列要差，所以載流量要低不少。

不管是“品”字形排列還是“一”字形排列，等導(dǎo)體截面的銅導(dǎo)體電纜和銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的載流量相差并不大，平均差值在12%左右。

2 機械性能分析

關(guān)鍵機械性能分析：a）抗拉強度：鋁合金導(dǎo)體的抗拉強度為115～150MPa，銅導(dǎo)體的抗拉強度為200～270MPa，銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體的抗拉強度介于兩者之間，完全滿足施工和運行要求;b）延伸性能：鋁合金導(dǎo)體經(jīng)退火后，延伸率可達30%，而銅導(dǎo)體的延伸率在25%左右，CCAA延伸率介于兩者之間，因此銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體的延伸性能要略優(yōu)于銅導(dǎo)體;c）彎曲半徑：鋁合金導(dǎo)體柔韌性較好，鋁合金電纜最小彎曲半徑為7倍電纜外徑，CCAA的柔韌性與鋁合金相近，因此銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的彎曲半徑要求小于銅導(dǎo)體;d）抗蠕變性能：鋁合金中添加的銅元素增強了高溫時的電阻穩(wěn)定性，添加的鐵元素提高了抗蠕變性能，再輔以特殊的退火工藝[6]，其蠕變量基本與銅導(dǎo)體達到相當(dāng)?shù)乃健？梢娿~包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體具備穩(wěn)定的連接性能。總體來說，在機械性能方面，采用銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體替代銅導(dǎo)體，電纜性能有增無減。

3 連接特性分析

電纜導(dǎo)體與金具連接最為關(guān)注的指標(biāo)是接觸電阻和熱穩(wěn)定性。與金具接觸的是導(dǎo)體最外層銅導(dǎo)體，因此，復(fù)合導(dǎo)體的接觸電阻和銅導(dǎo)體一致。由于CCAA中銅和鋁合金的線膨脹系數(shù)有差異，因此，當(dāng)接頭處收到冷熱溫度交替變化時，可能會影響連接處的穩(wěn)定性。已有日本科研工作者通過200次通電熱循環(huán)試驗證明，CCA與銅質(zhì)金具連接具有穩(wěn)定特性[7]，而CCAA的蠕變性能相比CCA提高了300%，可以充分證明復(fù)合導(dǎo)體與金具連接在使用中的可靠性。

4 經(jīng)濟性分析

CCAA的鋁合金中融入了少量稀土元素可以有效緩解銅鋁界面處的電化學(xué)腐蝕，耐腐蝕性能大大提高，通過包覆銅層后，抗氧化性能也進一步提高，使用壽命為30年，與銅導(dǎo)體電纜相比無差異。由電纜結(jié)構(gòu)尺寸表可知，以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，銅導(dǎo)體電纜的單重為13329.5kg/km，而銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜的單重為12445.1kg/km，單重降低了7%。銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜與銅導(dǎo)體電纜相比，重量減輕，反彈性減弱，彎曲半徑要求降低，敷設(shè)施工安裝難度大大降低，尤其是在轉(zhuǎn)角處，安裝費用可以縮減的同時安裝周期也可以縮短。

以110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜和銅導(dǎo)體電纜對比為例，通過結(jié)構(gòu)表進行電纜材料成本分析，可以發(fā)現(xiàn)銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的材料成本為銅導(dǎo)體電纜的90%，電纜截面越大，CCAA占比越大，電纜材料成本越低。結(jié)合單重數(shù)據(jù)及載流量表可計算得出，在電纜溝“一”字形排列（相間距300mm）敷設(shè)條件下，銅包鋁合金/銅復(fù)合電纜單位重量的載流量可達銅導(dǎo)體電纜的96%。可以說，110kV 800mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜采用銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體可以在保證電纜線路在額定載荷下正常運行的前提下，減少10%左右的直接采購成本。

5 可再生性分析

中國工程院院士黃崇祺曾提出，銅包鋁線的回收再生利用是電線電纜行業(yè)規(guī)模化使用CCA的前提條件[8]，CCAA亦是如此。目前較為成熟的報廢CCA再生利用方法有兩種，一種是直接熔煉法，應(yīng)用于煉鋁工業(yè)中硬鋁合金、鍛鋁合金的熔煉和煉銅工業(yè)中鋁青銅的熔煉;另一種是電解分離法，應(yīng)用于銅和鋁的電解精煉工業(yè)。CCAA與CCA相比，僅多了極少量的鐵、鎂、硅、鋅和硼等元素，可見CCAA的回收利用是同樣可行的。有相關(guān)報道表明，2018年我國再生鋁的產(chǎn)量已經(jīng)達到695萬t，占全鋁消費量的16%，隨著回收體系的不斷完善，仍有巨大的發(fā)展?jié)摿9]。

6 結(jié)語

通過載流量、機械性能、連接性能、經(jīng)濟性和可再生性等多方面的論證，說明銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的力學(xué)和電學(xué)性能都能滿足使用要求且具備一定的成本優(yōu)勢。與此同時，銅、鋁資源的合理搭配響應(yīng)了我國建設(shè)資源節(jié)約型社會的方針，可作為銅導(dǎo)體電纜、鋁合金導(dǎo)體電纜產(chǎn)品的補充，具有市場前景。但是，目前銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜尚未制定標(biāo)準(zhǔn)，致使生產(chǎn)企業(yè)無法統(tǒng)一，用戶在設(shè)計、采購和施工時亦無標(biāo)準(zhǔn)借鑒。建議在進一步深化研究銅包鋁合金/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的基礎(chǔ)上，推進工程的示范應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作的落實。

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