摘要：对铝合金电缆的性能及其在工业及民用配电领域的应用、经济效益、市场状况进行了介绍及分析，提出了多方面、多层次促进电缆工业“以铝节铜”的建议。
关键词：铝合金电缆；以铝节铜；性能对比；经济效益；市场分析
中图分类号：ＴＭ２４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－０５３６（２０１６）０２－００８１－０４
１前言
在２０世纪５０～７０年代铜作为稀缺战略资源，加之我国国内生产总值低，国力较弱，这些因素致使工业及民用电气应用方面“以铝代铜”成为国策［１］，在工业及民用设计中凡是能用铝电缆的地方绝对不会采用铜导体，除非是在安全、蠕变性能、机械性能、弯曲半径等有特定要求的场合不得不采用铜电缆时才勉强为之。在２０世纪８０年代后期及９０年代初，随着我国国内生产总值增长，国家铜业协会在全国范围内大力积极推广“以铜代铝”巡回宣讲，并在国内大、中、小城市、各行各业的设计院及具有代表性的工矿企业积极推广，发放宣传、论文资料及选用指导手册，并在多项国家标准、规范中也要求在民用建筑中采用铜线缆，随之推出的新规范、新图集中对铜材的选用和使用作出了详尽的说明和要求，使铜电缆在工业及民用电器应用方面被广泛使用，“以铜代铝”成为主流。由于全世界铜和铝的矿产资源状况为贫铜富铝，为了节约宝贵的铜资源，在电缆工业“以铝节铜”成为国际性趋向，而在此进程中制约铝电缆推广和使用的主要因素是铝电缆导电率仅为６１％ＩＡＣＳ，与导电率相矛盾的抗拉强度和延伸率也严重地制约了铝电缆的应用［２－４］。随着科学技术的不断发展，广大科技工作者在铝合金研究和开发方面做了大量工作，成功地研制出高质量、高技术含量的铝合金电缆，如美国开发的ＡＡ８０００系列电工级铝合金作为电缆材料，与铜电缆相比，具有强度更高、延伸性更好、抗蠕变性能更佳等特性，这些性能使其在全球范围内推广应用，以铝合金代替铜再次成为电缆行业的主流［２］。
２铝合金电缆的性能分析及应用
２．１电导率及载流量
铜、铝、ＡＡ８０３０铝合金的性能如表１［１，５］所示。从表１中数据可以看出，硬态铝电缆的导电率为６１％ＩＡＣＳ，ＡＡ８０３０铝合金电缆的导电率为６１．８％ＩＡＣＳ，退火态铜电缆的导电率为１００％ＩＡＣＳ。一般而言，铝合金电缆截面增大到铜芯电缆截面的１．５倍，即电缆截面放大１～２个规格，可达到与铜芯电缆相同的载流量和电压损失等电气性能；虽然电缆截面增加了５０％，半径约增大２２％，但通过铝合金压紧工艺可使电缆压紧率达到０．９５以上，这就意味着不会因为采用铝合金电缆而占用更多的敷设空间［５］。在满足相同电气性能的前提下，相同长度的铝合金电缆质量仅是铜芯电缆质量的４５．６％，使其安装成本降低，设备及电缆的磨损减少。
２．２蠕变性能
为了弥补铝电缆性能不足之处，所开发出来的ＡＡ８０３０铝合金的合金配方中增加了铜、铁、镁元素，其中铜使铝合金在高温时电阻稳定性增强；铁使铝合金的抗蠕变性能提高３００％，基本达到了与铜芯电缆相同的水平，降低了因蠕变而导致接头松动、接触电阻增大等事故发生的概率［６，７］；镁使铝合金在相同的界面压力下，接触点提高而具有更高的抗拉强度。铝合金电缆采用特殊的退火工艺，使其在受热和压力下的“蠕变”倾向减小，其蠕变量仅为纯铝电缆的１／１５，与铜电缆的蠕变量基本一致。
２．３机械性能
