適應(yīng)“新常態(tài)”鋁合金電纜企業(yè)把握新機遇
近年來我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)得到了飛速發(fā)展，風(fēng)電總裝機量和年度新增裝機量均居世界前列，但由于風(fēng)電場環(huán)境條件較惡劣，場內(nèi)集電線路的電纜終端、電纜本體等易出現(xiàn)故障，因此不斷采用技術(shù)先進和性能可靠的新材料、新工藝來提高集電線路運行質(zhì)量對風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行是十分必要的。
電力電纜是風(fēng)電場集電線路的重要組成部分，通常情況下，風(fēng)電場電纜導(dǎo)體的選擇有鋁芯和銅芯兩種。鋁芯電纜與銅芯電纜各有不足，鋁芯電纜的缺點是柔韌性差，反復(fù)折彎易斷裂;穩(wěn)定性較差，易受腐蝕和氧化;電阻率高，比同截面銅芯能耗高，損耗大;延展性差，不便于安裝等。銅芯電纜的缺點是價格高;重量較重;施工及運輸成本高。
基于上述現(xiàn)狀，國內(nèi)電纜廠家開始生產(chǎn)鋁合金電纜，目前國內(nèi)生產(chǎn)鋁合金電纜的企業(yè)已有10 余家。事實上，早在1968 年，美國南方電纜公司就發(fā)明了鋁合金電纜，美國和加拿大等國家至今已有了40 多年的應(yīng)用歷史。因此為提高風(fēng)電場集電線路運行質(zhì)量并降低工程造價，有必要對鋁合金電纜的產(chǎn)品使用進行分析。
鋁合金電纜的特點分析
鋁合金電纜的導(dǎo)體中主要成份有：銅、鐵、硅、鎂、錳、鈦、鉻、鋅、稀土等，其中銅的作用增加了導(dǎo)體在高溫時的電阻穩(wěn)定性;鐵的作用是增加導(dǎo)體的抗蠕變性;鎂的作用是提高導(dǎo)體的抗拉強度;稀土的作用是提高導(dǎo)體的抗腐蝕性能。
一、鋁合金電纜的電氣性能
(一)導(dǎo)電率：鋁合金的導(dǎo)電率介于鋁和銅之間，比銅差，比鋁略優(yōu)。
(二)電纜緊壓特性：鋁合金導(dǎo)體采用分層緊壓絞合技術(shù)，導(dǎo)體的緊壓系數(shù)可達到0.93，而銅導(dǎo)體的緊壓系數(shù)一般只有0.80。通過最大極限的緊壓，可以彌補鋁合金導(dǎo)體在體積導(dǎo)電率上的不足，使絞合導(dǎo)體線芯如實體線芯一般，明顯降低了線芯外徑，提高了導(dǎo)電性能，因此載流量相同時，鋁合金電纜代替銅芯電纜后的電纜外徑增加不大。
二、鋁合金電纜的機械性能
銅、鋁、鋁合金(以常用AA8030鋁合金導(dǎo)體為例)的金屬力學(xué)特性對比見表1。
由表1 可以看出，硬態(tài)純鋁的伸長率很低，反復(fù)折彎時易損傷或折斷，軟態(tài)純鋁的伸長率比硬態(tài)純鋁有了很大提高，但是其屈服強度只有銅的一半，抗蠕變性差，安裝一段時間后，連接處容易松弛，造成接觸電阻增大，形成安全運行隱患。通過表1 的比較可以得出鋁合金導(dǎo)體的機械特性具有以下優(yōu)點：
(一)高延伸。鋁合金導(dǎo)體退火后的延伸率能達到30%，接近于銅而遠高于鋁。這也表明了鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體能承受更大的外力。
(二)強柔韌、易彎曲。安裝時鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體有更小的彎曲半徑，更容易進行接線端子的連接。
(三)抗蠕變性好。鋁合金中的合金元素經(jīng)過特殊的工藝處理，抗蠕變性與壓緊性有了很大提高，當(dāng)導(dǎo)體遇到冷流、過載過熱等極端情況時，也能保證穩(wěn)定的連接。
三、 鋁合金電纜的耐腐蝕性
