铝合金电力电缆在公路工程配电设计中的应用

王秀英, 刘勇健

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)

0 引言

电线电缆在我国的基础建设中起着很重要的链接作用,电力电缆用于传输和分配电能,在公路工程配电设计中常用于照明、通风、消防、监控、收费、通信等供电线路。

在国内,公路机电设计行业绝大部分采用铜芯电缆,通过多年实践证明铜芯电缆导电性好、载流量大、耐腐蚀性好、机械抗拉强度高。

铜是地球上一种不可再生自然资源之一,铜在地壳中的含量约为0.01%,主要分布在北美、拉丁美洲和中非地区,我国铜储量约占全球的4.28%。随着国民经济发展,铜的需求将保持增长,我国是主要的铜消费国,也是主要的铜进口国。 我国铝土矿资源分布比较丰富,是主要的铝出口国。

公路工程电缆沿公路全线分散分区段设置,特别是边远山区,易于偷盗,会造成很大经济损失,同时由于机电设备失电,可能造成交通安全隐患。 铝合金电缆中铝的质量分子数大于95%,是以铁和稀土等为主要合金元素,通过特殊工艺处理的电缆。若在工程中采用铝合金电缆,偷盗可能性大大降低。 积极探索铝合金电缆在公路工程配电设计中的应用,是推进经济结构调整,建设"资源节约型、环境友好型"社会应尽的责任与义务。

1 相关规范的规定

公路工程电气设计中执行建筑电气设计和国标中相关规定:依据JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范中第7.4.1 条相关规定,导体的选择原则,可选用铜芯或铝芯电缆和电线;民用建筑线缆宜采用铜芯电缆或电线,但在易燃、易爆场所和特别潮湿等场所应选用铜芯电缆或电线。 该条款未限制铝合金电线电缆的使用,条款中的宜的定义是表示允许稍微有选择,在条件允许时首先应这样理解。

依据GB 50096-2011 住宅设计规范中的8.7.2条第2 款规定住宅进户线和户内分支回路电缆的选择。 线缆敷设应符合防火和安全相关要求,导线材质应采用铜芯线缆,进户线缆的截面应＞10mm2,分支线缆截面应＞2.5mm2。 从用电需求发展、线缆机械强度等角度明确规定每套住宅线缆芯线材质和截面要求。

依据JGJ 242-2011 住宅建筑电气设计规范中的第6.4.2 条, 在电气竖井内敷设作为主干供电的封闭母线和线缆,可选用铜、铝或合金材质的导体。该规范说明铝合金电缆在住宅电气设计中主要作为干线供电电缆使用。

依据GB 50217-2018 电力工程电缆设计标准中的第3.1.1 条,在振动场所、有爆炸危险场所和耐火电缆应采用用铜导体电力电缆;在第3.1.2 条规定,除第3.1.1 条明确规定应选用铜导体外,其余电缆可选用铜、铝或铝合金导体。 铝合金不宜作为作为电压等级1kV 以上导体材质。

依据GB 50016-2014(2018 版) 建筑设计防火规范中第10.1.10 条,要求线缆敷设路由应满足消防配电火灾连续供电的需求,且此条为强条。 消防配电线路和其他配电线路敷设路径宜分开敷设,布设在不同的电缆井和电缆沟,若确有困难时,应分别布置在电缆井、电缆沟的两侧,且消防配电回路应采用矿物绝缘类不燃性电缆。 公路隧道内电缆敷设路径一般在电缆沟和隧道壁上安装桥架或线槽,要将消防配电和其他回路电缆路径完全分开,有一定难度时,在选择同路径电缆时宜选用同材质导体线缆。

2 铝合金电缆特点

铝合金导体的机械性能和耐腐蚀性能较差,一般在电工铝中加入铁、硼、镁、硅、锌、锰等合金元素,同时通过特殊工艺调整处理,提高铝合金性能,弥补纯铝导体电缆的不足。

铜的电极电势0.342V,铝的电极电势为-1.662V,二者的电位差是1.662+0.342=2.004V。 铝、铜导体直接连接时,这两种金属接触表面在空气中的水等其他杂质作用下,极易形成电解液,由于二者存在电位差,铝会逐渐被氧化腐蚀,铜得到还原,在铝线表面生成氧化物,造成铜、铝连接处的接触电阻增大,接头容易发热,有电气火灾安全隐患。

