低压电力电缆选型研究与经济性分析

徐文彬

上海电气电站环保工程有限公司 上海 201612

1 研究背景

在整个电力系统中,电力电缆作为连接发电机、变压器、配电装置、终端负载等设备的重要电气元件,是电能传输、分配的主要载体,直接影响电气系统的安全性、可靠性及经济性。

在一般工业与民用建筑工程中,大部分终端用电设备都采用380 V电压等级,低压电力电缆的用量较大,电力电缆投资占工程总投资的比例达到3%左右。

笔者结合从业经验,从不同行业、多个角度对1 kV及以下低压电力电缆的选型进行研究,并进行经济性分析,为工程项目提供参考。

2 低压电力电缆结构

低压电力电缆在结构上大致可分为导体、绝缘层、屏蔽层、护套层。根据不同的整体性能和使用条件,低压电力电缆的结构也各有不同。在需要承受较大压力或面临机械损伤风险时,低压电力电缆结构还应当包括铠装层。

三芯聚氯乙烯绝缘内钢带铠装电缆的结构如图1所示。

图1 三芯聚氯乙烯绝缘内钢带铠装电缆结构

3 低压电力电缆型号

低压电力电缆型号以字母和数字组合表示。其中,字母表示低压电力电缆的产品系列、导体、绝缘、护套、特征及派生代号,数字表示外护层。完整的低压电力电缆型号还应包括额定电压、线芯数、标称截面积等,即低压电力电缆型号是产品系列、导体、绝缘、护套、特征、外护层的组合表示。

目前工程中比较常用的低压电力电缆产品系列有阻燃型(ZR)、耐火型(NH)、低烟无卤阻燃型(WDZ)、低烟无卤耐火型(WDZN)等,导体材料有铝、铜、铝合金,绝缘层材料多采用聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、交联聚乙烯(XLPE)、乙丙橡胶(EPR),护套材料常选用聚氯乙烯、聚乙烯、低烟无卤烯烃等。

4 低压电力电缆技术特点

1 kV及以下低压电力电缆选型的主要依据是电缆载流量、回路电压降、截面热稳定性[1]。此外,还需要考虑机械强度、敷设环境、电流经济密度等。

4.1 导体材料

在常用的低压电力电缆导体材料中,铜的电导率最大,因此铜芯低压电力电缆相比铝制低压电力电缆有更小的线路损耗,更节省运行成本。在空气环境温度为40 ℃,土壤环境温度为25 ℃,热阻系数为2(℃·m)/W时,不同导体材料1 kV交联聚乙烯绝缘电缆载流量比较见表1。铜芯低压电力电缆的载流量比其它类型低压电力电缆要高出一两个截面等级,在工程中可以有效减小电缆外径,降低电缆通道的填充率,并降低电缆通道的造价。铜芯低压电力电缆还具有机械强度高、易于进行加工等特点。另外,电气设备的接线端子多为铜质,相同材质间进行连接,可靠性较高,不会出现电化学腐蚀、膨胀系数不同等问题。

表1 1 kV交联聚乙烯绝缘电缆载流量

由于铜价持续高企,目前铝合金低压电力电缆在发达国家拥有了一定的市场占有率。铝合金导体在纯铝材料的基础上添加了铜、铁、镁、硅等元素,经过特殊的工艺合成和退火处理,提高了低压电力电缆的弯曲性能、抗蠕变性能和耐腐蚀性能[2]。铝合金质量轻，载荷小,可降低对电缆通道支吊架的技术要求,在抗震设计方面有得天独厚的优势,在大亚湾、秦山二期核电机组中有广泛应用。

4.2 绝缘材料

聚氯乙烯以聚氯乙烯树脂为主要原料,加入适量配合剂、增塑剂、稳定剂、填充剂、着色剂等,经混合塑化而制成。聚氯乙烯的优点是制造工艺简便、机械强度高、耐油、耐酸碱腐蚀、工艺性能较好,缺点是耐热性能差、绝缘电阻率较小、介质损耗较大。

聚乙烯具有优良的电气性能,介电常数小,介质损耗小,加工方便,缺点是耐热性差、机械强度低、耐电晕性能差[3]。

交联聚乙烯是聚乙烯经过交联反应后的产物。线形结构的聚乙烯通过加工变为网状结构的交联聚乙烯,不仅保留了聚乙烯的优点,而且改善了耐热性能和机械强度。交联聚乙烯低压电力电缆质量轻,外径小,适用于水下敷设。

乙丙橡胶是一种合成橡胶,由乙烯、丙烯和少量第三单体共聚而成,具有良好的电气性能、耐热性能、耐臭氧性能和耐气候性能。乙丙橡胶低压电力电缆柔软性好,适用于敷设弯曲半径很小的场合。

各种绝缘材料低压电力电缆的运行温度比较见表2。

表2 各种绝缘材料低压电力电缆运行温度

三门一期核电工程采用了先进的第三代核电技术AP1000堆型,选用乙丙橡胶和交联聚乙烯作为低压电力电缆的绝缘材料,分别用于严酷环境与缓和环境[4]。绝缘材料的绝缘电阻常数在90 ℃时不小于3.67 MΩ·km,在浸水条件下,经受2.4 kV工频电压4 h不发生击穿,耐压性能优秀。在绝缘老化前,交联聚乙烯的抗拉强度达到12.5 N/mm2,断裂伸长率达到200%。经135 ℃、持续10 d老化后,抗拉强度、断裂伸长率的变化率小于25%。乙丙橡胶的国际橡胶硬度(IRHD)不低于80,在150%伸长率下的抗拉强度不小于4.5 N/mm2。在水温85 ℃、持续时间14 d的条件下,乙丙橡胶的质量增值不大于5 mg/cm2,交联聚乙烯的质量增量不大于1 mg/cm2[5]。

