推荐固定敷设电缆用实心铝导体

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0、引言
' C0 d( t0 t( s随着铜价的飞涨，铜铝的差价越来越大。据报道，2002年：铜价为2.4万元/吨、铝价为1.8万元/吨；2008年铜价曾为6.4万元/吨、铝价曾为2.4万元/吨。电力行业已开始关注铝导体的使用。但除在架空线上使用铝导体，埋地或固定敷设的电力电缆，仍以铜芯电缆为主，几乎要占电力电缆的90%左右，究其原因，不仅与铜导体的电阻率小于铝导体电阻率并能减少运行费用有关，而且还与绞合铝导体容易氧化并影响电缆的寿命有关。本文推荐实心铝导体结构，对其改善铝导体的性能进行研究分析，认为在当今铜、铝性价比增大的情况下，优先选用实心铝导体结构电缆将是明智的选择。
一、我国现行电缆导体使用情况
我国现行电缆标准的编订过程，已经广泛参照IEC电缆标准。在GB/T 3956-1997《电缆的导体》第一类导体中，虽然参照IEC电缆标准，明确规定实心铝导体范围为1.5～300mm2，但是我国电缆行业目前普遍情况是：1.5～16mm2铝导体采用实心导体，25mm2以上采用绞合导体。而在国外，特别在西欧国家，300 mm2及以下固定敷设电缆基本都采用实心导体。例如西欧NAYY、NACY型电缆，一般实际情况：1.5～25mm2采用实心圆形导体，35～300mm2采用扇形或瓦型实心导体。可见在国外使用实心铝导体要比我国使用的范围大得多，并被国外电力部门广为接受，而在国内，固定敷设铝导体电缆还不能被电力部门广泛接受，究其原因，主要是以下几个方面：
7 W, o) X' e- j' N. K1、铜导体与绞合结构铝导体电气性能比较
2 T  y7 b! q2 ]* q+ |铜导体的电阻率： 17.241 nΩ*m，电导率：100 IACS
铝导体的电阻率： 28.264 nΩ*m，电导率：59.8 IACS
在相同载流负载下，绞合结构铝导体的截面要大于铜导体68%，也就是说选用绞合结构铝导体要大于铜导体的1～2个规格，相应电缆的直径也要增加5～10%。
; r9 N+ ^( ?5 c9 a) D2、铜、铝导体机械性能不同
铜导体抗张强度：216 MPa 、断裂伸长率：30%
绞合结构铝导体抗张强度：120～110 MPa 、断裂伸长率：10%
相对来说，绞合结构铝导体的弯曲性能不如铜导体，在电缆的敷设过程中，绞合结构铝导体电缆容易产生断丝、断股现象，给施工造成一定困难。
. b6 s: c# n- f7 [& V' P6 X4 V+ }9 G3、绞合结构铝导体电缆比铜导体电缆击穿率要高
9 m# B# D+ J6 b我国传统的导体加工主要采用拉丝、轧压，拉拔工艺方法，基本上属于冷加工工艺方法。由于铝的机械性能不如铜的机械性能，所以与铜导体相比，在导体加工过程中容易产生丝径断裂、飞边和毛刺等缺陷。绞合结构铝导体缺陷是电缆击穿的主要因素之一，因此客观上限制了铝导体的广泛使用。
4、绞合结构铝导体在生产加工、电缆敷设和运行中，表面极容易氧化，这给施工接头造成困难，特别是电缆在运行过程中，由于导体的氧化逐步扩大，致使导体的电阻增大，引起电缆温度上升，而影响电缆使用寿命。
如果电缆制造厂不能从根本上解决上述铝导体的缺陷问题，即使铜、铝性价比有如此大的差异，也很难使电力使用部门接受“在固定敷设电缆中广泛采用铝导体”的观点。
3 X" H) r2 o; {% a  J二、软铝（实心）型线的连续挤出工艺改善了铝导体性能
传统的铝导体的制造工艺：如果是圆线绞合结构，需要先拉丝、然后多股绞合成型；如果是型线，要经过压延成型；如果是紧压导体，一般采用分层紧压拉拔成型。在生产过程中，铝单丝受到多次机械拉拔、轧制、整型等工艺过程，容易造成导体表面机械损伤、导体硬化，导体电阻增大，最终绞合紧压导体的电阻率一般在30 nΩ*m左右，而且生产效率低、能耗高、质量很难控制。
远东电缆有限公司创新的“软铝型线的连续挤出技术”，是通过摩擦轮及靴体对铝杆进行的连续摩擦加热，在高压腔内将铝软化，使熔融状态的铝被挤出成型。在此过程中，铝处于热熔状态，冷却后材料的晶格保持一致，铝导体的机械、电气性能远远高于传统工艺加工的铝导体性能。理论上，该设备可以制造连续的无限长度的软铝型线，经过反复试验与研究，我公司确立了挤出压缩比、挤出温度范围、挤出速度之间的关系，在挤压机上采用了独特的内外冷却水通道，实现了从铝杆进入到型线出模的温度控制，确保实心铝型线制造得到稳定的产量和质量。
1 b% i4 W7 l* q6 f0 P, X, y& |5 P( r三、采用连续挤出的软铝实心导体性能指标
1、目前的软铝实心导体电阻率为 27.2 nΩ*m，电导率为63.2 IACS，与绞合结构铝导体相比，电导率提高了3～7%，在相同的载流负载下，可以节约铝材3～7%。
