铝合金电缆在电力工程中的应用

耿 健，周 翔

（中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054）

1 铝合金电缆的应用现状

电缆作为电力工程中的主要材料，一般用于电力的传输，在电力工程中起着至关重要的作用。电缆的种类多种多样，选择合适的电缆不仅能增加电力系统的稳定性和安全性，对电力工程的造价也有着重要影响。

金属导体是电缆最重要的组成部分，通常选择导电性能优良的金属作为电缆导体，如铜、铝等。GB/T 3956—2008［电缆的导体］4.1条中规定：导体应包含以下类型之一：1）不镀金属或镀金属的退火铜线。2）铝或铝合金线。相应的，根据标准金属导体的种类，电力工程中常用的电缆分为铜电缆、铝电缆和铝合金电缆。

铜电缆和铝电缆作为较为传统的电缆类型，已为大家所熟知，并在电力工程中得到广泛的应用。铜电缆因其优越的导电性能和机械特性，应用最广；铝电缆虽然价格较为低廉，但因其固有的导电率低、易蠕变、极易断裂等特点，仅用于较不重要的场合。在GB 50217—2007［电力工程电缆设计规范］第3部分［电缆型式与截面选择］对电力工程中铜芯与铝芯电缆的使用范围有详细的规定。铜芯电缆适用于所有场合，而控制电缆、耐火电缆及用于安全性、连接可靠性要求较高的场所的电缆等均不允许采用铝电缆。电力作为关系国家安全的重要产业，对电网运行及用户的管理均以“安全第一”为目的，因而对于电网设备要求也极为严格，对铝电缆的使用十分谨慎，这也导致了我国电缆工业中铝导体用量占比很低。

铝合金电缆作为一种新型的电缆，虽然历史不长，但因其优越的性能和相对较低的价格，近年来迅猛发展，成为电缆行业中一股新生力量，引起越来越多的关注。20世纪60年代末，在全球铜资源缺乏的背景下，一种新型铝合金电缆产品得到开发，并应用于配电领域。因其良好的性能，从19世纪70年代初开始在北美得到了广泛的推广和使用，2007年进入中国后在北京、天津、浙江、辽宁、广东、四川等地逐步打开市场。最初的铝合金电缆均从国外进口，价格较为昂贵，与铜缆相当，随着合资厂的设立和国产品牌的出现，铝合金电缆产能扩大，竞争加剧，价格逐步下降，优势越来越明显，市场份额也迅速增长。但铝合金电缆目前主要用于房地产项目、商业项目和电缆用户工程，仍难以进入电网工程的采购名录中，市场份额仍然偏低。

铝合金电缆若要打破人们心中铝质电缆安全性能较低的固有印象，调整铜电缆在电缆市场中的霸主地位，一方面其优异的性能需经受住市场的考验，另一方面也需要电力工程相关行业人士摒弃旧有观念，以开放和宽容的心态去面对这一新产品。

2 铝合金电缆与铜电缆的性能比较

铝合金电缆若想在电力工程中占有一席之地，打破铜电缆在电缆行业中的垄断地方，则应在与铜电缆的比较中，有其独特的技术与经济优势。

2.1 铝合金电缆的主要参数

铝合金导体以金属铝为主要成分，通过添加铜（Cu）、锰（Mn）、镁（Mg）、钛（Ti）、铬（Cr）、锌（Zn）、铁（Fe）和硅（Si）等多种元素，经过先进的合成和退火等工艺，弥补了纯铝电缆的不足，改善了纯铝电缆的物理性能和工艺性能，提高了电缆的抗腐蚀、抗蠕变能力，保证电缆即使在长时间过载和过热时的连接稳定性。

2.1.1 电阻率

铝合金导体的电阻率与铝相当，约为铜的1.68倍，由于铜芯电缆的电阻率低，在同截面情况下，铜芯电缆的电压降较小。但一般在工程应用中，铝合金电缆为了达到相同的载流量，放大截面后，电压降相当。

2.1.2 质量铜的密度约为8.9t/m3，铝合金的密度与铝相当，约为2.7t/m3，即在单位面积质量下，铜的质量约为铝合金的3.3倍。

2.1.3 导电能力

如果按铜的导电率是100%计算，铝合金的单位体积电导率与铝相当，约为61.2%。由于导体的导电能力与导体截面成正比，则（8.9/2.7）×（0.612/1）＝2，即2kg铜的导电能力与1kg铝合金相当。另外，考虑密度后，合金电缆的截面积约为铜的1.5倍时，其电气性能相同。

因此，在实际的电缆选型中，铝合金电缆截面约为铜电缆的1.5倍，质量约为铜电缆的一半。

2.1.4 短路热稳定能力

根据《电力工程电缆设计规范》GB 50217—2007，按短路热稳定条件计算电缆导体允许的最小截面，公式如下

经计算（此处略去计算过程）可得，铜电缆热稳定系数C铜＝13 700，铝合金电缆热稳定系数C铝＝9 000。在通过相同的短路电流并且短路持续时间相等的情况下，设定S铜≥S基准，则S铝≥1.52S基准，即在相同的条件下，铝合金电缆的截面必须为铜电缆截面的1.52倍以上。