鋁合金導(dǎo)體中加入的稀有金屬，在化學(xué)性能方面，進一步提高了單純以鋁為導(dǎo)體的金屬材料耐腐蝕性能，減少了不同金屬之間的電位差，電位差越小，腐蝕會越輕。合金材料中的稀土元素能夠起到填補表層缺陷、細化晶粒，消除導(dǎo)體局部腐蝕的作用，同時也帶來鋁的電極電位負移，具有了陽極效應(yīng)，從而大大提高了耐腐蝕性能。
四、 鋁合金電纜的經(jīng)濟性能
與銅芯電纜相比，鋁合金電纜的價格優(yōu)勢也比較明顯，同等載流量的鋁合金電纜價格只有銅芯電纜的60% - 70%。另外由于重量較輕，也間接降低了安裝成本。
風(fēng)電場中的35kV 電纜導(dǎo)體選擇
風(fēng)電場所采用的35kV 高壓電纜，起初為了節(jié)省工程造價，導(dǎo)體優(yōu)先選用鋁芯，在滿足電壓降及修正后的載流量的前提下利用經(jīng)濟電流密度計算合適的電纜截面。
隨著風(fēng)電場數(shù)量增多和運行時間推移，鋁芯電纜的缺點逐漸顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在下列幾個方面：
一、機械強度差，容易折斷。風(fēng)電場所在地區(qū)環(huán)境比較惡劣，風(fēng)速較大，電纜上塔后受到的風(fēng)荷載較大，尤其是電纜終端處由于傘群的影響，該部位的受風(fēng)面更大，因此更容易出現(xiàn)故障。電纜與導(dǎo)線連接如圖1 所示。
二、抗蠕變性較差。風(fēng)電場電纜上塔后，當(dāng)通過導(dǎo)體的電流過大時，鋁導(dǎo)體發(fā)熱發(fā)生蠕變，電纜接頭容易出現(xiàn)松動、變形，導(dǎo)致線路接觸不好，從而引起線路和設(shè)備故障事故。
三、電阻率高，損耗大。風(fēng)電場選擇電纜導(dǎo)體截面，鋁芯截面要比銅芯截面大很多，如電纜截面選擇過大，電纜長度遠超過電纜廠家最大生產(chǎn)盤長時，電纜分段及中間接頭增多，這樣對集電線路的長期運行是不利的。
基于上述原因，近幾年風(fēng)電場中電力電纜主要采用銅芯。銅芯電纜可以很好的解決鋁芯電纜的各種問題，但是最近幾年我國對銅材的需求量逐漸上升，銅價也不斷上升，無形中增加了許多工程成本，更是增加了施工現(xiàn)場被盜纜的風(fēng)險。此外由于銅芯電纜重量較重，對電纜支架的要求也較高。
鋁合金電纜與鋁芯和銅芯電纜相比確實有很多優(yōu)點，能在許多場合替代它們，而且在GB/T3956 -2008《電纜的導(dǎo)體》中增加了鋁合金導(dǎo)體的部分內(nèi)容，因此風(fēng)電場集電線路中采用鋁合金電纜在理論上是可行的。
但風(fēng)電場大量推廣鋁合金電纜仍有一些問題亟待解決：
鋁合金導(dǎo)體根據(jù)所添加的化學(xué)成分不同，其型號多種多樣，而在國內(nèi)規(guī)范中沒有對所添加的化學(xué)成分的說明，因此在招投標以及實際供貨時產(chǎn)品易存在差異。
由于鋁合金、鋁、銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)不同，不同導(dǎo)體之間不宜直接連接，需要用過渡端子保證鋁合金導(dǎo)體與銅、鋁導(dǎo)體連接的可靠性，也因此增大了使用的風(fēng)險。
風(fēng)電場采用鋁合金電纜的應(yīng)用案例很少，在高溫、高寒、高海拔、高鹽霧、高溫差等特殊地區(qū)的應(yīng)用中，鋁合金電纜是否比鋁芯和銅芯電纜更可靠也需時間的檢驗。
結(jié)語
經(jīng)過上述分析，鋁合金電纜具有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機械性能，改善了鋁芯電纜的連接不可靠、機械性能差和易蠕變等缺點。但考慮到鋁合金電纜還有一些問題亟待完善和解決，建議風(fēng)電場可針對現(xiàn)場情況，特別是針對早期風(fēng)電場的技術(shù)改造中，在集電線路局部或者某一輸電回路對鋁合金電纜進行試用，通過在同一運行環(huán)境條件下的對比，了解其線路損耗、故障率等方面是否更優(yōu)于銅芯和鋁芯電纜，為以后大量推廣提供實踐經(jīng)驗。