2、原有的绞合结构铝导体的填充系数为0.75左右，即使再采用紧压措施，原有的绞合结构铝导体的填充系数也仅能达到0.9左右，与其相比，软铝实心导体的外径缩小了7～12%。
3、采用挤出软铝实心型线工艺，可以确保导体型线精度与尺寸偏差的控制。挤出软铝型线的外形控制主要在模具的设计上，只要符合设计要求，就能保证产品质量。不像传统的拉丝、绞线工艺，常常受到单丝质量、丝径公差的影响以及成型模具配置的影响。
4、采用挤出软铝实心型线表面光滑圆整，没有绞合铝导体表面的单丝凹凸不平的痕迹，这对均化绝缘中的电场强度分布有很大的贡献，对电力电缆来说，最大工作场强Emax出现在绝缘的内层：

实心导体表面光滑连续，与绝缘没有间隙，水份无法进入导体，也不能进入绝缘，场强在绝缘层内部均匀分布，因此采用实心导体能有效减少绝缘水树与电树现象的发生，提高了绝缘水平。
  R# f1 _/ u( e$ u5、解决了导体氧化问题。采用挤出软铝实心型线，导体内部无气隙，绝缘层与导体紧密接触，间隙比绞合导体要小。由于实心导体表面积比绞合导体各单线表面积的总和要小，与空气接触面小，所以大大降低导体被氧化的几率。另外方便了施工时的导体接头：只要对实心铝导体表面略作处理就能正常使用，不会出现像绞合结构铝导体端点接触不良、接触点电阻大等现象。
6、实心铝导体的加工费比绞合结构铝导体的加工费少，生产周期短，我公司选用的设备是LJ350A/200铝连续挤压机，进料选用￠15mm铝杆， 50mm2以下铝导体一次可以同时挤出三根导体，70 mm2～95mm2一次可以同时挤出二根导体，挤出速度为10～15m/min。不象绞合导体，需要拉丝、绞合、压延成型等多道工序，工艺复杂、生产周期长，导体周转时间长，占用生产资金大。
8 X9 d* a! W( H' f7、机械性能试验：采用实心导体的电缆是否会影响电缆的机械性能，是大家关心的问题，为此我公司专门生产了YJLV 0.6/1KV 4X185实心铝导体交联电缆送上海电缆研究所做全性能型式试验。此外，还申请做特殊弯曲试验，经过检测，各项性能都能符合标准规定。
挤出型软铝实心导体的性能数据：抗张强度为 60～80MPa、断裂伸长率为 28～30%。从数据上看，断裂伸长率已经等同或接近铜绞合导体。
0 ~) N5 |' V2 Q8 i对于固定敷设电缆，标准没有规定电缆的柔软性考核指标，为了比较实心铝导体与绞合结构铝导体的差别。我公司特取同一规格的不同结构导体的电缆YJLV 0.6/1KV 4X185 做静态卷绕试验，试验表明，实心铝导体和绞合铝导体的卷绕性能数据基本一致，电缆弯曲半径小于10倍以下时，实心铝导体要比绞合铝导体显得硬些。
9、经济分析
以最常见的YJLV 0.6/1 kV三芯电缆为例，实心铝导体与绞合结构导体材料用量如下表所示：
5 `- n, C; d1 j
规格        载流量
/ [- v# \2 m( N" X  g( C# ]A        导体用量
kg/km        绝缘用量
1 j: o4 p3 j* O# m% K- ekg/km        护套用量
: s) O' L8 H) skg/km        电缆外径
) j% M% W# T* L1 U8 I+ L  fmm
- ?% ~' n( p& F$ j' s3 }6 d        扇形绞合导体        实心铝导体        扇形绞合
导体        实心铝导体        实心与绞合
1 H2 r. s& r" x2 N铝导体
比值        扇形绞合导体        实心铝导体        绝缘材料用量比值        扇形绞合导体        实心铝导体        护套材料用量比值        扇形绞合导体        实心铝导体        外径比值
) U2 j  x& J2 b        铜        铝                铜        铝                        铜/铝        铝                铜/铝        铝                铜/铝        铝       
2 ?/ o) P- o1 ~) E& u: N" p3×35        112        86.9        86.9        933.0         281.5         262        0.93        81.0         71.1        0.88        125.4         115        0.92        20.4        18.9        0.93