综上所述，铝合金电缆选型时，截面应考虑放大。当放大约1.5倍时，主要参数基本与铜电缆相当。

2.2 铝合金电缆的优点

2.2.1 铝资源丰富

地壳中的铝以铝土矿（铝矾土）的形式存在，铝土矿中氧化铝的含量一般在40%以上。铝是地壳中含量最丰富的金属。在地壳总质量中，铝约为8%，铁约占5%，而铜约占0.000 1%。这说明，在作为电导体的金属资源开发利用中，铝比铜有绝对吸引力。

2.2.2 改良的机械性能

铝电缆因其易蠕变、连接可靠性较低、易断裂等固有特点而饱受诟病，国家供电的安全可靠性，对铝电缆的应用也做了诸多限制，使得铝电缆在电力行业中的应用很少。但在经过特殊的工艺处理后，铝合金导体在抗蠕变、压紧性、屈服强度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高。在国外三十几年的使用中，安全可靠，故障率极低。可见，虽然铝合金导体的含量90%以上仍是铝，但是其含有的微量元素已经彻底改变了其大部分机械性能。

2.2.3 价格低

2013年初，铜材的价格约为45 000元/t，铝材约为12 000元/t，铝材的价格仅为铜材的约1/4，考虑同等电气性能下，铝材质量仅为铜材的1/2。

即若采用纯铝电缆，其铝导体价格仅为铜导体价格的1/8，价格相差巨大。当然，电缆的价格并不仅由导体的价格决定，其绝缘层、保护层、加工运输费及公司生产运营中的各种成本都对电缆的价格有影响。但金属作为电缆中最重要的组成部分，是影响电缆价格的关键因素。

当前铝合金电缆的价格比铜电缆的价格低约10%～20%，随着铝合金电缆的推广，竞争的引进，铝合金电缆的价格优势将越来越明显。

2.2.4 安装、运输成本低，工期短

与铜电缆相比，铝合金电缆的质量仅为其1/2，在电缆运输、现场搬运、电缆敷设时十分方便，大大减少了对工作人员的数量和配合难度的要求，从而也缩短了不少工期。随着人力成本的不断提高以及工程项目对工期的要求越来越紧，铝合金电缆的出现，正好适应了这种需求。

质量的大幅减轻，同时也减少了对电缆固定支架、桥架等材料的要求，同时电缆的安装方式也更为多样，甚至能够通过简单的卡子固定在墙上明敷。

电缆的转弯半径是电缆敷设时特别需要注意的重要参数，GB 12706中的表3对电缆的最小转弯半径做出了规定，详见表1。

表1 电缆安装时的最小弯曲半径

合金电缆安装时的电缆最小弯曲半径大于7倍电缆外径即可，远小于表1中的要求，尽管铝合金电缆截面略大，外径约为铜电缆的1.2倍左右，安装仍更为方便。

可见，因为质量轻、转弯半径要求低，铝合金电缆为安装、运输和工期控制带来了极大的便利。

2.2.5 防盗

因为铜价较高，当铜电缆敷设于户外时，极易被盗。户外电缆被盗时，不仅造成了电缆材料的损失，意外的停电会造成更大的间接损失，该问题一直困扰着电力相关部门。

铝合金电缆中的铝导体回收价值较低，仅能按一般铝材进行回收。如2.2.3分析，其价格仅为铜导体的1/8，因此其被盗的风险极低，能有效解决铜电缆被盗的问题，减少铜电缆频繁被盗带来的损失。

2.3 铝合金电缆的缺点

2.3.1 载流量小

铝是最常用来制作合金的金属，通过添加部分微量元素，铝的性能会得到极大的改善，原来柔软的铝经过加工，甚至可以应用于航空、汽车等对机械性能要求极高的领域。虽然机械性能得到提高，但在铝中加入其它多种合金元素后，导电性能会下降。尽管通过工艺控制，可以使导电率恢复到接近纯铝的水平，但仍无法超过纯铝。

因载流量偏小，在选择电缆时就必须增大导体截面，甚至增加电缆根数。例如1×400的铜电缆，可能就要采用1×630（或2×185）的铝合金电缆来代替。电缆截面的增大及根数的增加，在柜、盘内等连接拥挤的地方就有可能带来安装的不便。此外，连接头的增多，也会增大发生事故的概率。

2.3.2 体积较大

尽管可通过一些工业的严格控制，来提高压紧系数，以减少铝合金电缆截面的增加量，但铝合金电缆的外径基本仍是要大于铜电缆的1.2倍。铝合金电缆的尺寸较大，保护管的外径需相应增大，电缆沟、电缆隧道、电缆竖井等电缆通道在设计时也需要考虑更大的尺寸。在一些空间较为紧张的区域，会带来布置上的麻烦。

