徐文彬

上海電氣電站環(huán)保工程有限公司 上海 201612

1 研究背景

在整個(gè)電力系統(tǒng)中,電力電纜作為連接發(fā)電機(jī)、變壓器、配電裝置、終端負(fù)載等設(shè)備的重要電氣元件,是電能傳輸、分配的主要載體,直接影響電氣系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

在一般工業(yè)與民用建筑工程中,大部分終端用電設(shè)備都采用380 V電壓等級(jí),低壓電力電纜的用量較大,電力電纜投資占工程總投資的比例達(dá)到3%左右。

筆者結(jié)合從業(yè)經(jīng)驗(yàn),從不同行業(yè)、多個(gè)角度對(duì)1 kV及以下低壓電力電纜的選型進(jìn)行研究,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,為工程項(xiàng)目提供參考。

2 低壓電力電纜結(jié)構(gòu)

低壓電力電纜在結(jié)構(gòu)上大致可分為導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層、護(hù)套層。根據(jù)不同的整體性能和使用條件,低壓電力電纜的結(jié)構(gòu)也各有不同。在需要承受較大壓力或面臨機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí),低壓電力電纜結(jié)構(gòu)還應(yīng)當(dāng)包括鎧裝層。

三芯聚氯乙烯絕緣內(nèi)鋼帶鎧裝電纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三芯聚氯乙烯絕緣內(nèi)鋼帶鎧裝電纜結(jié)構(gòu)

3 低壓電力電纜型號(hào)

低壓電力電纜型號(hào)以字母和數(shù)字組合表示。其中,字母表示低壓電力電纜的產(chǎn)品系列、導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套、特征及派生代號(hào),數(shù)字表示外護(hù)層。完整的低壓電力電纜型號(hào)還應(yīng)包括額定電壓、線芯數(shù)、標(biāo)稱截面積等,即低壓電力電纜型號(hào)是產(chǎn)品系列、導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套、特征、外護(hù)層的組合表示。

目前工程中比較常用的低壓電力電纜產(chǎn)品系列有阻燃型(ZR)、耐火型(NH)、低煙無(wú)鹵阻燃型(WDZ)、低煙無(wú)鹵耐火型(WDZN)等,導(dǎo)體材料有鋁、銅、鋁合金,絕緣層材料多采用聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、乙丙橡膠(EPR),護(hù)套材料常選用聚氯乙烯、聚乙烯、低煙無(wú)鹵烯烴等。

4 低壓電力電纜技術(shù)特點(diǎn)

1 kV及以下低壓電力電纜選型的主要依據(jù)是電纜載流量、回路電壓降、截面熱穩(wěn)定性[1]。此外,還需要考慮機(jī)械強(qiáng)度、敷設(shè)環(huán)境、電流經(jīng)濟(jì)密度等。

4.1 導(dǎo)體材料

在常用的低壓電力電纜導(dǎo)體材料中,銅的電導(dǎo)率最大,因此銅芯低壓電力電纜相比鋁制低壓電力電纜有更小的線路損耗,更節(jié)省運(yùn)行成本。在空氣環(huán)境溫度為40 ℃,土壤環(huán)境溫度為25 ℃,熱阻系數(shù)為2(℃·m)/W時(shí),不同導(dǎo)體材料1 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜載流量比較見(jiàn)表1。銅芯低壓電力電纜的載流量比其它類型低壓電力電纜要高出一兩個(gè)截面等級(jí),在工程中可以有效減小電纜外徑,降低電纜通道的填充率,并降低電纜通道的造價(jià)。銅芯低壓電力電纜還具有機(jī)械強(qiáng)度高、易于進(jìn)行加工等特點(diǎn)。另外,電氣設(shè)備的接線端子多為銅質(zhì),相同材質(zhì)間進(jìn)行連接,可靠性較高,不會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕、膨脹系數(shù)不同等問(wèn)題。

