铝合金电缆在建筑工程中的应用
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铝合金电缆在工程中的应用
摘要通过对电工级铝合金电缆的性能介绍及与铜电缆的性能对比,提出以“铝”代铜,推广铝合金电缆在工程中的应用。
关键词电缆电工级铝合金电导率连接性能低烟无卤阻燃A1级
1、引言
自上世纪70年代开始,铝合金电缆在国外工业与民用建筑中已开始大量使用,而目前我国作为铝资源丰富和铜资源匮乏的大国,在很多建筑场所却限制了铝制电缆的使用。
欣意铝合金工厂的投产,为铝合金电缆的推广应用,为我国铝资源有效利用提供了有利条件。
我国在上世纪50-70年代,铜作为稀缺战略资源,工业与民用电气应用方面的国策就是“以铝代铜”,铜质线缆不可能在民用建筑中使用;到80年代中期,铝制线缆在使用中的问题暴露出来,尤其是铝导线接头氧化引发多起火灾(据美国消费品安全委员会CPSC统计的火灾事故率,铜导体电线电缆只占铝的1/55),加之当时铜、铝价格差别不大,铜导体在电气、机械、耐久等性能方面的诸多优越性,在应用上就逐渐变成了以铜为主;到了90年代以后,多项国家标准、规范也要求在民用建筑中采用铜线缆,铝导体基本就没有采用了。
但实际上国家标准《电力工程电缆设计规范》(GB 50127-2007)3.1条“电缆导体材质”中并没有排除铝导体的使用。
随着科学技术的发展,高质量、高科技含量的铝材被开发出来,加之全球贫铜富铝的资源现状,铜件目前已是铝价的3倍以上(铜约6万元/吨,铝约1.7万元/吨),以“铝”代铜又成为自然的选择,当然此“铝”已非彼铝。
国外在铝制导体的研究和应用方面,早在40年前就率先开发出了AA8000系列电工级铝合金作为导体材料。
美国《国家电气规范》NEC2008版310.14规定:8AWG、10AWG、12AWG截面(相当于国内8.37mm2、5.26mm2、
3.332mm2)的实心导体应有AA8000系列电工级铝合金材料制造;绞合型导体从8AWG到1000Kcmil(相当于国内506.7mm2)也应由AA8000系列电工级铝合金导体材料制造。
欣意铝合金就是欣意为工业与民用建筑低压配电应用线缆而特别开发的电工级铝合金导体。
2、铝合金电缆导体性能
2.1铜、铝、铝合金特性(见表1、表2)
从表1、表2中可以看出,硬态纯铝的伸长性很低,表现在电缆应用上就是其柔韧性很差,在反复弯折时容易损伤或折断,因此很多重要的易燃易爆场所限制硬态纯铝的应用。
软态纯铝的伸长率比硬态纯铝大幅提高,但是其屈服强度只有铜的一半,抗蠕变性很差,安装一段时间后,连接处容易松弛,造成接触电阻增大,形成线路安全运行的隐患。
铝合金克服了纯铝的问题,机械性能与铜基本接近,尤其是安装和链接稳定性很高,经过国外近40年的运行验证,是一种安全、可靠、经济的导体。
2.2电导率
用相同规格的电缆作比较,铝合金导体的电导率是铜的61%,在满足相同导电性能的前提下(比铜缆截面大1-2个等级或1.5倍的铜缆外径),铝合金线缆的重量只有相同载流量铜缆的一半。
使用铝合金线缆替代铜缆,可以减少电缆重量,降低安装成本,减少设备及电缆的磨损。
2.3抗蠕变性能
铝合金的特殊合金配方和热处理工艺,大大减少了金属在受热和压力下的“蠕变”倾向,用其所做的电气连接与用铜导体做的具有同样的稳定性。
2.4热膨胀系数及连接性能
铝的热膨胀系数比铜略高,比铜膨胀或收缩都要大一些,因此铜铝连接问题是电气工程中常遇到的问题。
铜和铝(或铝合金)如果直接搭接,之间存在着1.997V的电位差,在潮湿的空气环境中会发生电化学腐蚀,在电气应用上这种腐蚀会增大接触电阻,使接头处发热,造成系统安全运行隐患。
另外,铜和铝(或铝合金)的膨胀系数不同,如果采用刚性连接会造成金属疲劳,长时间使用会造成连接处松弛,也会增加接触电阻。
解决这些问题主要用以下方法:一是采用镀锡,用铜排除镀锡和铝端子镀锡来解决铜过渡问题,已经广泛地应用于电力行业,被证明是安全可靠地;二是采用特制的过渡垫片,这种垫片介于铜铝之间,有效地防止铜铝直接接触带来的腐蚀问题;三是涂抹抗氧化剂,当用电设备的铜触头没有镀锡,而铝端子也没有镀锡时,可以采用涂抹抗氧化剂的方法,抗氧化剂可介于铜铝之间,可有效防止电解质的进入,避免电化学腐蚀;四是使用铜铝过渡端子,由于和铝
合金电缆相连接的端子部分为铝,与电气汇流排连接的部分是铜,使用铜铝过渡端子可以消除电化学腐蚀以及热膨胀系数的问题。
采用以上第一、三种方法接线时,需要加装碟形垫片来吸收铜/铝膨胀系数不同带来的连接处松弛,用扭力扳手拧紧螺栓后,无需对整个连接系统再进行维修和二次拧紧。
2.5防腐性能
铝特有的防腐性能来自铝表面与空气接触自然形成的氧化层,这种氧化层能耐受多种腐蚀。