铜和铝热在20℃时膨胀系数系数分别为17.5(1E-6 /K)和23.2(1E-6 /K)。 导体温度将随环境温度温度变化而变化,外部电源电压中部稳定将影响电流变化,电流的大小影响导体温度,在外部环境和电源质量综合影响下,铜铝导体作不同收缩和扩张,由于二者膨胀系数不同,将造成二者接触不良,接头处会发热,导体发热将导致电阻增加,加剧接头发热,形成恶性循环。 电缆发热导致电缆绝缘加速老化,引发电气火灾。

电缆中间接头如果是与相同的电缆连接,与普通电缆一样,选择普通电缆接头就可以;如在配电柜内,不允许将铝导体和铜导体直接相连。 铜、铝导体连接须采用铜铝专用过渡端子。

20℃时,铜线缆直流电阻率1.72 × 10 - 8 (Ω·m),电工铝直流电阻率2.82 (Ω·m),铝合金电阻率略大于铝。 同截面铝合金芯电缆载流量为铜芯电缆的0.61。

铜的熔点为1 083℃,铝的熔点是660℃,一般情况下合金的熔点比纯金属的熔点应该低些,在GA 306.2-2007 阻燃及耐火电缆 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求 第2 部分:耐火电缆中规定,一般耐火电缆供火温度为750 ～800℃,A 级耐火电缆供火温度为750 ～800℃,铝合金无耐火电缆。 火灾起火点温度800～900℃,在消防等重要场合,明文规定应采用耐火电缆,

铝合金电缆由于自身重量较轻,较易施工,可减少施工人员,节省安装费用;柔韧性较好,电缆设施转弯半径较铜小,方便在井内盘曲;由于相当铜材料低廉,回收价较低,不易于被偷盗。

但铝合金电缆在与铜芯电缆相同载流量下,其外径较大,预埋孔和桥架尺寸均需要加大,工程费用有所加大。 它需要专用铝合金端子头,而且压接端子头工具较昂贵,并由厂家专门配套,维护时间较长。 且只有阻燃级,没有耐火级电缆。 由于机械强度问题,导体截面10mm2以下时不应选用铝合金电缆。

3 公路工程配电设计电缆类型分析

公路工程路段照明系统、隧道机电系统等场所的配电均使用大量电力电缆。 电缆在机电造价比例较高,在合适场所探讨采用铝合金电力电缆合影节省投资。

由于铝合金电缆没有耐火级电缆,涉及消防设施,供电等级要求交高的场合,不适合选用。 根据机械强度问题,供电照明、插座和设备末端分支电缆应选用铜芯电缆。 相同载流量下,铝合金电缆截面更大,电缆敷设场地狭窄受限时,不宜选用。

路段照明敷设在室外,导体截面一般为25 mm2等截面或非等截面。 灯具布置间距一般为30 ～40m,接头数量较少,可采用铝合金电力电缆供电。

根据隧道规模和交通量设置通风设施。 风机当风机功率为22kW,风机根据载流量选择的电缆截面为三芯10mm2铜芯电缆;一般采用放射式供电方式时,无分支电缆。 射流风机按照隧道内舒适设置的运营工况送风机时,其供电电缆可以采用铝合金电力电缆。 但隧道内通风机一般兼做营运工况和火灾工况风机,很难将二者区分,要求在隧道内发生火灾时,保证射流风机应能正常可靠运转1h。在选择通风供电电缆时,根据通风工况形式选择合适的电缆。

对于隧道内树干式配电的加强照明,隧道入口灯具数量与行车速度相关,当车速达到120km/h时,入口段长度约350m,灯具数量约800 盏,根据情况分4～8 个回路供电,每盏灯分支电缆一般用3×2.5mm2铜芯电缆,由于铝合金与铜芯接头数量多,对施工要求高,且隧道内基本照明和应急照明负荷供电等级为一级,且主干电缆截面较小,故不建议隧道内主干采用铝合金电缆。 在低等级公路上的加强照明,隧道入口段亮度低,灯具数量较少,加强照明长度短,一般低等级公路全线不封闭,存在电缆偷盗严重的现象,建议尝试用铝合金电缆作主干供电电缆。