表1 1 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜載流量

由于銅價(jià)持續(xù)高企,目前鋁合金低壓電力電纜在發(fā)達(dá)國(guó)家擁有了一定的市場(chǎng)占有率。鋁合金導(dǎo)體在純鋁材料的基礎(chǔ)上添加了銅、鐵、鎂、硅等元素,經(jīng)過(guò)特殊的工藝合成和退火處理,提高了低壓電力電纜的彎曲性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能[2]。鋁合金質(zhì)量輕，載荷小,可降低對(duì)電纜通道支吊架的技術(shù)要求,在抗震設(shè)計(jì)方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),在大亞灣、秦山二期核電機(jī)組中有廣泛應(yīng)用。

4.2 絕緣材料

聚氯乙烯以聚氯乙烯樹(shù)脂為主要原料,加入適量配合劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、填充劑、著色劑等,經(jīng)混合塑化而制成。聚氯乙烯的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)便、機(jī)械強(qiáng)度高、耐油、耐酸堿腐蝕、工藝性能較好,缺點(diǎn)是耐熱性能差、絕緣電阻率較小、介質(zhì)損耗較大。

聚乙烯具有優(yōu)良的電氣性能,介電常數(shù)小,介質(zhì)損耗小,加工方便,缺點(diǎn)是耐熱性差、機(jī)械強(qiáng)度低、耐電暈性能差[3]。

交聯(lián)聚乙烯是聚乙烯經(jīng)過(guò)交聯(lián)反應(yīng)后的產(chǎn)物。線形結(jié)構(gòu)的聚乙烯通過(guò)加工變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚乙烯,不僅保留了聚乙烯的優(yōu)點(diǎn),而且改善了耐熱性能和機(jī)械強(qiáng)度。交聯(lián)聚乙烯低壓電力電纜質(zhì)量輕,外徑小,適用于水下敷設(shè)。

乙丙橡膠是一種合成橡膠,由乙烯、丙烯和少量第三單體共聚而成,具有良好的電氣性能、耐熱性能、耐臭氧性能和耐氣候性能。乙丙橡膠低壓電力電纜柔軟性好,適用于敷設(shè)彎曲半徑很小的場(chǎng)合。

各種絕緣材料低壓電力電纜的運(yùn)行溫度比較見(jiàn)表2。

表2 各種絕緣材料低壓電力電纜運(yùn)行溫度

三門一期核電工程采用了先進(jìn)的第三代核電技術(shù)AP1000堆型,選用乙丙橡膠和交聯(lián)聚乙烯作為低壓電力電纜的絕緣材料,分別用于嚴(yán)酷環(huán)境與緩和環(huán)境[4]。絕緣材料的絕緣電阻常數(shù)在90 ℃時(shí)不小于3.67 MΩ·km,在浸水條件下,經(jīng)受2.4 kV工頻電壓4 h不發(fā)生擊穿,耐壓性能優(yōu)秀。在絕緣老化前,交聯(lián)聚乙烯的抗拉強(qiáng)度達(dá)到12.5 N/mm2,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到200%。經(jīng)135 ℃、持續(xù)10 d老化后,抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的變化率小于25%。乙丙橡膠的國(guó)際橡膠硬度(IRHD)不低于80,在150%伸長(zhǎng)率下的抗拉強(qiáng)度不小于4.5 N/mm2。在水溫85 ℃、持續(xù)時(shí)間14 d的條件下,乙丙橡膠的質(zhì)量增值不大于5 mg/cm2,交聯(lián)聚乙烯的質(zhì)量增量不大于1 mg/cm2[5]。

綜合上述內(nèi)容可見(jiàn),交聯(lián)聚乙烯及乙丙橡膠作為絕緣材料,具有耐熱、耐潮濕、耐水淹、耐輻照等優(yōu)點(diǎn),較另外兩種絕緣材料更具技術(shù)優(yōu)勢(shì),能保證核島在極端情況下的供電可靠性,為整個(gè)核電站的縱深防御和安全運(yùn)行帶來(lái)重要保障。

