電纜導體的損耗
時間：2021-06-07   點擊：(5207)

摘要:文章回顧了我國電纜導體的演變歷程，以現(xiàn)行標準為依據(jù),剖析銅和鋁合金電纜損耗的差異源自電阻，雖然電阻值相差不大，但壽命期內(nèi)的總損耗差不容小覷。

用作電纜的導體有銅和鋁兩大類。由鋁派生的有鋁合金和銅包鋁，原先電線、電纜都是用銅導體，因為它的導電性能和機械性能都很理想，20℃的直流電阻率為1.72×10ˉ6 Ω˙cm。

我國從上一世紀五十年代始，由于朝鮮戰(zhàn)爭開打，因銅是重要的戰(zhàn)略物資而遭資本主義國家的禁運。國人還記得響應號召將家里的銅器捐獻給國家的愛國熱情。與此同時，“以鋁代銅”遍及生活的方方面面，用鋁電線電纜作為一項技術(shù)政策貫徹執(zhí)行。在一些對安全和可靠性不太嚴格的場所，都用鋁芯電線和電纜，甚至在新建住宅內(nèi)——本來應該關(guān)注安全的場所，也只能將就。因為無論是導電性能和機械性能鋁都不如銅。20℃的直流電阻率為2.82×10ˉ6 Ω˙cm，大約是銅的1.64倍。它的脆性使接頭容易斷裂，還由于蠕變特性，使接頭的可靠性降低。所謂蠕變就是在較高溫度(如70℃)和較大壓力(如螺栓壓緊)下，隨時間而增長的熱塑變形。它是電線電纜接頭可靠性降低、甚至損壞的主要原因。經(jīng)過長期摸索，也找到一些應對辦法，如加強巡視，定期加固旋緊螺栓等。

 

當然，事物總存在兩面性，由于鋁導體電線電纜的價格低、重量輕，大大減輕了施工勞動強度而受到歡迎。

到了改革開放時期，經(jīng)濟發(fā)展較快，人們對品質(zhì)要求提升，擺脫了一些束縛，結(jié)果從一個極端轉(zhuǎn)向另一個極端，在東南沿海率先放棄了“以鋁代銅”，電線電纜幾乎全部采用銅導體，深度和廣度前所未有。深度——在銅、鋁導體比例上超過了發(fā)達國家，廣度——從東南沿海逐步向內(nèi)地擴展。

事物的發(fā)展又走向其反面，由于銅價飆漲，使電線電纜價格成倍增長，人們不得不重新思考。同時刮起兩股小小旋風，一是出現(xiàn)了銅包鋁線芯電纜，二是從北美引進了鋁合金導體電纜技術(shù)。鋁合金電纜在中國大地應運而生。

銅包鋁電纜號稱可替代銅電纜。但事實上它僅適用于小截面且用于高頻器件，由于高頻電流的集膚效應，銅包鋁線可以發(fā)揮它的優(yōu)勢。國內(nèi)外相關(guān)標準也僅限于電子器件。銅包鋁線不能用來制造電力電纜，一方面它僅適用于單股線，采用多股線就失去意義，另一方面接頭技術(shù)無法解決，于是這股旋風很快就變成低氣壓。

鋁合金導體是電工鋁中添加了微量的硅、銅、鋅、鐵、硼等元素。機械性能有很大改進，如柔靱性優(yōu)化，抗蠕變性能很大提高等。凡退火工藝精湛者,它的導電性能可非常接近電工鋁。“電纜的導體”國家標準GB/T3956-2008將鋁和鋁合金導體的電阻取相同數(shù)值。

鋁合金電纜的關(guān)鍵技術(shù)之一是接頭。接頭材質(zhì)及工藝是影響品質(zhì)的重要因素，引進技術(shù)的電纜制造企業(yè)除了出售電纜外還提供技術(shù)服務。若要接頭可靠，必須有供應商委派專業(yè)人員指導施工。也因此它的價格大大高于鋁電纜。因為利潤空間大，制造商從開始的兩家，一下子猛增到百余家，小旋風正在擴大。由于目前各企業(yè)都按自己的企業(yè)標準生產(chǎn)，貌似相同其實品質(zhì)差異很大。

 

銅和鋁合金電纜的損耗究竟哪個大?眾說不一，這里用數(shù)據(jù)說話。

電纜損耗計算公式為：

△P=Ι2˙Rθj˙L˙NC˙NP×10ˉ³ (1)

△Q=△P˙ζ (2)

式中：△P—功耗損耗，kW

△Q—能源損耗 ，kWh

Rθj—單根導體當溫度θ時計入集膚和鄰近效應的單位長度的交流電阻，Ω/km

Ι—計算電流,A

NC、NP—每回路導體數(shù)量和回路數(shù)

ζ—最大負荷損耗小時數(shù),h/年

L—線路長度,km

若要比較銅和鋁合金電纜的損耗，須設(shè)定兩條線路條件相同，也就是計算電流相同、線路和導體數(shù)量、長短及運行方式相同。由于銅和鋁合金電纜的長期允許最大工作電流不同，即俗稱載流量不同，同一計算電流應選擇不同截面。這樣公式(1)、(2)中，唯一差別的就是交流電阻Rθj,于是損耗的比較就等效轉(zhuǎn)化為Rθj的比較。