笔者根据相关规范和工程经验,推荐以下情况,可以采用铝合金电力电缆。

(1)射流风机为排烟风机时,应用有限。

(2)若隧道内照明采用从洞外变电所供电方式时,从变电所至隧道洞口变电所至隧道内配电箱加强照明主干电力电缆。 从隧道内配电箱至灯具,行车速度较低时,敷设于隧道内这部分干线根据实际情况可考虑采用铝合金电力电缆。

(3)引道路灯和道路照明电力电缆,选用铝合金电力电缆时,可以节省投资;同时比选用铜芯电力电缆截面大,且更能满足开关灵敏度要求。

(4)电缆截面＞10mm2的外场监控设施。

4 铝合金电缆设计选型、施工和验收

4.1 设计选型

电缆选择包括绝缘材料和护套选择,应考虑气候的适应性和使用场所。 在高海拔地区的环境温度＜-15℃时,不应选用普通聚氯乙烯绝缘电缆;在公路隧道选用低烟、低卤或无卤阻燃电缆;在潮湿或易受水浸泡的电缆,其金属层、铠装上应有聚乙烯护套层;在有鼠患严重的场所,应选用金属包带或钢带铠装电缆。 直埋电缆应采用带护套的联锁铠装电缆。

电缆导体截面选择应满足载流量大小,按照电压降、机械强度效验截面。 用电设备若UPS、直流电流源、LED 灯、气体放电灯等均含有不同程度的谐波,在选择导体截面时,计入谐波电流的影响。 当导线截面＞10mm2时,根据负荷电流选择的电缆截面,一般能满足导体热稳定、机械强度要求,只需要再验算电压降。

电缆导体截面的选择还需要考虑保护等相关要求。 对于公路隧道机电供电电缆和道路照明电缆,截面不大,但电缆长度达数百米,特别注意验算电缆能否满足接地故障。

铝合金电缆选型应满足文献[6]中相关参数,并按照文献[7]中相关图集进行设计。

4.2 铝合金电缆施工

电缆的压接工具、压接工序及附件应符合相关标准要求,并确保电缆终端与保护设备或用电设备连接处匹配。

电力电缆的在低温下安装时,在低温下施工时,电缆容易变脆,导致损坏无法安装,要求电缆应将电缆放置室内,放置时间应＞24h;电缆安装时的环境温度≥15℃。

电缆进线终端、中间接头或分支接头连接时,应对导体进线清洁,然后涂敷抗氧化油脂。

铝合金电缆中间接头、终端、分子接头、分子接线箱及接地配件宜由电缆生产厂家提供配套产品,并符合国家标准要求。

铝合金电缆分支,可以采用绝缘穿刺线夹、T 接线箱、分支端子。 铝合金电缆需要专用铝合金端子头,并由厂家专门配套。

铜铝过渡端子有CAU 型、DTL 型、针形。 针形铜铝过渡端子适用于铝合金电缆与微型断路器连接。 若端子宽度与断路器接头不匹配,应使用转接铜排连接。 端子与铜排连接时,螺栓的拧紧力矩应符合表“螺栓拧紧力矩”。

在相同载流量下,铝合金电缆外径较大,预埋孔和桥架尺寸均需要加大,改造项目时,需要实地考察。

4.3 铝合金电缆验收

查验厂家的铝合金电缆导体与铝合金铜连接端子的铝合金材料一致性检查报告和导体铝合金材料的100h 抗压蠕变试验报告,确保厂家能生产合格的铝合金电缆。

铝合金电缆与端子应通过文献[8]中1000 次热循环试验,考核端子连接是否可靠。

全负荷运行时,应检查接头部位的外护套温度,其温度不得高于电缆本体温度。

5 结束语

目前国内铝合金电缆质量参差不齐,故国家发布GB/T 31840-2015《额定电压1kV (Um=1.2kV)到35kV (Um=40.5kV)铝合金芯挤包绝缘电力电缆》规范,规定了材料、结构、尺寸和试验要求;国家能源局NB/T 42051-2015《额定电压0.6/1kV 铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》规定了结构、材料和试验要求。 铝合金电缆的大力推广,电缆连接技术是关键,需提高铝合金电缆施工工艺水平。 随着国际和行业规范逐步出台,铝合金电缆行业进一步规范化,其发展前景空间还很大。