3×50        142        110        110        1263.3         381.2         355        0.93        100.4         91.9        0.92        145.3         135        0.93        23.3        21.8        0.94
/ Z+ }0 j4 K6 A' m3×70        182        141        141        1828.6         551.6         514        0.93        128.9         121        0.94        178.9         166        0.93        26.9        25        0.93
( y4 E( Q- K( r: f2 r  C3×95        237        184        184        2539.1         763.7         711        0.93        149.8         139        0.93        213.5         199        0.93        30        28.1        0.94
+ Q7 f+ h, t- I  x. e6 e3×120        296        229        229        3202.9         965.9         899        0.93        182.0         170        0.94        251.2         234        0.93        33.2        31.1        0.93
) L# X+ P/ `5 H& P/ [( A' B3×150        351        273        273        3952.0         1186.3         1104        0.93        235.6         223        0.94        299.2         276        0.92        37.1        34.4        0.93
3×185        412        319        319        4945.0         1490.1         1387        0.93        294.0         287        0.98        371.3         344        0.93        41.1        38.3        0.93
3×240        492        383        383        6499.3         1955.0         1820        0.93        354.4         346        0.98        450.6         417        0.93        46.1        42.9        0.93
7 `$ B1 L% E  P, z3×300        594        462        462        8153.9         2443.7         2275        0.93        419.7         408        0.97        530.1         489        0.92        50.9        47.2        0.93
从上表可以看出相同规格的电缆，采用实心导体的电缆要比绞合导体电缆使用的材料要少，其中铝导体耗材减少了7%，绝缘材料、护套材料等耗材各减少了5～7%，加上省工省时，实心铝导体电缆的成本可以比绞合铝导体电缆的成本下降7%以上。
! D+ P  {. ~, X) |四、结论
( ?. b% e- p* p. T远东电缆有限公司对实心铝导体工艺进行研究、创新与改进，给铝导体的广泛使用带来了机遇，特别是在铜、铝差价大，我国铜资源极度匮乏的现今，将具有更大的意义。
  d5 P$ p! s. T* |" {% i' i我国铝资源十分丰富，现在铝导体加工工艺取得了长足进步，电缆的导体结构得到优化，各种质量保证条件已经具备，我们应该积极倡导在固定敷设电缆中广泛采用实心铝导体，这是利国利民大好事。