 

Rθj的計算公式為：

Rθj = Kjf * Klj * Rθ (3)

Rθ = R20 *【1+а(θ-20)】 (4)

式中：Rθj—溫度θ時的交流 電阻 ,Ω

Kjf—集膚效應系數(shù)(見表1)

Klj—鄰近效應系數(shù)，查手冊可取1.0

Rθ—溫度θ時的直流電阻 ,Ω

R20—20℃時的直流電阻,Ω

а—導體的電阻溫度系數(shù)按GB/T3956-2008：銅取0.00393，鋁取0.00403

表1 導體集膚效應系數(shù)

注：Kjf值根據(jù)工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊第9章方法計算。詳見附錄。交流頻率為50Hz。

 

公式(3)和(4)中θ應該這樣來確定：

以XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜為例，導體長期允許最高工作溫度90℃，由于下列因素導體長期實際工作溫度低于90℃：

(1) 設(shè)計選型是按最熱月的日最高溫度平均值，而絕大部分時間氣溫低于該值;

(2) 截面選擇是按線路全長散熱最不利區(qū)段，絕大多數(shù)區(qū)段散熱優(yōu)于該區(qū)段;

(3) 設(shè)計裕量;

(4) 根據(jù)電壓損失校驗、熱穩(wěn)定校驗和按經(jīng)濟電流密度選擇等條件，最終確定的截面會較大。

綜合以上因素，若環(huán)境溫度35℃，導體的實際工作溫度大約為70℃，即θ=70℃，以此計算電纜的電阻，結(jié)果見表2。

因同等截面的銅和鋁合金導體電纜載流量不同，而鋁合金電纜尚無載流量的國家標準，從各企業(yè)收集到的資料數(shù)據(jù)不一，最大相差11.8%。有的大于、亦有的小于國標鋁電纜載流量，因此相對以GB/T16895.15-2002中銅、鋁電纜載流量更有說服力。根據(jù)此數(shù)據(jù)給制成曲線圖如圖1。

工程上首先以某一計算電流I比照相應電纜的載流量選擇截面,舉例說明:

例1 I =380A，從曲線圖1可見，銅導體選150mm2， 而鋁合金導體則選240mm2。

表2 電纜導體電阻值 Ω/km

 

根據(jù)表2，銅和鋁合金導體的R70j分別為0.148和0.150Ω/km，鋁合金電纜電阻略大于銅電纜，也就是鋁合金電纜損耗值稍大一些。

例2. I =140A，查圖1曲線得銅導體電纜選35mm2，而鋁合金導體電纜則選50mm2;查表2，R70j分別為0.627Ω/km和0.770Ω/km，顯然鋁合金導體電纜電阻大一些。

以上兩個例子有一定代表性，通常電氣工程師在按載流量選擇截面時，當銅導體為70mm2及以下時，相應鋁合金導體截面放大一級;當銅導體截面大于等于95mm2時，相應鋁合金導體截面放大兩級。無論哪種情況,鋁合金導體的電阻總是大于銅導體,因此任何計算電流,采用,銅導體的損耗總是比較小.

進一步量化兩例的損耗值。首先要確定例1、例2各自統(tǒng)一的運行方式，見表3，電纜壽命為30年。

表3 案例負荷運行方式

將各參數(shù)代入公式(1)和(2)，計算結(jié)果見表4

表4 案例每km電纜損耗計算結(jié)果

如果取平均電價1元/kwh,那么例1在電纜壽命終止前早就將銅電纜多于鋁合金電纜的投資因損耗低而省回來了。而例2更是早就將電纜的全部投資省回來了。相應折標標煤41噸和212噸，對減少排放也有益。

結(jié)論：

1. 工程中按載流量選擇電纜截面時，若銅導體≤70mm²時，相應鋁合金導體放大一個截面規(guī)格，當銅導體≥95mm2時，鋁合金導體需放大兩級，但銅導體電阻總小于鋁合金導體，因此損耗較小。

2. 按統(tǒng)計數(shù)據(jù)和有關(guān)規(guī)定，電纜平均壽命期以30年計算，從節(jié)省的損耗電費足以回收多余的投資或全部工程投資。

 

3. 從節(jié)能減排環(huán)保要求，也宜優(yōu)先選擇銅導體電纜，更何況它的可靠、安全。這是眾所周知的。

附錄：集膚效應系數(shù)計算

 

式中：ρθ—70℃電阻率，銅—1.2×1.72×10ˉ6=2.06×10ˉ6

鋁—1.2×2.82×10ˉ6=3.38×10ˉ6

μ—導磁率，取1，

f—頻率，取50Hz。

參考文獻:

(1)布線系統(tǒng)載流量GB/T16895.15-2002;

(2)電纜的導體GB3956-2008;

(3)工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊,第三版.電力出版社2005年。

(4) 銅包鋁線,電子行業(yè)標準 SJ/T 11223—2000

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