我們有理由相信經(jīng)過時間的檢驗和相關(guān)規(guī)程規(guī)范的逐步完善，在特定場合使用鋁合金電纜是未來電纜行業(yè)的發(fā)展趨勢。
電力電纜是風(fēng)電場集電線路的重要組成部分，通常情況下，風(fēng)電場電纜導(dǎo)體的選擇有鋁芯和銅芯兩種。鋁芯電纜與銅芯電纜各有不足，鋁芯電纜的缺點是柔韌性差，反復(fù)折彎易斷裂;穩(wěn)定性較差，易受腐蝕和氧化;電阻率高，比同截面銅芯能耗高，損耗大;延展性差，不便于安裝等。銅芯電纜的缺點是價格高;重量較重;施工及運輸成本高。
基于上述現(xiàn)狀，國內(nèi)電纜廠家開始生產(chǎn)鋁合金電纜，目前國內(nèi)生產(chǎn)鋁合金電纜的企業(yè)已有10 余家。事實上，早在1968 年，美國南方電纜公司就發(fā)明了鋁合金電纜，美國和加拿大等國家至今已有了40 多年的應(yīng)用歷史。因此為提高風(fēng)電場集電線路運行質(zhì)量并降低工程造價，有必要對鋁合金電纜的產(chǎn)品使用進行分析。
鋁合金電纜的特點分析
鋁合金電纜的導(dǎo)體中主要成份有：銅、鐵、硅、鎂、錳、鈦、鉻、鋅、稀土等，其中銅的作用增加了導(dǎo)體在高溫時的電阻穩(wěn)定性;鐵的作用是增加導(dǎo)體的抗蠕變性;鎂的作用是提高導(dǎo)體的抗拉強度;稀土的作用是提高導(dǎo)體的抗腐蝕性能。
一、鋁合金電纜的電氣性能
(一)導(dǎo)電率：鋁合金的導(dǎo)電率介于鋁和銅之間，比銅差，比鋁略優(yōu)。
(二)電纜緊壓特性：鋁合金導(dǎo)體采用分層緊壓絞合技術(shù)，導(dǎo)體的緊壓系數(shù)可達到0.93，而銅導(dǎo)體的緊壓系數(shù)一般只有0.80。通過最大極限的緊壓，可以彌補鋁合金導(dǎo)體在體積導(dǎo)電率上的不足，使絞合導(dǎo)體線芯如實體線芯一般，明顯降低了線芯外徑，提高了導(dǎo)電性能，因此載流量相同時，鋁合金電纜代替銅芯電纜后的電纜外徑增加不大。
二、鋁合金電纜的機械性能銅、鋁、鋁合金(以常用AA8030鋁合金導(dǎo)體為例)的金屬力學(xué)特性對比見表1。
由表1 可以看出，硬態(tài)純鋁的伸長率很低，反復(fù)折彎時易損傷或折斷，軟態(tài)純鋁的伸長率比硬態(tài)純鋁有了很大提高，但是其屈服強度只有銅的一半，抗蠕變性差，安裝一段時間后，連接處容易松弛，造成接觸電阻增大，形成安全運行隱患。通過表1 的比較可以得出鋁合金導(dǎo)體的機械特性具有以下優(yōu)點：
(一)高延伸。鋁合金導(dǎo)體退火后的延伸率能達到30%，接近于銅而遠高于鋁。這也表明了鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體能承受更大的外力。
(二)強柔韌、易彎曲。安裝時鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體有更小的彎曲半徑，更容易進行接線端子的連接。
(三)抗蠕變性好。鋁合金中的合金元素經(jīng)過特殊的工藝處理，抗蠕變性與壓緊性有了很大提高，當(dāng)導(dǎo)體遇到冷流、過載過熱等極端情況時，也能保證穩(wěn)定的連接。
三、 鋁合金電纜的耐腐蝕性
鋁合金導(dǎo)體中加入的稀有金屬，在化學(xué)性能方面，進一步提高了單純以鋁為導(dǎo)體的金屬材料耐腐蝕性能，減少了不同金屬之間的電位差，電位差越小，腐蝕會越輕。合金材料中的稀土元素能夠起到填補表層缺陷、細化晶粒，消除導(dǎo)體局部腐蝕的作用，同時也帶來鋁的電極電位負移，具有了陽極效應(yīng)，從而大大提高了耐腐蝕性能。
四、 鋁合金電纜的經(jīng)濟性能
