铝合金电缆在船舶行业应用的可行性研究

作者:未知

  摘    要:由于国内铜资源短缺,国内电力行业开始推广应用铝合金电力电缆代替铜电缆。但是船舶行业还没有开始使用铝合金电缆,市场上也还没有电缆生产厂家为船舶行业生产船用铝合金电缆。本文主要通过对电力行业用铜芯电缆、铝合金电缆和船用铜芯电缆进行对比,分析铝合金电缆的优缺点,研究其在船舶行业应用的可行性。
  关键词:船舶行业;电力电缆;铝合金电缆
  中图分类号:U668.3                                  文献标识码:A
  Abstract: Due to the shortage of copper resources, China’s power industry began to promote the application of aluminum alloy power cable instead of copper cable, but ship industry has not started to use aluminum alloy cable and no aluminum alloy cables for the ship industry are produced. This paper analyzes the advantages and disadvantages of aluminum alloy cable by comparing the copper core cable, aluminum alloy cable and marine copper core cable used in the power industry, and studies the feasibility of its application in the ship industry.
  Key words: Ship industry;  Electric power cable;  Aluminum alloy cable
  1    引言
  铜和铝是目前世界上电线电缆的最主要材料。铜电缆导电率和可靠性高,但价格昂贵;铝芯电缆导电率低、机械性能差、可靠性略低,但重量轻、价格便宜。我国电力电缆中铜电缆占90%以上,但目前国内铜资源短缺,同时电解铝产能严重过剩,因此国家在大力推行以铝代铜。
  美国从1988年开始应用AA-8000系列铝合金作为核心导体的电力电缆,其机械特性较纯铝芯电缆有明显改善。近年来国内已经在建筑和电力行业中开始推广应用铝合金电缆,但还未出现船用铝合金电缆。通过对比电力行业用铝合金电缆,分析在船舶行业应用铝合金电缆的可行性。
  2   铝合金电缆的优点
  目前电力行业应用的铝合金电力电缆具有以下优点:抗蠕变性能比纯铝电缆提高300%;抗拉强度好,延伸率比纯铝电缆提高30%;热膨胀系数与铜相当;连接性能与铜电缆一样安全稳定;自重承载力强;防腐蚀性能优于铜电缆;柔韧性优于铜电缆;具有紧压特性,在同等载流量情况下导体外径只比铜电缆大10%。
  3   铝合金电缆和铜芯电缆的选取
  3.1  电缆的电压等级
  电力行业使用电缆的电压区间是220 V~35 kV,鋁合金电缆电压等级是从0.6/1 kV~26/35 kV;船舶行业船用电压等级是220 V~6 kV,电缆电压等级是0.6/1 kV~8.7/15 kV,其中6 kV及以上使用较少。在下面对比分析时,选取的三种电缆电压等级是参照船用电缆中使用量最大的0.6/1 kV等级电缆。
  3.2   电缆绝缘、铠装、护套类型
  (1)电力行业用铝合金电缆
  主要有YJLHV、YJLHY、YJLH60、YJLH62、YJLH63、VLHV、VLHV22等几类,其核心导体都是AA-8000稀土铝合金,主要区别在于绝缘、铠装和护套材料,详见表1。
  船舶行业在进行电缆选择时要考虑船舶的特殊环境,主要是高温、高盐、高湿、易发生机械损伤、易发生火灾等,因此船用电缆在绝缘、护套和铠装材料上的选用要求比电力行业用电缆高,部分类型船用电缆比电力行业用的电力电缆要多一层内护套,详见表3。
  在进行上述几种电缆对比时,要尽量选用绝缘、护套和铠装的材料都比较相近的几种电缆:电力行业用铝合金电缆类型是YJLH62,即铝合金导体、交联聚乙烯绝缘、铝合金联锁铠装、聚氯乙烯外护套电缆;电力行业用铜芯电缆是YJV32,即铜芯、交联聚乙烯绝缘、钢丝编织铠装、聚氯乙烯护套电缆;船用铜芯电缆是CJ92/SA,即铜芯、交联聚乙烯绝缘、镀锌钢丝编织铠装、聚氯乙烯外护套电缆。
  3.3  电缆芯线数量
  电力系统根据中性点接地和保护类型,分为三相三线制、三相四线制、三相五线制等。电力行业使用的电缆芯线数量有3、3+1、3+2、4或者4+1;船舶电力系统多数为中性点不接地系统,电缆以3芯电缆为主。在对比分析时,选取的三种电缆都是3芯电缆。
  3.4  电缆导体截面积
