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為什么電力行業不適合鋁合金電纜取代銅電纜?

瀏覽次數: 日期:2017-06-22

摘要:中國工業要做強,就不能用低品質材料替代高品質材料,中國要走節能環保道路,就不能用高耗能材料替代低耗能材料,中國城市要提高安全保障度,對人民生命負責,就不能用低安全度材料替代高安全度材料,中國電網要走向世界,建立世界能源互聯網和堅強電網,就必須選用好的導體材料而不是便宜的導體材料,中國工業要實施2025計劃,就需要樹立全生命周期管理理念而不能只重視價格而忽視質量。從資源戰略角度考慮,中國越進口銅則對外界依賴越少,因為銅可以循環使用。因此說,在電力行業以鋁代銅或以鋁節銅與中國國家利益和大眾利益是逆向而行。在配電網中,除了在對線纜的重量因素和機械強度要求高,對可靠性和抗災能力要求低的一些特殊領域外,我們不支持以鋁合金電纜取代銅電纜。
本文從八個方面說明在電力行業推行以鋁代銅或以鋁節銅與國家強國政策和城市堅強電網的基本導向不符。
作者:防災科技學院閆志濤
1.與節能減排政策要求不符
中國的資源稟賦決定了煤炭在能源結構中占據主導地位的格局將會長期不變。煤炭的利用會對環境造成很大的影響,為了應對和減少這種影響,將煤炭轉化為電力是最優的選擇。預計到2020年,電力消費將超過8萬億千瓦時。電網作為電力生產和消費的中介,在節能減排中的角色是必須要考慮的。
節能減排是我國的一項基本國策,也是實現我國經濟可持續發展的必然選擇,作為電力使用大戶的電力企業,更應對這個問題加以重視,節能減排就是要采取技術上可行、經濟上合理的措施,來提高能源的利用效率,最大限度地減少能耗。
電纜是否節能環保,要看電纜核心指標即導電率和電阻,如果銅的導電率是100%,鋁合金電纜的導電率僅為銅的61.2%。據《電網設備金屬材料監督與檢測》一書提供的資料,同為標稱120mm2截面的導體,在20℃時,銅導體的電阻不大于0.158Ω/km,而鋁合金導體為0.249Ω/km。可見,在相同截面下鋁合金電纜的線損率要明顯高于銅電纜。
另外,據英國巴斯大學的G.P.Hammond和C.I.Jones對電網中使用的不同的原材料在生產和使用過程中所包含的能耗進行了深入的比較研究,如表1所示。可以看出,金屬鋁在生產和使用過程中的能耗約為銅的3倍。
表1.主要材料和其包含的能源


