梁榮欣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 傳統(tǒng)銅芯電纜在水處理行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

電力電纜作為電能的主要輸送載體，在我們生活的地球上無(wú)處不在。大到長(zhǎng)距離超高壓輸電線路，小到家里裝修用的絕緣導(dǎo)線，到處都離不開(kāi)電線電纜的身影。以筆者所在的水處理行業(yè)來(lái)看，一座20萬(wàn)t的污水處理廠的各類電力電纜用量就達(dá)到了15 km，約占電氣設(shè)備總投資的40%，其中絕大部分采用的都是銅芯電纜。

日前公布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)2012年精煉銅進(jìn)口量大幅增加20%至紀(jì)錄高位的340萬(wàn)t，超過(guò)2009年創(chuàng)出的前紀(jì)錄高位319萬(wàn)t。而我國(guó)銅精礦的供應(yīng)不到30%，超過(guò)70%的比例需要依賴進(jìn)口，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國(guó)鐵礦石和石油的對(duì)外依存程度。受國(guó)內(nèi)需求推動(dòng)，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的銅消費(fèi)國(guó)。2012年，我國(guó)的銅消費(fèi)量總計(jì)達(dá)到800萬(wàn)t。世界金屬統(tǒng)計(jì)局稱，2012年1～12月份全球銅消費(fèi)量為2054.8萬(wàn)t，2011年全年為1962.6萬(wàn) t。同期中國(guó)表觀銅消費(fèi)量增長(zhǎng)了92.5萬(wàn)t，達(dá)884萬(wàn)t，占全球需求量之比略高于43%（數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)鋼鐵現(xiàn)貨網(wǎng)）。因此,目前我國(guó)電纜用銅大部分從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)外銅礦壟斷企業(yè)爭(zhēng)相提價(jià)，造成建筑電氣成本居高不下。反過(guò)來(lái)看，我國(guó)已探明鋁礬土儲(chǔ)藏量為37億t。在這樣的礦產(chǎn)資源形勢(shì)下，如果不惜重金進(jìn)口銅，而不用自己擁有的豐富的鋁資源，將造成極大的資源浪費(fèi)和貿(mào)易逆差。

2 新型合金電纜的生產(chǎn)工藝及主要特點(diǎn)

電力電纜的主要形式有銅芯電纜、鋁芯電纜和合金電纜。其中,銅芯電纜應(yīng)用范圍最廣，而鋁芯電纜由于其電阻率大、強(qiáng)度差、延展性不足等缺陷已經(jīng)逐步被市場(chǎng)所淘汰。

近幾年出現(xiàn)了一種新型的電力電纜，即鋁合金電力電纜。它是以AA-8000系列鋁合金材料為導(dǎo)體，采用特殊緊壓工藝和退火處理等先進(jìn)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造的新型材料電力電纜。合金電力電纜彌補(bǔ)了以往純鋁電纜的不足，提高了電纜的導(dǎo)電性能、彎曲性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能等，能夠保證電纜在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)保持連續(xù)性能穩(wěn)定。采用AA-8000系列鋁合金導(dǎo)體，可以大大提高鋁合金電纜的導(dǎo)電率、耐高溫性，同時(shí)解決了純鋁導(dǎo)體電化學(xué)腐蝕、蠕變等問(wèn)題。鋁合金的導(dǎo)電率是最常用基準(zhǔn)材料銅IACS的61.5%，載流量是銅的79%，優(yōu)于純鋁標(biāo)準(zhǔn)。但在同樣體積下，鋁合金的實(shí)際重量大約是銅的1/3。按照該計(jì)算，在滿足相同導(dǎo)電性能的前提下，相同重量鋁合金電纜的長(zhǎng)度是銅電纜的兩倍。因此，相同載流量時(shí)鋁合金電纜的重量大約是銅纜的一半。采用鋁合金電纜取代銅纜，可以減輕電纜重量，降低安裝成本，減少設(shè)備和電纜的磨損，使安裝工作更輕松。圖1為合金電纜橫斷面。

圖1 合金電纜橫斷面

從1968年開(kāi)始，美國(guó)電纜公司就開(kāi)始研制生產(chǎn)合金電力電纜，并在美國(guó)、加拿大、墨西哥等國(guó)家開(kāi)始推廣應(yīng)用。主要應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、軍事基地、辦公大樓、住宅、酒店、超市、院校、體育場(chǎng)、醫(yī)院、工廠廠房等建設(shè)工程。美國(guó)成功應(yīng)用合金電纜40余年，從未出現(xiàn)過(guò)任何安全事故。目前在美國(guó)90%以上的市政民用及工、商業(yè)建筑都是采用合金電力電纜，合金電力電纜得到美國(guó)建筑設(shè)計(jì)師和電氣設(shè)計(jì)師在安全性能和便捷敷設(shè)等方面的一致肯定和推薦。2008年始，鋁合金電纜開(kāi)始在我國(guó)快速推廣應(yīng)用，得到廣大電力工程應(yīng)用商的一致肯定與好評(píng)。

