合金电缆在低压配电网中的适应性研究

王 鹏 蔡国阳 黄伟琼 郭谋发 杨耿杰

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.福建省石狮电力有限责任公司，福建 泉州 362700；3. 福建省漳州电业局，福建 漳州 363000）

中国经济持续高速的增长为电线电缆行业的发展提供了巨大的市场空间。至今，电线电缆已占据中国电工行业四分之一的产值，根据导电材料的不同，电缆可分为铝芯电缆、铜芯电缆和合金电缆。近几年铜资源紧缺且价格持续上升，若能合理的利用铝资源，科学选用合金电缆，则可在满足电气性能要求的同时降低成本。目前合金电缆在低压配电网中的应用还相对较少，本文通过铜芯电缆与加铝世德合金电缆的性能对比，合金电缆选型方法以及合金电缆的现场运行状况等方面综合分析合金电缆在低压配电网中的适应性程度。

1 铜芯电缆与合金电缆的性能对比

在导电性能方面，铝和铜均为性价比高的金属。以加铝世德 0.6/1kV铝合金电缆与铜芯电缆比较，相同规格下合金电缆的电导率约为常用基准材料铜IACS的60%，合金电缆的截面积为铜芯电缆1.5倍时，其电气性能基本相同。

在力学性能方面，加铝世德合金电缆比传统铜芯电缆具有更强的柔韧性能，超强的弯曲性能和优异的抗反弹性能。独特的自铠装结构使其结构更为坚固，合金电缆安装时的电缆最小弯曲半径为7倍的电缆外径，并且需要的安装拉力比铜芯电缆小很多，力学性能优于铜芯电缆。

在连接性能方面，加铝世德合金电缆在导体退火时添加的铁元素提高了导体的抗蠕变性能，同时增加了导体的强度；加入适量的铜，增加了导体的热稳定性；加入适量的镁，增加了导体连接的接触点，减小了接触电阻使得导体运行时的发热程度减少，增强了其连接性能。

在抗腐蚀性能方面，加铝世德合金电缆的抗腐蚀性能优于铜芯电缆，工作温度范围更大。著名的古巴试验证明，在相同的外界条件下合金电缆的金属流失速度只为铜芯电缆的1/10～1/100。

在环保性能方面，目前国内生产的铜芯电缆中常加入一种盐基性铅盐类稳定剂，铜芯电缆的PVC护套料中含有铅等重金属,容易对环境和人体造成严重的伤害，在发达国家已被禁用。而加铝世德合金电缆的PVC护套料为无重金属配方，并采用低烟无卤性阻燃材料防止火灾时产生大量的浓烟，对环境的影响效果小。

2 电缆选型的技术方法

在技术方面对电缆进行选型，一般应考虑电缆型号和导体截面积的选取。

电缆型号的选择主要考虑电缆的用途、敷设条件及安全性等因素。根据用途的不同，可选用电力电缆、架空绝缘电缆、控制电缆等；根据敷设条件的不同，可选用一般塑料绝缘电缆、钢带铠装电缆、钢丝铠装电缆、防腐电缆等；根据安全性要求，可选用不延燃电缆、阻燃电缆、无卤阻燃电缆、耐火电缆等。

确定电缆导体截面积时，一般以导体发热、电压损失、机械强度等作为选择条件。根据经验，低压动力线因其负荷电流较大，故一般先按发热条件选择截面，然后验算其电压损失和机械强度；低压照明线因其对电压水平要求较高，可先按允许电压损失条件选择截面，再验算发热条件和机械强度。

2.1 载流量计算

在热稳定条件下,当电缆导体达到长期允许工作温度时的电缆载流量称为电缆长期允许载流量。

实际工程项目中电缆的载流量一般可查表得到，影响电缆载流量大小的因数很多，主要是电缆的敷设方式和敷设环境。同一电缆在不同的敷设方式下所对应的载流量也不相同。计算电缆实际载流量时，应根据电缆不同的敷设条件乘以相应的修正系数。