4.3 護(hù)套材料

護(hù)套能夠保護(hù)低壓電力電纜在敷設(shè)、運(yùn)行過(guò)程中免受機(jī)械損傷和各種環(huán)境因素帶來(lái)的破壞,直接影響低壓電力電纜的使用壽命。低壓電力電纜目前主要采用聚氯乙烯、聚乙烯和低煙無(wú)鹵聚烯烴作為護(hù)套材料。出于對(duì)公共場(chǎng)所公眾安全的考慮,在大型民用公共建筑中,護(hù)套材料通常采用低壓無(wú)鹵聚烯烴[6],火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的氣體無(wú)鹵無(wú)毒。在淮安市國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目中,采用了低煙無(wú)鹵阻燃型低壓電力電纜,其護(hù)套性能優(yōu)良。在材料燃燒時(shí),釋放的氣體折合氯化氫,含量小于5 mg/g,逸出氣體的酸堿值不小于4.3,電導(dǎo)率不大于10μs/mm,煙霧透光率大于60%,毒性指數(shù)不大于5,20 ℃和80 ℃時(shí)氧指數(shù)之差絕對(duì)值不大于2。在200 ℃,機(jī)械拉力為20 N/cm2,持續(xù)時(shí)間為15 min的條件下,護(hù)套材料的延伸率小于175%,冷卻后永久延伸率小于15%。在臭氧濃度為0.025%～0.030%,持續(xù)時(shí)間為30 h的條件下,護(hù)套無(wú)裂痕。在-15 ℃的條件下持續(xù)16 h后,電纜護(hù)套無(wú)裂紋。

低煙無(wú)鹵低壓電力電纜在明火燃燒時(shí),產(chǎn)生極少量煙霧,釋放氣體無(wú)鹵無(wú)毒[7],對(duì)人體更加安全,但價(jià)格較高,可根據(jù)工程的實(shí)際情況靈活選擇。

5 低壓電力電纜經(jīng)濟(jì)性分析

筆者結(jié)合某大型火電廠環(huán)保項(xiàng)目對(duì)低壓電力電纜的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。低壓電力電纜的價(jià)格在很大程度上受制于原材料價(jià)格,其中主要包括導(dǎo)體材料銅、鋁,以及絕緣和護(hù)套材料聚乙烯、聚氯乙烯等。上海期貨交易所銅、鋁價(jià)格如圖2所示,大連商品交易所聚乙烯、聚氯乙烯價(jià)格如圖3所示。

在大型火力發(fā)電廠內(nèi),由于人員密集程度遠(yuǎn)低于公共場(chǎng)所,因此出于經(jīng)濟(jì)性考慮,護(hù)套不采用低煙無(wú)鹵材料,主要選用聚乙烯和聚氯乙烯作為護(hù)套材料。至2019年末,兩者的價(jià)格已經(jīng)非常接近,再加上護(hù)套、絕緣材料占低壓電力電纜價(jià)格的比例相對(duì)較低,因此兩種材料的經(jīng)濟(jì)性已沒(méi)有明顯差異。

銅價(jià)與鋁價(jià)大體同漲同跌,但銅價(jià)波動(dòng)性大,差價(jià)大,近年來(lái)的價(jià)格區(qū)間為3.5萬(wàn)元/t～6萬(wàn)元/t?？紤]到鋁芯低壓電力電纜的技術(shù)性能與銅芯低壓電力電纜相比差距很大,并且鋁合金電纜已在核島項(xiàng)目中有使用業(yè)績(jī),運(yùn)行情況良好,因此筆者主要對(duì)銅芯低壓電力電纜和鋁合金低壓電力電纜的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析[8-10]。

圖2 銅、鋁價(jià)格

圖3 聚乙烯、聚氯乙烯價(jià)格

某大型火電廠環(huán)保項(xiàng)目銅芯低壓電力電纜價(jià)格統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

