《铜包铝合金铜复合导体电缆的应用》
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摘 要：本文对铜包铝合金/铜复合电缆的载流量、机械性能、连接性能、经济性和可再生性等多方面与铜导体电缆进行对比分析,探讨其在工程中应用的可行性.通过研究表明该产品不但各方面性能可靠稳定,使用寿命长,而且性价比高.结合国家政策对该产品的发展趋势和应用前景进行了展望.
关键词：铜包铝合金;有限元分析;载流量;机械性能;可再生性
中图分类号：TM244.1文献标识码：A
目前,国内电力输送的主要载体是铜导体和铝导体.铜导体性能优异但是造价高,铝导体易氧化形成致密氧化膜,大大增加导体电阻,损耗较大.国内一直在积极探索合适的电缆导体,继而出现将铜层均匀而同心地包覆在铝芯线上,并使两者界面上的铜和铝原子实现冶金结合的一种层状复合材料-铜包铝导线（以下简称CCA）,而铝芯机械性能较差,适用性有局限[1～3].目前,铝合金电缆[4,5]在欧美市场占有率高,若采用铜包铝合金（以下简称CCAA）可以综合铜和铝合金的优点,CCAA导体克服了铝导体强度低、易蠕变和铜芯导体密度大、成本高等缺点,具有可焊性强、易加工、密度小、弯曲半径小和经济性等优点.
电缆的载流能力取决于导体的交流电阻、电压等级和环境温度.铜导体在50Hz交流频率下的集肤深度约为9mm,大部分的电流都分布在集肤深度范围内.因此,如果在集肤深度内的外层导体采用铜导体,在集肤深度以外的内层导体采用CCAA形成的新型导体结构,可以在满足载流量的前提下,节约铜材损坏,这样的组合也是最为经济合理的.
目前还未有CCAA与铜复合导体的新型结构电缆（以下简称铜包铝合金/铜复合电缆）相应的载流量计算标准和选型方法.因此,对于铜包铝合金/铜复合电缆的载流量研究,可以为其工程示范应用提供理论基础,具有重要的指导意义.
1 载流量分析
1.1 几何模型建立
以110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘电缆为例进行几何建模,各层结构尺寸如表1所示,铜包铝合金/铜复合电缆和铜导体电缆的各层尺寸保持一致.
如图1所示,铜包铝合金/铜复合电缆的导体内三层为铜层体积比为15%的CCAA,外三层为铜导线,主要研究不同导体结构对载流量的影响.
1.2 仿真模型建立
为了提高运行效率,采用二维平面对电缆进行建模,电缆采用较细网格进行剖分,电缆沟及周围土壤采用粗网格进行划分.
以电缆沟内敷设电缆的工况为例,电缆敷设环境参数如表2所示,分析传热过程可以确定传热方式主要包括热传导、热对流和热辐射.在传热学中有三类边界条件,模型中电缆沟尺寸为1.6m×2m,选择距离电缆沟壁底部2m处为下边界,深层土壤温度恒定为10℃属于第一类边界条件;距离电缆沟壁左右两侧2m处为左右边界,与热源有足够距离,温度认为无变化属于第二类边界条件;电缆沟盖板为上边界,空气温度恒定为40℃与空气对流换热属于第三类边界条件.对三相电缆线芯导体施加幅值相同,相位差为120°的交流电,并在Z轴方向施加耦合电压.
1.3 电缆电流密度分布
在COMSOL软件中,800mm2截面的铜导体电缆和铜包铝合金/铜复合电缆的导体中加载900A的电流,其电流密度分布分别如图2和图3所示.
铜包铝合金/铜复合电缆的集肤效应体现的更加明显,外层铜导体的最大电流密度达到1.72×106A/m2,而内层铜包铝合金导体的电流密度仅为外层铜导体电流密度的1/3.
1.4 电缆载流量
电缆载流量与电缆导体温度有着直接的联系,基于二分法原理可以通过迭代导体温度,确定导体温度等于90℃时的电流为电缆载流量.在电缆沟中单回路110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘电缆分别以品字形排列和一字型排列时,达到满载的情况下,其热场分布如图4所示.
以单回路110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘电缆为例,通过COMSOL有限元仿真可以得到电缆在不同情况下的载流量如表2所示,数据表明采用一字型排列时,随着相间距的增大,载流量有所提升且增大的幅值随着间距的增加呈现减小的趋势,当间距增加至400mm后,载流量变化不再明显,因此敷设时相间距应在300～400mm范围内经济性较好.由于“品”字形排列时,相间距等于电缆外径约100mm,散热条件相比“一”字形排列要差,所以载流量要低不少.
不管是“品”字形排列还是“一”字形排列,等导体截面的铜导体电缆和铜包铝合金/铜复合电缆的载流量相差并不大,平均差值在12%左右.