2.2 短路电流和热稳定计算

当短路时间不大于5s时，按照短路热稳定条件计算电缆导体允许最小截面的公式如下

式中，S为按照短路热稳定条件计算电缆导体允许最小截面（mm2）；I为短路电流有效值（A）；t为短路时间（s）；K为系数，可查表得出。

根据线路的总阻抗计算短路电流的公式为

2.3 电压损失效验

因电缆导体本身具有电阻，当电流流过电缆时会产生电压降，用电设备只能在一个允许的电压降范围内安全稳定的运行。在进行电压损失效验时，可查表得到电缆的电压降系数,电压允许偏差值一般小于5%。

电压允许偏差值计算公式为

式中， Δ U ′为电压允许偏差值；K为电缆的电压降系数（V/A·km）；L为电缆线路长度（km）；I为流过电缆的最大电流（A）；U为电缆线路线电压（V）。

2.4 机械强度

对于导体的机械强度，一般情况下可查表得出不同用途的电缆所对应的允许截面，遇到个别特殊情况，可单独进行效验。

3 电缆选型的经济方法

3.1 经济电流密度法

特大电流的低压线路，一般应按规定的经济电流密度选择电缆的截面，以使线路的年运行费用接近于最小，节约电能和有色金属。所选截面，称为经济截面。此种选择原则，称为年费用支出最小原则。

式中， Ct为项目总费用； Ci为电缆主材料费用，附件费用，施工费用等的总和； Cj为电缆损耗费用，与负载大小、年最大负荷利用小时、电价、电缆电阻以及使用寿命等因素有关。

公式（4）中， Ci和 Cj都是与电缆截面 S有关的函数。在项目总费用 Ct最小的约束条件下，可求出电缆导体的经济电流密度和相应的截面积。

3.2 全寿命周期成本法

全寿命周期成本法简称LCC。LCC管理理念考虑了设备从规划到最后报废各个环节的成本，比经济电流密度法具有更强的全面性，能对设备可靠性和投资水平的最佳平衡点做出客观的评价和决策，降低设备采购的总成本。

电缆由于其固有的特征，LCC费用计算可采用如下模型

式中， Ci为一次投资成本，指电缆在安装和调试期间，项目正式投入运行以前所付出的一次性成本；为运行成本，指电缆运行期间所花费的一切费用的总和，包括能耗费、人工费、环境费用、维护保养费以及其他费用等； Cf为故障引起的中断供电损失成本，指在故障发生后中断供电所造成的经济损失； Cd为报废成本，指工程寿命周期结束后清理、销毁该工程所需支付的费用。部分设备具有设备残值，变卖可得到一定的经济效益。

3.3 基于LCC的电缆选型

以某实际工程项目铜芯电缆与合金电缆的两种选型方案为依据，采用LCC方法对两种选型方案的经济性进行对比，最终确定合适的电缆选型方案。具体两种电缆的选型方案见表1。

表1 某实际工程项目电缆选型方案

首先对比表1中两组方案电缆的电气性能，两种方案中所选用电缆的载流量、电压降系数见表 2和表3。

表2 铜芯电缆性能表

表3 合金电缆性能表

从表2和表3可知，合金电缆的载流量均大于或等于铜芯电缆的载流量，而电压降系数与铜芯电缆大体相当，因此两组电缆的电气性能大致相同。

1）一次投资成本

通过比较两种方案中电缆的购买成本、电缆附件购买成本和电缆安装成本，分别计算出铜芯电缆与合金电缆的一次投资成本。两种方案的电缆价格见表4和表5。

表4 铜芯电缆价格表

表5 合金电缆价格表

由表 4和表 5可得铜芯电缆的购买成本为22834984元，合金电缆的购买成本为14965100元，合金电缆购买成本为铜芯电缆购买成本的66%。在一次投资成本中，电缆成本只是其中的一部分，电缆附件购买成本和安装管理费用也应包含在内。电缆附件购买成本对比见表6和表7，安装费用对比见表8。