由于ＡＡ８０３０铝合金采用了独特的合金配方及加工工艺，其电缆的柔韧性大幅增加，一般铜芯电缆的弯曲半径为１０～２０倍电缆外径，而ＡＡ８０３０铝合金电缆弯曲半径仅为７倍电缆外径。较好的柔韧性使得ＡＡ８０３０铝合金电缆安装时有更小的弯曲半径，更容易进行端子连接。从表１中数据可看出，ＡＡ８０３０铝合金的密度只有铜的３０．４％，在满足相同电气性能的前提下，将铝合金电缆截面积提高到铜电缆截面积的１５０％，铝合金电缆的质量也仅为铜电缆的４５．６％，这也体现了铝合金电缆具有自重轻、承载力强的优势，在大跨度的建筑（如体育馆、展览馆）配线时这一优势尤为突出。从安装及应用的角度考虑，铝合金电缆的机械性能优于铜电缆。
２．４连接性能
连接问题一直是困扰铝电缆推广的一个原因，铝合金电缆中的合金成分大大改善了传统铝电缆的连接性能，铝合金电缆的反弹性比铜电缆低４０％，更有利于电缆端子连接处的紧密程度和连接稳定性的提高；铝合金电缆具有高强度的抗蠕变性能，尤其是当电缆遇火时，即使长时间过载和过热，也能保证比铜芯电缆更高的连接稳定性［７，８］。ＧＢ／Ｔ１４３１５—２００８《电力电缆导体用压接型铜、铝接线端子和连接管》已正式实施，在该标准中正式将铜铝过渡端子写入标准，为铝合金电缆与铜排及铜的电器设备连接提供了理论依据。标准中所列出铜铝过渡方式的实验报告数据显示，铝合金电缆的连接可靠性甚至比铜电缆的还要稳定。
２．５防腐性能
铝特有的防腐性能来自于铝表面在常温下与空气接触发生氧化，生成一层致密的氧化层，防止内部金属进一步腐蚀，这种氧化层能耐受多种形式的腐蚀；而铜则不能形成氧化膜，无法阻止腐蚀物进一步向内部腐蚀。从腐蚀的角度分析，腐蚀的产生通常与不同的金属在潮湿环境中连接在一起有关，不同的金属具有不同的电极电位，在潮湿环境中则会产生电化学腐蚀。为了阻止腐蚀的发生，可使用润滑油、抗氧化剂和保护涂层，在碱性土壤和某些类型的酸性土壤中，直埋敷设的铝合金电缆应采用绝缘层或模压护套来防止腐蚀。综上所述，从铝合金电缆的导电率及载流量、蠕变性能、机械性能、连接性能及防腐性能等各方面的分析可以看出，铝合金电缆在工程应用中具有突出的优势，且已被广泛应用于住宅、商业、工业和军事等诸多领域。由美国研究开发出来的高质量、高技术含量的ＡＡ８０００系列铝合金电缆在北美已有４０多年的使用历史，并应用于国外很多大型商场、体育馆、机场、会展中心等场地，如亚特兰大奥运会主体育馆、肯尼迪国际机场、通用会展中心、加拿大多伦多国际机场、墨西哥立福马大厦等。目前，ＡＡ８０００系列铝合金电缆也已在我国多个省、市及自治区销售、安装和使用。国内已经有多个项目在使用ＡＡ８０００系列铝合金电缆，如郑州中原百姓广场、蓝光ＩＢＰ空港总部、成都欢乐谷公园、普洛斯天津物流园、北京海定中学、西安大唐西市、北京太平洋百货、福建奔驰项目等［９］。
３经济效益分析
３．１成本分析