上圖表明鋁和鋁合金電纜在生產和使用中所消耗的能源比銅電纜高的多,因此從節能減排角度看。作為一個替代材料,鋁合金電纜是用高耗能材料替代低耗能材料(銅電纜),這與國家基本國策是矛盾的。
2.與城市安全政策不符,偏離了提高城市安全的緊迫需求
中國城市建設過程中曾經對質量、標準、材料要求不嚴,導致城市重大事故頻發。習近平主席指出:“人命關天,發展不能以犧牲人的生命為代價。這是一條不可逾越的紅線。”城市安全與城市居民生命的保護,今后將成為城市建設中的重要政策訴求。
銅電纜的防災、抗災能力大大優于鋁合金電纜。鋁合金電纜在耐高溫性能方面性能弱,鋁的熔融溫度為660℃,而銅可達1080℃,在高溫環境中使用的耐火電纜要求要在經受750℃~1000℃作用下仍能維持通電的功能。銅電纜這種耐高溫的屬性,在火災情況下,構成了大眾生命的保障線。
電網運行經驗表明,電力電纜的故障80%發生在接頭部位。在這一點上,銅具有鋁及鋁合金無可比擬的優越性,即使受到氧化,生成的氧化銅仍是優良導體,能夠保證接頭和端子的電連接性能;而鋁合金電纜即使有良好的施工工藝保障,在接頭或端子部位受到氧化后,生成的氧化鋁是絕緣體,會導致接頭或端子導電性劣化,從而加劇接頭或端子發熱從而使氧化更加嚴重。如此惡性循環,從而發生電纜系統故障。
因此在選擇這種涉及千家萬戶和城市安全的電纜材料時,決策者是否應有憂患意識?使人民的生命與財產不受到因追求低價格高利潤而導致危險系數大幅度增加。習主席說“我為什么經常講底線思維?就是要求充分準備,要有戒懼之心,要有憂患意識,有的事萬一發生了怎么辦,然后對萬一要有所防范.”
3.與電網公司配電網安全政策取向不相吻合
對電力系統來說,安全性總要優先于經濟性。因為安全性和可靠性不過關,經濟性將無從談起。
供電可靠性是衡量供電質量的主要指標。國家電網公司在《“十二五”配電網規劃(技術原則)指導意見》中要求直轄市、省會城市、計劃單列市的市區部分,供電可靠率要達到99.99%以上,核心區要達到99.999%,即全年停電時間不超過5分鐘,地級市也要達到99.93%以上。就是當某一用戶的供電線路發生故障時,配電網絡必須在很短的時間內立即切換到相鄰線路,保證對用戶不間斷供電。這條相鄰線路除承擔自身負荷外,還必須承擔切換過來的負荷,這就要求網絡中的每一條供電線路必須具備較強的供電能力,也就是導線的載流量要足夠大。
要滿足上述要求,除了要有完善的網絡結構外,優良的設備和線路必不可少,由于同截面的銅芯電纜要比鋁芯電纜允許的載流量(能夠通過的最大電流)高30%左右,為滿足城市供電可靠性要求,城市配電網廣泛采用銅芯電纜。
鋁制電纜的安裝要求很高,如果安裝做不好就更容易出現事故。另外,鋁合金電纜故障維修復雜,耗時比同等的銅電纜要長,這無疑會進一步降低電網的供電可靠性。
隨著經濟發展,人們對生活品質和生活體驗會更加苛求。試想如果鋁合金電纜因低價而進入城市配電系統,故障頻發不僅會給城市居民生活帶來不便,甚至會安全堪憂。習主席強調“要強化央企的安全生產責任。央企是起帶頭作用的,履行安全生產責任應該走在最前面”。
4.不符合“資產全生命周期管理體系”選擇最優產品的原則
國家電網“資產全生命周期管理體系”規定“在招、投、標評標方面,綜合考慮資產全壽命周期成本,以性價比最優為目標,加大質量評審要素權重,優化評標規則,按照選優選強的原則”
按照上述原則,鋁合金電纜在導電性、電阻率、安全性、耐高溫性能等核心指標全面低于銅電纜,而全生命周期的成本與銅基本持平。荷蘭的WimBOONE和德國的ArnavKACKER在其“以生命周期視角廣泛比較銅芯電纜導線或鋁芯電纜導線”中通過生命周期成本分析(LCCA)得出以下結論:
1)銅制電纜與鋁制電纜間的成本差異在其運營期已大幅減少。在所有情況下,運行期內的成本差異在3%左右,且在某些情況下,銅制電纜甚至成為了最低的生命周期成本。
2)表2和表3表明,如果僅考慮一次性投入和采購成本,鋁合金電纜和鋁材料無疑具有巨大優勢,但從銅鋁電纜的全生命周期成本分析,銅與鋁的成本幾乎沒有什么差別,而與鋁合金電纜比較銅電纜從全生命周期成本角度更是優于鋁合金電纜。
表2:20kV與110kV的銅與鋁生命周期成本比較


表3400kv的銅與鋁間生命周期成本比較


在現有運行的電網中,因初期設備投資成本壓低,購買的設備質量差,從而導致其運行和維護成本成倍(或數倍)增加的情況不乏其例。隨著中國人口老齡化的到來,未來人力資本的成本將會上升,電網系統運維成本的問題更加需要引起重視。
5.以鋁合金電纜節銅是沒有國家資源儲備為基礎的主觀臆想
中國鋁資源并不富裕,說“中國富鋁缺銅”是一個不符合中國實際情況的誤導性概念,現實情況是中國鋁礦大量進口,用于維持中國過剩的鋁加工能力;中國鋁礦的儲采比僅為6-7年,而中國石油的儲采比為10年,銅的儲采比為16-17年。
中國鋁土礦資源雖然比較豐富,但以一水硬鋁石型為主,鋁硅比偏低,氧化鋁生產成本高,國內的鋁土礦不能滿足快速增長的需求。
2000年我國氧化鋁生產成本為1440元/噸,合173美元/噸,大大高于世界平均成本142美元/噸。中國鋁土礦過度開采并大量進口。


數據來源:安泰科技信息開發有限公司
中國2008年進口的鋁礦已經到達了總需求量的28%,到2013年底達到了43%。鋁土礦供應缺口到2020年預測將達到60-70%,對世界市場依賴程度將進一步增加。中國鋁土礦過度開采,儲存量快速降低。