表6 铜芯电缆附件购买成本

表7 合金电缆附件购买成本

表8 铜芯电缆与合金电缆安装费用对比

综上，铜芯电缆和合金电缆的一次投资成本见表9。

表9 铜芯电缆与合金电缆一次投资对比

由表9可知，合金电缆一次投资成本仅占铜芯电缆的67%，节约成本8143643元。

2）运行成本

电缆投入运行后，其主要运行成本为电能损耗和维护费用。由于两组电缆的电气性能大致相当，因此两组方案的电能损耗费用相同。根据电缆研究所提供的数据，在电缆维护上铜芯电缆和合金电缆是没有区别的，因此两组方案的维护费用相同。综上，铜芯电缆与合金电缆的运行成本相同，在进行LCC计算时不计入总投资成本。

3）故障引起的中断供电损失成本

由于合金电缆采用符合 GB14315-2008标准的铜铝过渡端子连接，该端子通过符合IEC61238标准模拟30年应用的1000次热循环实验，在连接稳定性上和铜芯电缆一致，铜电缆和合金电缆的损失差异基本可以忽略。

合金电缆采用的绝缘材料为美国陶氏化学的交联聚乙烯材料，护套采用的美国进口的普立万耐寒级护套料，电缆寿命长达30年，国内普通电力电缆设计寿命按照标准为 30年，由于采用的材料有差异，实际使用寿命并不一定可以达到30年。使用合金电缆的优势进一步可以体现出来。

在此次LCC的计算中，铜芯电缆与合金电缆因故障引起的中断供电损失成本相同，在进行LCC计算时不计入总投资成本。

4）报废成本

在实际项目中，电缆的报废成本包含两个方面，一是拆除的人工费及机械设备成本，二是拆除后的电缆残值。电缆残值一般为负值，这相当于收回部分的投资成本，电缆拆除成本对比见表10。

表10 铜芯电缆与合金电缆拆除成本对比

两种方案的拆除费相比较，合金电缆比铜芯电缆的拆除费用节约140526元。

废铜铝价格基于国内废品回收价格均价：1#电缆铜线 58500元/吨，割胶铝线 14200元/吨。铜芯电缆的残值费用见表11，合金电缆的残值费用见表12。

表11 铜芯电缆残值费用

表12 合金电缆残值费用

综上，可得出铜芯电缆的报废成本为-14644603元，合金电缆的报废成本为-1457911元。电缆的报废成本费用发生在30年之后，本工程LCC分析采用现值法，年贴现率按8%进行考虑。铜芯电缆与合金电缆的报废成本（现值）见表13。

表13 铜芯电缆与合金电缆的报废成本（现值）

5）两种方案的比较和评估

铜芯电缆与合金电缆LCC费用对比见表14。

表14 铜芯电缆与合金电缆LCC费用对比

由表14可看出，两种方案从30年的总投资来看，合金电缆比铜芯电缆约有29.32%的节约。因而，仅仅从投资角度考虑，选用合金电缆不失为一种好的选择。如果考虑到对环境的影响，资源的节约，可持续发展等因素，在电缆行业合理地以铝代铜更是一个有利于企业，有利于社会，有利于全球资源合理利用的选择。

4 合金电缆运行状态监测

选择福建沿海某配电变压器作为试点，该配电变压器为油浸式，容量为400kVA，给132户居民供电。在低压综合配电箱到0.4kV架空线路间更换敷设2根合金电缆，每根电缆敷设长度大于25m。采用加铝世德ZR-TC90-4×185及ZR-TC90-4×150两种型号电缆。

利用所设计的在线监测系统对运行中合金电缆的电压、电流、功率等电参数、铜铝连接处的温度及敷设环境实时监测，某一支路出线的合金电缆运行曲线见图1－图4。

图1 A相电压

图2 A相电流

图3 A相有功功率

图4 铜铝接头运行温度与合金电缆铺设环境温度

在线监测系统投入运行5个月以来，实际运行状况及监测数据均表明加铝世德合金电缆在低压配电网中能够安全稳定运行。

5 结论

通过以上分析，可知加铝世德合金电缆在电气性能、力学性能、连接性能以及经济性等方面均能达到或优于传统铜芯电缆。合金电缆的现场安装过程、实际运行状况及监测数据均表明合金电缆能够在低压配电网中安全稳定运行。若能在低压配电网中推广应用合金电缆，将会降低低压电缆工程建设成本，提高社会经济效益。

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