碱性土壤和某些类型的酸性土壤环境对铝有较大的腐蚀性,所以裸铝铠装电缆(无PVC护套的自锁型铠装电缆)不能直埋敷设,需使用模压护套来防止腐蚀。
而在如铁路隧道和其他类似含硫环境中,铝的抗腐蚀性能优于铜。
2.6柔韧性
铝合金导体比铝柔韧得多,有很好的弯曲性能,安装时有更小的弯曲半径,更容易进行端子连接,其良好的柔韧性源自于它的合金成分以及特殊的加工工艺。
2.7节能环保性
铝合金的回收率很高,再生铝的综合能耗只是电解铝的5%,而再生铜的综合能耗则是冶炼铜的18%。
另有研究数据表明,生产相同载流量和长度的铝合金电缆比生产铜缆消耗的能源更少,CO2排放更少。
相同载流量下,铝合金电缆的重量只是铜缆的一半,在运输、安装过程中也会减少CO2的排放。
3、多芯非铠装电缆
非铠装电缆截面规格从16-500mm2。
在无需机械保护和防火要求的场所,非铠装电缆可广泛地应用于低压配电系统中,如办公楼、旅馆、购物中心和工厂中的照明、电气设备的供电干线。
我司非铠装电缆采用工作温度90的交联聚乙烯绝缘层及高耐寒性(-25℃安装,-40℃用)的黑色PVC外护套。
4、多芯铠装电缆
4.1 机械性能
我司的金属铠装铝合金电缆采用了自锁型铝合金铠装结构,和铜缆相比更像是将金属导管和电缆集成在了一起,在电气安装时不需穿管,直接明敷,省去电缆桥架,为业主方降低了造价,为总包方节省了工时,为国家节约了钢材,有效减少了污染和能源浪费。
由于相同载流量下,铝合金电缆比铜缆重量轻一半,因此对高层建筑来说,垂直敷设电缆的难度和工作量大为降低,缩短了工期,节省了人工成本,同时也减少了由于电缆锅中可能造成本体损伤的风险。
自锁型铠装使得电缆的弯曲更容易,弯曲半径只需7倍的电缆外径(铜缆的弯曲半径一般都为10倍以上的电缆外径),转弯灵活,在建筑内布线非常方便,尤其在空间狭窄的场所,能很容易地布线到位。
代PVC护套的外用铠装电缆,可以轻易绕开障碍物。
较小的弯曲半径不仅是施工更容易,而且节省电缆
长度。
由于铝合金铠装是非磁性材料,即使存在三相不平衡电流,也不会产生涡流,减少了线路的损耗。
4.2 阻燃性能
在建筑物发生火灾时,浓烟和含卤毒素(如电缆中的有卤阻燃剂等)是致命杀手。
《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)7.4.1条第2款规定“对一类高层建筑以及重要的公共场所等防火要求高的建筑物,应使用阻燃低烟无卤交联聚乙烯绝缘电力电缆。
”
我司生产的铠装铝合金电缆的绝缘采用的是低烟无卤的XLPE(交联聚乙烯)材料,加之其独特的自锁型铠装结构,使其达到低烟无卤阻燃IA级,这种电缆在燃烧时的透光率达到了99%(标准要求IA级透光率≥80%),只产生极微量的烟雾,发生火灾时减少了对人身的二次伤害,有利于及时疏散和救援。
自锁型铠装电缆的铝合金铠带散热性好,可以很快带走热量,其阻燃特性优异,在火焰撤走后能迅速熄灭,不会延然其他材料。
通过燃烧试验对比,供火40min碳化高度只有0.15m,远低于国家标准《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验第33部分:垂直安装的成束电线电缆火焰垂直蔓延试验A类》(GB/T 18380.33-2008)的阻燃电缆碳化高度≤2.50m的要求。
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能采用铝合金电缆,但其他要求低烟无卤阻燃的供电回路均可采用自锁型铠装铝合金电缆。
5 国内外建筑工程使用铝合金导体情况
铝合金低压电缆在美国使用的典型项目如亚特兰大奥运会主体育馆、沃尔玛购物商场、甲骨文数据处理中心、拉斯维加斯威尼斯人酒店、通用会展中心、肯尼迪国际机场等。
其他地区如加拿大多伦多国际机场、威斯饤酒店、Nova Scotia银行,墨西哥的立福马大厦、天空商场等也都使用了铝合金电缆。
国内已有近200个工程项目使用了铝合金电缆,如北京太平洋百货、普洛斯天津物流园、成都欢乐谷公园、蓝光IBP空港总部、西安大唐西市、福建奔驰项目、郑州中原百姓广场、北京海淀实验中学等。
6 结束语
铝合金电缆弥补了纯铝电缆的不足,电气性能优越,在机械性能,安全性及经济性上,更轻便、更柔韧、更节能。
国外已有近40年的产品使用经验,完全能满足我国的使用需求。
建筑配电系统中的室内配电干线可优先采用低烟无卤阻燃的金属铠装铝合金电力电缆;室外配电干线可优先选用带有PVC护套的金属铠装铝合金电力电缆;无防火要求场所的配电干线可优先采用非铠装铝合金电力电缆。
参考文献
1 王祝堂等. 铝合金及其加工手册。
第三版。
长沙:中南大学出版社,2005:934.
2 刘牛 .导电体应用铝材符合国情. 建筑电气,2006,25(4):4-6.。