與銅芯電纜相比，鋁合金電纜的價格優(yōu)勢也比較明顯，同等載流量的鋁合金電纜價格只有銅芯電纜的60% - 70%。另外由于重量較輕，也間接降低了安裝成本。
風(fēng)電場中的35kV 電纜導(dǎo)體選擇
風(fēng)電場所采用的35kV 高壓電纜，起初為了節(jié)省工程造價，導(dǎo)體優(yōu)先選用鋁芯，在滿足電壓降及修正后的載流量的前提下利用經(jīng)濟電流密度計算合適的電纜截面。
隨著風(fēng)電場數(shù)量增多和運行時間推移，鋁芯電纜的缺點逐漸顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在下列幾個方面：
一、機械強度差，容易折斷。風(fēng)電場所在地區(qū)環(huán)境比較惡劣，風(fēng)速較大，電纜上塔后受到的風(fēng)荷載較大，尤其是電纜終端處由于傘群的影響，該部位的受風(fēng)面更大，因此更容易出現(xiàn)故障。電纜與導(dǎo)線連接如圖1 所示。
二、抗蠕變性較差。風(fēng)電場電纜上塔后，當(dāng)通過導(dǎo)體的電流過大時，鋁導(dǎo)體發(fā)熱發(fā)生蠕變，電纜接頭容易出現(xiàn)松動、變形，導(dǎo)致線路接觸不好，從而引起線路和設(shè)備故障事故。
三、電阻率高，損耗大。風(fēng)電場選擇電纜導(dǎo)體截面，鋁芯截面要比銅芯截面大很多，如電纜截面選擇過大，電纜長度遠超過電纜廠家最大生產(chǎn)盤長時，電纜分段及中間接頭增多，這樣對集電線路的長期運行是不利的。
基于上述原因，近幾年風(fēng)電場中電力電纜主要采用銅芯。銅芯電纜可以很好的解決鋁芯電纜的各種問題，但是最近幾年我國對銅材的需求量逐漸上升，銅價也不斷上升，無形中增加了許多工程成本，更是增加了施工現(xiàn)場被盜纜的風(fēng)險。此外由于銅芯電纜重量較重，對電纜支架的要求也較高。
鋁合金電纜與鋁芯和銅芯電纜相比確實有很多優(yōu)點，能在許多場合替代它們，而且在GB/T3956 -2008《電纜的導(dǎo)體》中增加了鋁合金導(dǎo)體的部分內(nèi)容，因此風(fēng)電場集電線路中采用鋁合金電纜在理論上是可行的。
但風(fēng)電場大量推廣鋁合金電纜仍有一些問題亟待解決：
鋁合金導(dǎo)體根據(jù)所添加的化學(xué)成分不同，其型號多種多樣，而在國內(nèi)規(guī)范中沒有對所添加的化學(xué)成分的說明，因此在招投標以及實際供貨時產(chǎn)品易存在差異。
由于鋁合金、鋁、銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)不同，不同導(dǎo)體之間不宜直接連接，需要用過渡端子保證鋁合金導(dǎo)體與銅、鋁導(dǎo)體連接的可靠性，也因此增大了使用的風(fēng)險。
風(fēng)電場采用鋁合金電纜的應(yīng)用案例很少，在高溫、高寒、高海拔、高鹽霧、高溫差等特殊地區(qū)的應(yīng)用中，鋁合金電纜是否比鋁芯和銅芯電纜更可靠也需時間的檢驗。
結(jié)語
經(jīng)過上述分析，鋁合金電纜具有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機械性能，改善了鋁芯電纜的連接不可靠、機械性能差和易蠕變等缺點。但考慮到鋁合金電纜還有一些問題亟待完善和解決，建議風(fēng)電場可針對現(xiàn)場情況，特別是針對早期風(fēng)電場的技術(shù)改造中，在集電線路局部或者某一輸電回路對鋁合金電纜進行試用，通過在同一運行環(huán)境條件下的對比，了解其線路損耗、故障率等方面是否更優(yōu)于銅芯和鋁芯電纜，為以后大量推廣提供實踐經(jīng)驗。
我們有理由相信經(jīng)過時間的檢驗和相關(guān)規(guī)程規(guī)范的逐步完善，在特定場合使用鋁合金電纜是未來電纜行業(yè)的發(fā)展趨勢。