數據來源:安泰科技信息開發有限公司
從上圖可以看到,中國鋁的儲采比急劇下降,從2003年的27.5年急劇下降到2013年6.6年,而中國石油的儲采比長期穩定在10年左右,而銅礦的儲采比為16-17年左右。因此以鋁節銅這樣的口號,是沒有資源儲備基礎的。鋁對國外采購的依賴程度已經高于石油和銅。相比較而言,由于銅是可以100%循環使用的,隨著中國進口銅的不斷積累,中國積累的銅資源越來越豐富,形成了巨大的城市礦藏,對國外進口的依賴程度反而逐年降低。
6.鋁合金電纜與城市發展需求無法匹配
中國城市化進程在迅速發展中,城市用電結構發生了根本性變化,對電力提出了全新的挑戰。
過去城市居民用電主要是照明和家用電氣,但現在用電采暖,用智能擦地機,用電除塵器,用電動汽車;高層住宅、現代化娛樂商業一體化中心、現代辦公自動化設備等對電力提出的需求依然是在快速變化之中。為了應對電力需求的快速發展和變化,電力設計中都采用最大裕量來設計,即便如此也未必能滿足城市發展的需求,在銅芯電纜尚且還需用最大裕量來設計時,如果換成截面比銅大1.6倍的鋁合金電纜,再加一定比例的裕量,這是不可想象的,也是無法實現的。
現在城市用電的負荷特性和以前有很大的不同。未來風電、太陽能等新能源接入的比例增加,電動汽車以及分布式發電的發展,也會使得電網更加復雜。系統越復雜,安全事故的影響就越大,整個社會為其付出的成本就越大。理所當然,那時對系統韌性和抗事故能力的要求將會越高。可以通過改變系統的構建,如建設智能電網,來提高其可靠性。電纜作為智能電網的物理層基礎,扮演的作用會越發重要,它的品質是整個系統順利運行的基本保障。
綜合考慮可以發現,除了初期的投資建設成本比較低,鋁合金電纜在電纜的整合生命周期中,在整個配電網系統的運行中,并不具備單獨的成本優勢。如果再考慮到安全可靠以及電網本身產生的社會效益,銅電纜無疑是最優的選擇。
7.以鋁節銅與環保產業政策不符
一個國家的產能規模應該建立在資源可持續的基礎上,而中國鋁加工能力遠遠超出了資源供給和保障能力。
電解鋁、鐵合金、電石、燒堿、水泥、鋼鐵是中國重度耗電的行業,而且還是重度產能過剩的行業,目前中國電力還重度依賴煤的狀況下,鋁加工耗電的同時,也對環境造成了嚴重的污染,現在鋁合金電纜被冠以節能環保、技術革命等等標簽,在電力行業對銅進行大規模替代,其實質是用一種高耗能材料代替一種低耗能材料,是用低安全度材料代替高安全度材料,是用低價格高利潤替代品質與安全,這是對新常態下的注重環境的產業政策的嚴重的偏離。
另一個問題是中國鋁加工是比較低附加值的產業,大量進口鋁礦石,然后加工出口,換取微薄的利益,同時以犧牲環境為代價,這種模式已經被證明無以為續。
在上述種種情況下,任何將以鋁節銅的企圖都是與國家產業政策逆向而行。
8、應該吸取電力行業以鋁代銅的歷史教訓
上世紀50年代,由于銅是戰略資源,比較緊缺,我國提出“以鋁代銅”的方針,電纜行業除高壓電纜外,一般都采用鋁導體電纜。
到80年代中期,鋁導體電纜在運行中出現一些事故,發生事故的部位多數在鋁導體連接點,因為鋁是比較活潑的金屬,其表面容易生成氧化鋁,鋁導體電纜線路如果連接點處理不好,會導致接觸電阻增大,接觸點發熱,造成接點溫度升高,形成惡性循環直到燒壞,從而釀成事故。特別是戶外終端的鋁導體鏈接引線,更容易發生燒斷事故。在多根并列運行電纜之中,各條電纜由于接觸電阻的異差,可能造成電流分配極不均衡,甚至會出現某條電纜上的負荷接近于零的現象,引起其它條電纜嚴重過載造成事故,并縮短電纜運行的壽命。
在各地鋁導體電纜頻頻發生事故的情況下,為確保電纜線路安全供電,提高電力可靠性出發,八十年代后期起在國家和行業相關技術規范和標準中,對鋁導體電纜的應用進行了限制。例如,在國家標準GB50217-2007《電力工程設計規范》3.1條款中,規定在6種情況下電力電纜應選用銅導體:上海市電力公司《上海電網若干技術原則的規定》中,明確規定新建城市電網工程應用銅芯電纜,就連民用建筑的有關規定中也要采用銅芯電纜,這樣全國各地行業基本上停止使用鋁芯電纜。
鋁合金電纜雖然比純鋁在某些方面略有改善,但并沒有實質性的顯著進步,其導電性、電阻率等核心指標并沒有比鋁提高,所謂稀土鋁合金是革命性進步,不過是一個被炒作的概念。在這種情況下再次提出以鋁代銅或以鋁節銅,從而再次修訂已經成熟的電力電纜規范、標準等,這無疑是歷史教訓的重復上演。
總之,中國工業要做強,就不能用低品質材料替代高品質材料;中國要走節能環保道路,就不能用高耗能材料替代低耗能材料;中國城市要提高安全度,對人民生命負責,就不能用低安全度材料替代高安全度材料;中國電網要走向世界,建立世界能源互聯網和堅強電網,就必須選用好的材料而不是便宜的材料;中國工業要實施2025計劃,就需要樹立全生命周期管理理念而不能只重視價格而忽視質量;從資源戰略角度考慮,中國越進口銅則對外界依賴越少,因為銅可以循環使用,而進口鋁則不行;綜上所述,以鋁代銅或以鋁節銅是與中國的國家利益和大眾利益逆向而行。

所屬類別: 行業資訊

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