综合上述内容可见,交联聚乙烯及乙丙橡胶作为绝缘材料,具有耐热、耐潮湿、耐水淹、耐辐照等优点,较另外两种绝缘材料更具技术优势,能保证核岛在极端情况下的供电可靠性,为整个核电站的纵深防御和安全运行带来重要保障。

4.3 护套材料

护套能够保护低压电力电缆在敷设、运行过程中免受机械损伤和各种环境因素带来的破坏,直接影响低压电力电缆的使用寿命。低压电力电缆目前主要采用聚氯乙烯、聚乙烯和低烟无卤聚烯烃作为护套材料。出于对公共场所公众安全的考虑,在大型民用公共建筑中,护套材料通常采用低压无卤聚烯烃[6],火灾时产生的气体无卤无毒。在淮安市国际会展中心项目中,采用了低烟无卤阻燃型低压电力电缆,其护套性能优良。在材料燃烧时,释放的气体折合氯化氢,含量小于5 mg/g,逸出气体的酸碱值不小于4.3,电导率不大于10μs/mm,烟雾透光率大于60%,毒性指数不大于5,20 ℃和80 ℃时氧指数之差绝对值不大于2。在200 ℃,机械拉力为20 N/cm2,持续时间为15 min的条件下,护套材料的延伸率小于175%,冷却后永久延伸率小于15%。在臭氧浓度为0.025%～0.030%,持续时间为30 h的条件下,护套无裂痕。在-15 ℃的条件下持续16 h后,电缆护套无裂纹。

低烟无卤低压电力电缆在明火燃烧时,产生极少量烟雾,释放气体无卤无毒[7],对人体更加安全,但价格较高,可根据工程的实际情况灵活选择。

5 低压电力电缆经济性分析

笔者结合某大型火电厂环保项目对低压电力电缆的经济性进行分析。低压电力电缆的价格在很大程度上受制于原材料价格,其中主要包括导体材料铜、铝,以及绝缘和护套材料聚乙烯、聚氯乙烯等。上海期货交易所铜、铝价格如图2所示,大连商品交易所聚乙烯、聚氯乙烯价格如图3所示。

在大型火力发电厂内,由于人员密集程度远低于公共场所,因此出于经济性考虑,护套不采用低烟无卤材料,主要选用聚乙烯和聚氯乙烯作为护套材料。至2019年末,两者的价格已经非常接近,再加上护套、绝缘材料占低压电力电缆价格的比例相对较低,因此两种材料的经济性已没有明显差异。

铜价与铝价大体同涨同跌,但铜价波动性大,差价大,近年来的价格区间为3.5万元/t～6万元/t。考虑到铝芯低压电力电缆的技术性能与铜芯低压电力电缆相比差距很大,并且铝合金电缆已在核岛项目中有使用业绩,运行情况良好,因此笔者主要对铜芯低压电力电缆和铝合金低压电力电缆的经济性进行分析[8-10]。

图2 铜、铝价格

图3 聚乙烯、聚氯乙烯价格

某大型火电厂环保项目铜芯低压电力电缆价格统计见表3。

由表3可知,整个项目铜芯低压电力电缆的总投资为482万元。

若在技术条件相同的情况下,改用铝合金低压电力电缆,需要对截面积70 mm2及以下的铜芯电缆提高一个截面等级,对截面积95 mm2及以上的铜芯低压电力电缆提高两个截面等级来选型。2013年初铜价为6万元/t时,铝合金低压电力电缆的价格为低于其一个截面等级的铜芯低压电力电缆价格的60%～70%。该项目的电缆采购阶段,铜价为4.5万元/t,采用铝合金低压电力电缆,总投资比铜芯低压电力电缆降低5%～8%。若再综合铜铝过渡所需特殊的电缆终端头和运行过程中的线路损耗等因素,两者的经济性差距小于3%,对总投资的影响小于0.1%。

表3 某大型火电厂环保项目铜芯低压电力电缆价格统计

根据电缆制造厂提供的价格数据,分别得到该大型火电厂环保项目铜芯低压电力电缆总投资与铜价关系及铝合金低压电力电缆总投资与铝价关系,如图4、图5所示。对数据和曲线进一步处理,按铜价等于铝价的三倍进行换算,可以得到铝合金低压电力电缆总投资与铜价的关系曲线,进而对两种低压电力电缆进行经济性比较,如图6所示。由于铝价波动小于铜价,在两种材料价格同时走高时,两种低压电力电缆的价格差距会出现放大效应。由图6可知,当铜价高于5万元/t时,铝合金低压电力电缆的价格优势逐渐体现出来;当铜价低于5万元/t时,两者的经济性相当。

图4 铜芯低压电力电缆总投资与铜价关系

图5 铝合金低压电力电缆总投资与铝价关系

图6 低压电力电缆经济性比较

铜芯低压电力电缆目前在国内市场份额很高,铝合金低压电力电缆则在欧美国家拥有一定的市场占有率。这是由于欧美国家图纸设计深度细分,项目的成本控制较为精确,铝合金低压电力电缆在经济性上有优势。铝合金低压电力电缆在国内市场的份额低,在经济性上的优势未能得到充分体现。

6 结束语

笔者对低压电力电缆进行了选型研究和经济性分析。从技术性能来看,铜和铝合金作为低压电力电缆的导体材料,均具有较高的可靠性;交联聚乙烯和乙丙橡胶作为绝缘材料,有更好的电气性能、耐热性能和机械性能;护套材料建议结合实际工程选用,在公共场所应选用低烟无卤材料。在经济性方面,导体材料占整个电缆总投资的比例高。当铜价大幅走高时,铝合金低压电力电缆具有较高的性价比。