由表3可知,整個(gè)項(xiàng)目銅芯低壓電力電纜的總投資為482萬(wàn)元。

若在技術(shù)條件相同的情況下,改用鋁合金低壓電力電纜,需要對(duì)截面積70 mm2及以下的銅芯電纜提高一個(gè)截面等級(jí),對(duì)截面積95 mm2及以上的銅芯低壓電力電纜提高兩個(gè)截面等級(jí)來(lái)選型。2013年初銅價(jià)為6萬(wàn)元/t時(shí),鋁合金低壓電力電纜的價(jià)格為低于其一個(gè)截面等級(jí)的銅芯低壓電力電纜價(jià)格的60%～70%。該項(xiàng)目的電纜采購(gòu)階段,銅價(jià)為4.5萬(wàn)元/t,采用鋁合金低壓電力電纜,總投資比銅芯低壓電力電纜降低5%～8%。若再綜合銅鋁過(guò)渡所需特殊的電纜終端頭和運(yùn)行過(guò)程中的線路損耗等因素,兩者的經(jīng)濟(jì)性差距小于3%,對(duì)總投資的影響小于0.1%。

表3 某大型火電廠環(huán)保項(xiàng)目銅芯低壓電力電纜價(jià)格統(tǒng)計(jì)

根據(jù)電纜制造廠提供的價(jià)格數(shù)據(jù),分別得到該大型火電廠環(huán)保項(xiàng)目銅芯低壓電力電纜總投資與銅價(jià)關(guān)系及鋁合金低壓電力電纜總投資與鋁價(jià)關(guān)系,如圖4、圖5所示。對(duì)數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)一步處理,按銅價(jià)等于鋁價(jià)的三倍進(jìn)行換算,可以得到鋁合金低壓電力電纜總投資與銅價(jià)的關(guān)系曲線,進(jìn)而對(duì)兩種低壓電力電纜進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,如圖6所示。由于鋁價(jià)波動(dòng)小于銅價(jià),在兩種材料價(jià)格同時(shí)走高時(shí),兩種低壓電力電纜的價(jià)格差距會(huì)出現(xiàn)放大效應(yīng)。由圖6可知,當(dāng)銅價(jià)高于5萬(wàn)元/t時(shí),鋁合金低壓電力電纜的價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)出來(lái);當(dāng)銅價(jià)低于5萬(wàn)元/t時(shí),兩者的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。

圖4 銅芯低壓電力電纜總投資與銅價(jià)關(guān)系

圖5 鋁合金低壓電力電纜總投資與鋁價(jià)關(guān)系

圖6 低壓電力電纜經(jīng)濟(jì)性比較

銅芯低壓電力電纜目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額很高,鋁合金低壓電力電纜則在歐美國(guó)家擁有一定的市場(chǎng)占有率。這是由于歐美國(guó)家圖紙?jiān)O(shè)計(jì)深度細(xì)分,項(xiàng)目的成本控制較為精確,鋁合金低壓電力電纜在經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢(shì)。鋁合金低壓電力電纜在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額低,在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)未能得到充分體現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)低壓電力電纜進(jìn)行了選型研究和經(jīng)濟(jì)性分析。從技術(shù)性能來(lái)看,銅和鋁合金作為低壓電力電纜的導(dǎo)體材料,均具有較高的可靠性;交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠作為絕緣材料,有更好的電氣性能、耐熱性能和機(jī)械性能;護(hù)套材料建議結(jié)合實(shí)際工程選用,在公共場(chǎng)所應(yīng)選用低煙無(wú)鹵材料。在經(jīng)濟(jì)性方面,導(dǎo)體材料占整個(gè)電纜總投資的比例高。當(dāng)銅價(jià)大幅走高時(shí),鋁合金低壓電力電纜具有較高的性價(jià)比。