2.3.3 耐高温能力弱

铝的熔融温度为600℃，而铜可达到1 080℃。在高温环境中使用的耐火电缆要求具有在经受750～1 000℃作用下维持通电的功能。因此，在高温环境及耐火电缆的选择中，不应使用铝合金电缆。

3 铝合金电缆的市场前景

多种规格的铝芯电缆定型产品在我国已经生产多年，但是其市场反应一直较为冷淡。制造行业也未曾对铝芯电缆产品加大技术投入，宣传力度也不够。但随着铜价的迅猛上涨，铜与铝的比价越来越大，2001年时，铜与铝的价格相当，而到2013年，铜价格几乎为铝的4倍，而且还有继续拉大的趋势。近年来，铝质电缆受到越来越多的关注。

铝合金电缆在纯铝电缆的基础上，经过复杂的加工工艺，性能得到了极大的改良，在北美也已经有30年以上成功的运行经验，并且广受好评。2007年，铝合金电缆引人中国，也逐渐地打开国内市场。目前铝合金电缆的推广，主要有两个方面的阻碍，一是人们对铝芯电缆性能低劣的根深蒂固的观念，包括在电力行业一线工作的设计、施工、生产运行等专家；二是目前铝合金电缆多为进口合资品牌，价格较高，如何能引人竞争，并扶持国内企业掌握核心工艺，生产出高标准的电缆，以降低产品价格，推动铝合金电缆行业的发展。

要改变人们对铝芯电缆的固有想法，需要电力行业中各个领域的专家们对铝合金电缆以客观的态度做出评价，并适时地更新相关规范，以指导人们对铝合金电缆的选用。例如，目前GB 50217—2007［电力工程电缆设计规范］中尚无关于铝合金电缆的规定，设计人员在选用电缆时，没有可用的依据，又不能将铝电缆的标准用于铝合金电缆，出于谨慎考虑，基本不考虑铝合金电缆的使用，这就阻碍了铝合金电缆的推广。此外，若想降低铝合金电缆的价格，需引入国外优秀的电缆企业，同时在政策上扶持国内电缆制造企业，学习先进的制造技术，带动市场的良性竞争，降低铝合金电缆的市场价格。

我国是世界上最大的铜消费国，国内铜资源稀缺，大量依赖进口。在这种背景下，推广使用铝合金电缆有其特殊的战略意义。对于电缆制造厂自身来说，亦有大量的工作需要完成。由于铝合金载流量低、外径大、熔点低、种类少等缺点，无法完全取代铜电缆的市场位置，如：消防电缆目前仍不允许使用铝合金电缆，国内无法量产10kV铝合金电缆，铝合金电缆种类相对较少等。电缆制造厂应在加工工艺及电缆性能的提高方面加大研发投入，同时提供更多种类的铝合金电缆产品，以满足市场的需求，扩大铝芯电缆的应用范围。

4 结 语

传统的铝芯电缆，因其易蠕变、易断裂、连接可靠性低等固有特点，在电力工程的应用中非常少，仅应用在对安全可靠性要求较低且对成本要求较高的场所。铝合金电缆是一种改良型产品，采用的是AA8000系列的合金，与铝相比，在抗蠕变、压紧性、屈服强度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高，且铝合金电缆较轻，能降低安装运输成本、压缩工期，可广泛应用于电力工程中。但由于其载流量小，体积大，不耐高温、种类较少等缺点，无法完全取代铜芯电缆在电力行业中的应用。从资源节约、可持续发展及国家战略意义上看，我国铜消费量巨大，且铜资源短缺，大量依靠进口，采用资源丰富的铝合金电缆逐步代替铜芯电缆是一种趋势。

铝合金电缆是一个历史不长的朝阳行业，在国外已有30多年的安全运行经验，2007年才进入我国。铝合金电缆是否能消除人们长期以来的固有印象，在电力项目中是否能得到推广，有赖于电力行业中各个领域及相关部门的专家对铝合金电缆的客观评价，并适时地根据其特点制定相关规范以引导其在电力行业中的应用。电缆制造厂也应提升自身工艺水平及产品性能，丰富铝合金电缆种类，以扩大铝合金电缆适用范围，以增加其在电力行业中的竞争力。

综上所述，目前我国电力行业铝金属使用比例远低于国外平均水平，发展空间十分巨大，性能优异的铝合金电缆必将具有广阔的市场前景。

［1］ 黄崇祺.电工用铝和铝合金在电缆工业中应用与前景［J］.中国金属通报，2012，18（34）：23－24.

［2］ 王 鹏.合金电缆在低压配电网中的适应性研究［J］.电气技术，2012，26（8）：19－21.

［3］ 刘 牛.导电体应用铝材符合国情［J］.建筑电气，2006，25（4）：4－6.

［4］ 电气行业技术标准协会.《电缆导体用铝合金线》标准编制说明［EB/OL］.百度文库，2013－02－10.