从1821年迈克尔·法拉弟完成电发明以来的近200年来，人们在导电体的选择上费尽心思。铜、铝、铁、镍、银以及金都被作为导体使用过。但是实践证明：铜和铝是承载电流的最合适材料，成为目前世界上电线电缆的最主要选择。而金和银以及银镍合金只被少量使用，主要应用在集成线路板、继电器接触器和断路器的触头和航天航空领域。在70年代以前，由于我国铜的储藏量较少，加之被作为战略物资，大力提倡采用铝作为电力电线，甚至铝芯变压器、铝芯电机都是当时的主流选择。改革开放后，我国电力工业迅猛发展，由于铝芯电缆故障率高，铝芯变压器，铝芯电机损耗大，效率低，出于供电的高可靠性、高质量需求，以及节能降耗的要求，铝芯变压器和铝电机已经被淘汰。目前铝芯线缆更多应用于架空线路。随着我国城镇化的发展，城市配电网作为城市建设的基础设施，电力电缆的需求量越来越大，铜芯电缆应用量迅速增加，我国铜材料使用量已经占到线缆行业的90%以上。电力电缆在电网建设的成本中所占比重显著提高，铝芯电缆相对铜芯电缆价格低，重量轻，适合一些特定的场合应用，如用于大跨度的建筑，可减轻对建筑钢结构的负重，节约钢结构的费用。目前我国电解铝产能过剩，铝合金线缆在机械特性方面较纯铝芯电缆有所改善，采用铝合金电缆的呼声再次升高。本文仅针对铜芯与铝合金电缆的结构尺寸、电气性能在工程应用中的差异进行分析对比，提出铝合金电缆在电网应用需要考虑的问题，有关铝合金电缆的机械特性不在此文中进行描述和分析。
电力电缆在中压电网中的应用情况
截至2014年底，国家公司6-20千伏配电线路电缆约40万公里，电缆化率为12.6%;其中城市配网电缆27万公里，电缆化率为47.1%，同比增加4.1%;县域配电网电缆12万公里，电缆化率为4.8%。电缆敷设方式主要有直埋、电缆沟、排管、隧道、桥梁、水底敷设等。电缆通道中排管敷设占46.4%;直埋敷设占26.3%;电缆沟敷设占14.6%;隧道敷设占8.3%;桥梁等其它方式敷设占4.4%。在运的电缆中以铜芯电缆为主，铝芯电缆所占比例较低不足5%,。其中国网浙江公司相对铝芯电缆所占比例相对大些，浙江电网所辖10kV~35kV电缆45684km，铝芯电缆3649km，铝芯电缆占该电压等级电缆的7.989%。浙江电网在运的铝芯电缆，大多数从2009年下半年以后投运，根据三年左右的运行记录，共发生铝芯电缆故障停运29次。故障主要发生在电缆附件，尤其是中间接头共发生19次，占故障的65.52%，中间接头故障除1次外力破坏外，其余18次均为接头击穿;其他分别为电缆终端、外力破坏、施工原因等，铝芯电缆故障以500mm2电缆故障情况尤为突出，共发生18次，占总统计故障的62.07%，其中有14次为电缆中间接头绝缘击穿或爆炸，占电缆中间接头故障的78.8%。据了解目前对大截面铝芯电缆的中间接头施工工艺还未完全解决可靠、稳定、成熟的现场压接技术问题。
交联聚乙烯铜芯、铝合金电力电缆结构尺寸、电气性能的对比分析
铝合金与铜相比，在同等截面等长度的情况下，电导率是铜的61.8%，载流量约为铜的78%，铜比重为8.9克/厘米?，铝比重为2.7克/厘米?，同样截面积电缆，铝合金电缆重量仅有铜芯电缆的一半多。由于铝合金电缆重量轻特点，特别适合用于大跨度的建筑，如体育场馆、会展中心等建筑物的电缆敷设，采用铝合金电缆可减轻对建筑钢结构的负重，节约钢结构的费用。另外，采用铝合金电缆对高层建筑来可以降低垂直敷设电缆的难度和工作量，节省人工成本，同时也减少了由于电缆施工中可能造成本体损伤的风险。由于铝的熔点是660℃，因此火灾发生时需要连续供电的消防线路不得选用铝合金电缆。
国际电工委员会标准IEC287-3-2/1995提出了电缆尺寸选择以导体截面经济性最佳的观点：电缆导体截面的选择，不仅要考虑电缆线路的初始成本，而且要同时考虑电缆在寿命期间的电能损耗成本，因此要从经济电流密度来选择电缆截面。根据电缆截面的规格分布，将铝合金电缆的截面增加1.5倍左右，载流量与电压降等电气参数与铜相当。铜缆与铝合金电缆的安培.公里电压降比值和截面比见表1。
表1 铜缆与铝合金缆的能耗比
铜缆截面
电压降
合金电缆截面
电压降
压降比
(合金/铜)
截面比
(合金/铜)
cos?=0.8
(%/A*km)
cos?=0.8
(%/A*km)
35
0.249
50
0.276
110.84%
1.43
50
0.18
70
0.203
112.78%
1.40
70
0.134
120
0.126
94.03%
1.71
95
0.105
150
0.105
100.00%
1.58
120
0.087
185
0.089
102.30%
1.54
150
0.074
240
0.074
100.00%
1.60
185
0.064
300
0.063
98.44%
1.62