3 合金電纜和銅芯電纜的數(shù)據(jù)對(duì)比

下面讓我們來(lái)對(duì)比合金電纜和傳統(tǒng)銅芯電纜的技術(shù)參數(shù)，以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)合金電纜。

3.1 電纜壓降

電纜電阻的計(jì)算公式：

式（1）中：ρ——物質(zhì)的電阻率，Ω·m；

L——長(zhǎng)度，m；

S——截面積，m2。

由于銅導(dǎo)體的20℃電阻率是0.0175，鋁導(dǎo)體是0.0283，因此取單位長(zhǎng)度的銅電纜和鋁合金電纜，可以近似認(rèn)為在同樣壓降的前提下，鋁導(dǎo)體的截面約為銅電纜的1.6倍。

3.2 電纜重量

電纜重量的計(jì)算公式：

式（2）中：ρ——物質(zhì)的密度，kg/m；

L——長(zhǎng)度，m；

S——截面積，m2。

由于銅的密度約為8.9×103kg/m3，鋁的密度約為2.7×103kg/m3。因此同等長(zhǎng)度、同等面積的銅電纜重量是鋁電纜的3.3倍。結(jié)合電纜的壓降計(jì)算可知，在同等壓降的前提下，鋁導(dǎo)體的截面約為銅電纜的1.6倍，重量?jī)H為銅電纜的一半。

3.3 載流量

根據(jù)多家電纜廠提供的資料顯示，在相同的敷設(shè)環(huán)境下，相同截面積的合金電纜載流量約是銅電纜的75%～80%。

此外，合金電纜不僅具有和銅芯電纜有著接近的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度等機(jī)械特性，其柔韌性能還要優(yōu)于銅芯電纜。

4 在污水處理行業(yè)中采用合金電纜的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

下面我們來(lái)對(duì)比一下兩種不同型號(hào)的銅電纜和合金電纜的電氣參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 兩種不同型號(hào)的銅電纜和合金電纜的電氣參數(shù)

從表1可以看出，兩種電纜的載流量和壓降基本相同。銅芯電纜除外徑較小外，其余參數(shù)均遜于合金電纜。合金電纜較小的重量和彎曲半徑不但使得安裝工作更加靈活，還可以降低運(yùn)輸成本；合金電纜還可以應(yīng)用于直埋環(huán)境和具有更高火災(zāi)危險(xiǎn)的環(huán)境。

污水處理廠具有以下特點(diǎn)。

（1）構(gòu)筑物分散、設(shè)備眾多。這就決定了從變電所到各個(gè)構(gòu)筑物的電纜數(shù)量和電纜長(zhǎng)度都非常大，因此采用相同電氣性能的合金電纜將大幅降低工程投資。

（2）廠內(nèi)同時(shí)存在供水、污水、雨水、風(fēng)管和污泥管道等多種管線，使得電纜通道只能在夾縫中求生存，很多電纜需要在敷設(shè)過(guò)程中打許多個(gè)彎。合金電纜重量輕，允許彎曲半徑小的特點(diǎn)正好適合在這種環(huán)境中敷設(shè)，可以大大減輕安裝電纜的工作量，并降低電纜彎轉(zhuǎn)過(guò)程中帶來(lái)的損壞。

（3）電纜溝內(nèi)電纜成捆敷設(shè)，甲醇加藥間、臭氧制備間、沼氣發(fā)電機(jī)房等諸多單體均要求采用阻燃電纜。合金電纜先進(jìn)的制作工藝決定了它的非金屬含量較低，并且具有良好的阻燃特性，適合應(yīng)用于具有火災(zāi)危險(xiǎn)發(fā)生的各個(gè)工藝單體及變電所內(nèi)。

應(yīng)用合金電纜還應(yīng)注意以下問(wèn)題。

（1）熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)是用來(lái)衡量在溫度變化時(shí)材料的體積變化。鋁的熱膨脹系數(shù)比銅略高，它比銅膨脹或收縮更多一點(diǎn)。因此，合金電纜不能用銅連接器來(lái)連接。

（2）載流量校正系數(shù)

仍需注意相同載流量的合金電纜外徑要比銅芯電纜大20%左右，在相同數(shù)量的電纜敷設(shè)時(shí)，合金電纜會(huì)比銅芯電纜更加密集，間距較小。因此在同樣規(guī)格電纜溝內(nèi)敷設(shè)時(shí)，合金電纜的載流量校正系數(shù)要取得更小些。

（3）腐蝕性氣體

污水處理廠內(nèi)到處充斥著各種腐蝕性氣體，因此在電纜安裝方式選擇及電纜型號(hào)確定時(shí)要給與充分考慮。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上分析，合金電纜在其電氣特性上完全可以達(dá)到傳統(tǒng)的銅芯電纜水平，并且在諸多方面有著銅芯電纜無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在污水處理行業(yè)的應(yīng)用前景非常廣闊。隨著合金電纜的不斷應(yīng)用，它必將可以逐步取代銅芯電纜，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。

[1]劉龍華.電纜敷設(shè)圖集（D101-1～7）[Z].北京：中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所出版，2002.

[2]中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)——電氣與自控（第二版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]GB 50217-2007，電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].