2 机械性能分析
关键机械性能分析：a）抗拉强度：铝合金导体的抗拉强度为115～150MPa,铜导体的抗拉强度为200～270MPa,铜包铝合金/铜复合导体的抗拉强度介于两者之间,完全满足施工和运行要求;b）延伸性能：铝合金导体经退火后,延伸率可达30%,而铜导体的延伸率在25%左右,CCAA延伸率介于两者之间,因此铜包铝合金/铜复合导体的延伸性能要略优于铜导体;c）弯曲半径：铝合金导体柔韧性较好,铝合金电缆最小弯曲半径为7倍电缆外径,CCAA的柔韧性与铝合金相近,因此铜包铝合金/铜复合电缆的弯曲半径要求小于铜导体;d）抗蠕变性能：铝合金中添加的铜元素增强了高温时的电阻稳定性,添加的铁元素提高了抗蠕变性能,再辅以特殊的退火工艺[6],其蠕变量基本与铜导体达到相当的水平.可见铜包铝合金/铜复合导体具备稳定的连接性能.总体来说,在机械性能方面,采用铜包铝合金/铜复合导体替代铜导体,电缆性能有增无减.
3 连接特性分析
电缆导体与金具连接最为关注的指标是接触电阻和热稳定性.与金具接触的是导体最外层铜导体,因此,复合导体的接触电阻和铜导体一致.由于CCAA中铜和铝合金的线膨胀系數有差异,因此,当接头处收到冷热温度交替变化时,可能会影响连接处的稳定性.已有日本科研工作者通过200次通电热循环试验证明,CCA与铜质金具连接具有稳定特性[7],而CCAA的蠕变性能相比CCA提高了300%,可以充分证明复合导体与金具连接在使用中的可靠性.
4 经济性分析
CCAA的铝合金中融入了少量稀土元素可以有效缓解铜铝界面处的电化学腐蚀,耐腐蚀性能大大提高,通过包覆铜层后,抗氧化性能也进一步提高,使用寿命为30年,与铜导体电缆相比无差异.由电缆结构尺寸表可知,以110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘电缆为例,铜导体电缆的单重为13329.5kg/km,而铜包铝合金/铜复合电缆的单重为12445.1kg/km,单重降低了7%.铜包铝合金/铜复合导体电缆与铜导体电缆相比,重量减轻,反弹性减弱,弯曲半径要求降低,敷设施工安装难度大大降低,尤其是在转角处,安装费用可以缩减的同时安装周期也可以缩短.
以110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘的铜包铝合金/铜复合导体电缆和铜导体电缆对比为例,通过结构表进行电缆材料成本分析,可以发现铜包铝合金/铜复合导体电缆的材料成本为铜导体电缆的90%,电缆截面越大,CCAA占比越大,电缆材料成本越低.结合单重数据及载流量表可计算得出,在电缆沟“一”字形排列（相间距300mm）敷设条件下,铜包铝合金/铜复合电缆单位重量的载流量可达铜导体电缆的96%.可以说,110kV 800mm2交联聚乙烯绝缘电缆采用铜包铝合金/铜复合导体可以在保证电缆线路在额定载荷下正常运行的前提下,减少10%左右的直接采购成本.
5 可再生性分析
中国工程院院士黄崇祺曾提出,铜包铝线的回收再生利用是电线电缆行业规模化使用CCA的前提条件[8],CCAA亦是如此.目前较为成熟的报废CCA再生利用方法有两种,一种是直接熔炼法,应用于炼铝工业中硬铝合金、锻铝合金的熔炼和炼铜工业中铝青铜的熔炼;另一种是电解分离法,应用于铜和铝的电解精炼工业.CCAA与CCA相比,仅多了极少量的铁、镁、硅、锌和硼等元素,可见CCAA的回收利用是同样可行的.有相关报道表明,2018年我国再生铝的产量已经达到695万t,占全铝消费量的16%,随着回收体系的不断完善,仍有巨大的发展潜力[9].
6 结语
通过载流量、机械性能、连接性能、经济性和可再生性等多方面的论证,说明铜包铝合金/铜复合导体电缆的力学和电学性能都能满足使用要求且具备一定的成本优势.与此同时,铜、铝资源的合理搭配响应了我国建设资源节约型社会的方针,可作为铜导体电缆、铝合金导体电缆产品的补充,具有市场前景.但是,目前铜包铝合金/铜复合导体电缆尚未制定标准,致使生产企业无法统一,用户在设计、采购和施工时亦无标准借鉴.建议在进一步深化研究铜包铝合金/铜复合导体电缆的基础上,推进工程的示范应用和相关标准化工作的落实.
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本文结论：这篇文章为适合铜包铝和合金和导体和电缆论文写作的大学硕士及关于铝合金本科毕业论文，相关铝合金开题报告范文和学术职称论文参考文献.
铝合金引用文献:
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