240
0.054
400
0.052
96.30%
1.67
在相近能耗下，铝合金芯电缆的截面要比铜芯电缆的截面大两个规格，也就是说，铝合金电缆大于铜芯电缆两个规格才可以达到相近的载流量。增大导线截面积对电缆敷设、电缆通道的结构尺寸和电气性能都带来了影响。
1、采用铝合金电力电缆结构尺寸的影响
按照配电网规划技术导则要求，配电网电缆主干线截面积宜综合饱和负荷状况，线路全寿命周期一次选定。 10kV主干线的电缆截面积铜芯一般为240mm2～400mm2，如果选择铝合金芯电缆则要选择400mm2～630mm2。10kV分支线的电缆截面积铜芯为150mm2～240mm2,如果选择铝芯电缆则为240mm2～400mm2，电缆截面积增大在电缆敷设带来一些问题。采用大样截面用三芯电缆其重量，和弯曲半径也随之增加很多，受场地环境，施工敷设方法，人工，机械的限制，给运输和施工带来许多困难，也增加了许多工作量。因此，目前10kV三芯电缆选用的最大截面是400mm2，大于400mm2一般选用两根240 mm2的三芯电缆。
电缆敷设的通道资源也是主要的电缆建设和运行成本之一。城市电网中近一半电缆是排管敷设，选用铝合金电缆在排管敷设时，则排管孔径比选用铜芯电缆的孔径大一到两个规格或采用两个管孔，这样选用铝合金电缆增加了排管的建设和运行成本。对其它敷设方式增加截面后同样也会增加占地，增加了建设和运行成本。
电力电缆在敷设安装时。在各弯曲处产生不同方向的拉伸力，并产生导致电缆损坏的动态压力，而且电缆在敷设安装牵引时所产生的动态压力比电缆静止时大的多，所以在各种情况下，电缆的弯曲半径应尽量大些。电缆最小弯曲半径计算公式为：
R=FD;
式中：R——电缆弯曲半径， mm;
D——电缆外径，mm;
F——电缆最小弯曲半径系数。
由于电缆截面积的增大电缆外径增加，电缆弯曲半径也随之增加，势必增加电缆的转角井和入口井的占地面积，同样也增加了电缆通道的建设和运维成本。10kV三芯交联电缆外径和最小弯曲半径见表2。
表2 8.7/15kV交联聚乙烯电缆近似外径和最小弯曲半径
标称截面/mm2
三芯电缆近似外径
三芯电缆最小弯曲半径
;
无铠装
有铠装
无铠装
有铠装
一般安装
终端安装
一般安装
终端安装
120
63
69
930
744
828
690
150
67
73
990
792
864
720
185
71
77
1050
840
912
760
240
76
83
1125
900
984
820
300
81
88
1200
960
1056
880
400
88
95
1305
1044
1140
950
2、采用铝合金电力电缆电气特性的影响
(1)系统短路时电缆的允许温度和热稳定性
电缆的选择还要考虑正常和短路时电缆最高允许温度，铜芯和铝芯电缆线路在系统正常和短路时电缆导体最高允许温度见表3。铝合金电缆在短路时最高允许温度低于铜芯电缆，在选择时需要考虑。
表3 电缆线路在系统正常和短路时电缆导体最高允许温度
导体种类和材料
电缆导体最高允许温度（℃）
正常
短路
10kV交联聚乙烯电力电缆
铜芯
90
230
铝芯
90
220
电缆的选择除应按照允许温度确定允许电流外，还应验算在短路情况下的热稳定性。当热稳定不足时，增大电缆截面直到适合为止。根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007，按短路热稳定条件计算电缆导体允许最小截面的公式如下：
http://quote.dianlan.cn/phpimg/quote/upload/201308/images/u2013081409292692552.png
计算(本文略去计算过程)，可得铜电缆热稳定系数C铜=137，铝合金电缆热稳定系数C铝合金=90，在通过相同的短路电流，并且短路持续时间相等的情况下，铝合金电缆的截面必须为铜电缆截面的1.52倍及以上才可以满足热稳定的要求。另外，铝合金电缆短路时热稳定系数低于铜芯导线，在选用铝合金电缆时一定要进行热稳定校核，确保其满足热稳定的要求。
(2)多根电缆并列的影响
多根电缆并列敷设时运行时产生的热量相对单根更难发散，载流量较单根要小些。并列敷设的越多则允许载流量就越小。由下表可以看出电缆并列敷设时间距最好大于300cm(电缆直径5倍以上)来保证电缆散热和故障时减少对其他电缆的影响。多根电力电缆敷设在电缆沟道中或直埋在土壤中其载流量的计算公式如下：
KIN≥Ig
式中Ig——计算工作电流;
IN——电缆在标准敷设条件下的额定电流;
K—— 不同敷设条件下综合校正系数，空气中单根敷设时：K=Kt;在土壤中单根敷设：K=Kt·Kg;在土壤中多根敷设：K=Kt·Kg·K2;在电缆通道中单层多根敷设时：K=Kt·K2·k2;在电缆通道中多层多根并列敷设时：K=Kt·K2·k3;