从表１中数据可以看出，由于ＡＡ８０３０铝合金的密度仅为铜的３０．４％，导电率为６１．８％ＩＡＣＳ，在相同载流量下，铝合金质量也仅为铜的４５．６％。虽然铝合金电缆的截面是铜电缆的１．５倍，采用特殊的紧压工艺，经过逐层紧压后，铝合金电缆的紧压系数可达０．９５，而铜电缆经一次紧压，其紧压系数仅为０．８０，故铝合金电缆外径仅比铜电缆增加５％，施工时所用辅助材料增加不多。但铝合金电缆质量仅为铜电缆的４５．６％，可节约桥架成本。另外，铝合金电缆的重量仅为铜电缆的一半，在大跨度的建筑（如体育馆、会展中心等）中，采用铝合金电缆作为配电线材，可减少对钢结构的荷载，从而节约１５％钢材料，同时可降低安装成本，一般性建筑项目可节约安装费２０％以上，大跨度建筑项目可节约４０％以上。目前国内低烟无卤阻燃Ａ级电缆比普通电缆价格高２０％以上，如果使用铝合金ＡＣ９０系列产品，可达到低烟无卤Ａ级电缆的性能，且大大降低成本，同时ＡＣ９０可在支架上明敷，节约桥架及管道的费用［６，７］。
３．２投资分析
据以往工程经验，一般电气投资额占项目总投资额的１２％～１７％，而电线、电缆占电气投资额的１７％～２０％。在实现同样电气性能的前提下，国内铝合金电缆（含专用连接端子）采购价格比铜芯电缆价格低３０％，故从节省投资角度考虑，“以铝代铜”是个不错的选择。以国内某项目的投资为例，具体数据如表２所示。
４市场分析
目前，中国电线电缆行业产值规模达１．１万亿元，超过美国，跃居全球第一，成为机械电工行业中仅次于汽车整车制造业的第二大产业。国家统计局公布的２０１３年电线电缆行业数据显示，２０１３年电线电缆行业实现销售收入１２１６６．９５亿元，同比增长６．１８％。根据国外机构ＭａｒｋｅｔＲｅｓｅａｒｃｈＲｅ－ｐｏｒｔｓ预测，到２０２０年中国电线电缆产能有望突破１．１亿ｋｍ，产值突破１．６万亿元。２０１２年，我国电线电缆行业年用铜量超过５００万ｔ，占国内铜消耗６０％以上；电线电缆行业年用铝量约２３０万ｔ，主要使用在电网架空线上，用铝量约为１８０万ｔ，占比７８％，而电缆用铝量仅为５０万ｔ。由于我国铜资源相对缺乏，铜价较高，“以铝节铜”成为近年来的行业热点。铝合金线缆技术在北美的应用已有４０多年的历史，在中国也逐渐得到认可，预计未来铝合金电线电缆用铝规模约３００万ｔ。电线电缆行业“以铝节铜”的推广应用，市场潜力巨大，如果铝合金电缆在整个电缆使用量中达到北美８０％的使用比例，到２０２０年将具有新增３００万ｔ原铝的使用市场规模，这对推动“以铝节铜”、拉动铝的消耗将产生决定性的作用。
５结语
当前，国家提出了“建设资源节约型、环境友好型社会”，并首次把建设资源节约型和环境友好型社会确定为国民经济与社会发展中的一项战略任务。铝合金电缆的推广应用是建立资源节约型、环境友好型社会的选择。国内铜矿资源已接近枯竭，且开采成本过高，目前８０％铜耗量依赖于进口，加之现在国际上铜价快速攀升，在质量有所保证的基础上使用资源丰富、价格较低的铝合金电缆是一种合理的选择。电缆工业“以铝节铜”是国际性的趋势，随着科技的发展，不能仅以人们习惯认识的改变而渐进式发展，应积极迎合，以多方面、多层次来促进“以铝节铜”的尽快实施。
参考文献：
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［８］李德聪，苟敏，谢杨，等．铝合金电缆的分析与应用［Ｊ］．现代建筑电气，２０１３，４（６）：４１－４４．
［９］林海波，黄宏军，袁晓光．含铁铝合金线缆的发展现状［Ａ］．２０１４中国铸造活动周论文集［Ｃ］．郑州：中国机械工程学会铸造分会，2014.
作者：陈焱 张鞍生 单位：长沙有色冶金设计研究院有限公司
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