Kt ——环境温度校正系数;
Kg ——直埋电缆因土壤热阻不同的校正系数。
表4 电缆直埋时并列载流量修正系数Kg
并列根数
2
3
4
5
6
电缆之间净距(mm)
100
0.9
0.85
0.80
0.78
0.75
200
0.92
0.87
0.84
0.82
0.81
300
0.93
0.90
0.87
0.86
0.85
表5 空气中单层多根电缆并列敷设时电缆载流量校正系数K2
并列根数
1
2
3
4
6
电缆中心距
S=d
0.9
0.85
0.82
0.80
S=2d
1.0
1.0
0.98
0.95
0.90
S=3d
1.0
1.0
0.98
0.96
注：S为电缆中心间距离，d为电缆外径。
表6 电缆桥架上无间隔配置多层并列电缆载流量的校正系数K3
叠置电缆层数
一
二
三
四
桥架类别
梯架
0.8
0.65
0.55
0.5
托盘
0.7
0.55
0.5
0.45
注：呈水平状并列电缆小于7根。
在同样的环境温度和土壤热阻条件下，如果选用铝合金电缆，由于增大截面积后电缆之间净距就减少了.如240mm2的铜芯电缆其外径是83mm，选用400mm2铝合金电缆外径为95mm，电缆之间净距缩小了21mm，近缩小了20%，相应的校正系数也降低。如400mm2的铜芯电缆，需选用两条185mm2的铝合金电缆，这样增加了并列直埋电缆的根数，校正系数随之降低。由于采用铝合金电缆增大了电缆外径，会出现线间距离减少，电缆数量增加的情况，这样会降低校正系数，也就是降低电缆载流量，为满足工作电流要求，可能还需要选择更大截面的导线。所以选用铝合金电缆还要考虑增大了截面降低了电缆间距离，而降低允许通流量的问题。
(3)电缆电容电流的影响
;;电缆的电容电流随着电缆截面的增大而增加，选用铝合金电缆后电缆后电缆截面积增加两个规格，电缆的电容值也随之增加。我国大部分地区还是以消弧线圈补偿为主，消弧线圈容量的确定，取决于电网中电容电流的大小，电网中电容电流的确定主要采用实测和理论估算两种方式，对于已经运行的电网还可以采用电容电流测量的方式测量，但在设计和建设阶段，由于电网尚未形成，需要用理论方法进行估算。10kV交联聚乙烯电缆每公里电容量和电容电流见表5。
表7 8.7/10kV 交联聚乙烯电缆每公里电容量和电容电流
电缆导体截面积(mm2)
电缆电容
(μF/Km)
电缆接地电容电流(A/Km)
70
0.217
1.24
95
0.240
1.37
120
0.261
1.49
150
0.284
1.62
185
0.312
1.78
240
0.344
1.96
300
0.376
2.14
400
0.421
2.41
500
0.461
2.63
在10kV采用240mm2铜电缆电容电流为1.96A/km，采用400mm2铝合金电缆时，电容电流为2.41A/km，采用铝合金电缆后电容电流增加 123%。电力系统相关技术标准和规程规定：3kV～66kV系统，当单相接地故障电容电流不超过10A时，应采用不接地方式;当超过10A又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式;6kV～35kV主要由电缆线路构成的配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式。在中压电网系统大多数是采用消弧线圈接地方式，当选用铝合金电缆时会导致消弧线圈容量增加，相应的建设成本和运行成本也在增加。国内北京、上海、天津、广州和深圳采用低电阻接地方式，低电阻接地方式对接地电流有限制值，当接地电容电流增大后也需要校核接地电流。
结语
在满足载流量和能量损耗的的前提下，铝合金电缆的直接成本即电缆本本体的成本比铜缆低，由于铝合金电缆的重量较铜芯电缆轻，铝合金电缆更适合用于大跨度的建筑，可以大大减轻对建筑钢结构的负重，节约钢结构的费用。另外，对高层建筑可以降低垂直敷设电缆的难度和工作量。在一些低压配电系统中的电缆通道资源宽裕，没有多条电缆并行敷设的场所可采用铝合金电力电缆。
但是随着城市配电网的发展，负荷密度越来越高，电缆通道中敷设的电缆数量密度也随之增加。对于电缆通道资源紧缺，短路电流大的场合在选用铝合金电缆时就不能只考虑铝合金电缆的的直接成本还有考虑综合成本，如选用铝合金电缆增加了电缆通道的尺寸，过密敷设使得通流量随着电缆间距减小而降低，电容电流增加需要增加消弧线圈容量等建设和运行成本。另外，铝合金电缆的最高允许短路温度以及热稳定系数低于铜芯电缆，在设计时应该进热稳定校核，以保障电网安全可靠运行。
作者：侯义明(1951--)，男，中国电力科学研究院，教授级工程师，主要研究方向：电力系统自动化。