  电力行业应用的ACWU90(YJLHVLKV)型铝合金电缆截面积是10~400 mm2;船用电缆截面积一般是1~185 mm2。为方便对比,选取的三种电缆芯线截面积是10~185 mm2。
  4   三种电缆的对比分析
  4.1  电缆连续工作时的额定载流量   (1)参考标准
  电缆的额定载流量是电缆最重要的参数,主要与导体的导电性能、绝缘材料、安装方式、基准环境温度和允许最高工作温度有关。三种电缆采用的标准及工作条件如下:
  ①电力行业用铝合金电缆标准为《NB/T 42051-2015 额定电压0.6/1 kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》[1];工作条件为空气中敷设、环境温度40 ℃、45 ℃时校正系数0.94、电缆允许最高工作温度90 ℃。
  ②建筑工程和电力工程用的铜芯电缆的标准为《IEC60364-5-523铜芯电线电缆载流量标准》[2]、《GB/T16895.15-2002建筑物电气装置.布线系统载流量》[3];工作条件为空气中敷设、环境温度30 ℃、45 ℃时校正系数0.87、电缆允许最高工作温度90 ℃。
  ③船用铜芯电缆标准为《IEC60092-352船舶电气设施.低压电力系统用电缆的选择和敷设》[4]、《钢质海船入级规范2015》[5];工作条件为空气中敷设、环境温度45 ℃、电缆允许最高工作温度90 ℃。
  (2)数据对比
  三种类型电缆都采用空气中敷设、交联聚乙烯绝缘,允许最高工作温度都为90 ℃。但相关标准中采用基准环境温度各不相同,需进行温度校正将载流量统一到45 ℃环境温度条件下。根据各标准或规范提供的载流量数据进行温度校正后,整理得出的数据见表4。
  (3)数据分析
  ①铝合金电缆的导电性能低于铜芯电缆,在相同截面积时电力行业用铝合金电缆的载流量仅为铜芯电缆的84%。为此,通过增大电缆规格来解决这个问题,即70 mm2以下铜芯电缆选择相同载流量的铝合金电缆时,铝合金电缆截面积比铜芯电缆大一個规格;70 mm2及以上时,铝合金电缆比铜芯电缆大两个规格。
  ②船舶环境较为恶劣,船用材料和设备所需的安全阈值较高,因此在相同截面积时船用铜芯电缆的载流量低于电力行业用铜芯电缆,仅为后者的约80%。
  4.2  电缆的外径和单位长度重量
  (1)原始数据对比
  根据各电缆生产厂家提供的三种电缆资料,见表5和表6。
  (2)增大规格后的数据对比
  电力行业遵循铝合金电缆增大规格使用的原则,增大规格使用后的对比情况见表7。
  (3)数据分析
  由表6可以看出:在同等截面积时,电力行业用铝合金电缆比铜芯电缆外径大15%、重量减轻50%;船用铜芯电缆的外径比电力行业用铜芯电缆大9%、重量基本相当;
  由表7可以看出:铝合金电缆增大规格使用时,电力行业用铝合金电缆比电力行业用铜芯电缆外径大30%、重量减轻23%。
  由此可以得出结论:同等截面积的导体,用作船用电缆时外径比用作电力行业时增加9%;在增大规格使用的情况下,铝合金电缆的外径比铜芯电缆大30%、重量减轻30%。
  4.3  电缆弯曲半径
  根据电缆生产厂家提供的资料:
  YJLH62型电力行业用铝合金电缆的最小弯曲半径为7D;
  YJV32型电力行业用铜芯电缆的最小弯曲半径为15D;
  CJ92/SA型船用铜芯电缆的最小弯曲半径为6D。
  由此可以看出,铝合金电缆最小弯曲半径远小于电力行业用铜芯电缆,这种铝合金导体制成船用铝合金电缆时,最小弯曲半径必然小于船用铜芯电缆的6D。
  4.4  电缆单位长度价格
  目前电力行业用的铝合金电缆在增大规格使用后,价格仍然只有铜芯电缆的70%—80%;使用AA-8000铝合金导体制成船用铝合金电缆,即使增大规格使用,价格也只有船用铜芯电缆的70%—80%。
  4.5  电缆的其它性能
  电缆的其它性能还包含:工作温度、阻燃/耐火性、机械性能、耐腐蚀性能等。这些性能与电缆核心导体有一定关系,也与电缆的绝缘、铠装和护套材料有关。根据相关资料,AA-8000铝合金导体的机械性能(拉伸性、抗疲劳性)优于同等截面积的铜导体,并且由于铝合金接触空气的部分会氧化,在导体表面形成一层致密氧化膜,起到保护内部导体的作用,故其耐腐蚀性能也优于铜导体。
  如果按照船用标准使用AA-8000铝合金导体制造船用电缆,那么电缆工作温度、阻燃/耐火性、耐腐蚀性能等可以做到与目前使用的船用铜芯电缆基本相当,甚至部分性能更加优良。
  5   结论
  由于船用电缆与电力行业用电缆所采用标准不同,目前电力行业使用的铝合金电缆和铜芯电缆不能直接用于船舶。通过对三种电缆各项参数的对比分析,可以得出以下结论:
  (1)可以预估,当使用AA-8000铝合金导体制成船用电缆时:载流量是电力行业用铝合金电缆的80%;外径是电力行业用铝合金电缆的109%、单位长度重量相当;最小弯曲半径和耐腐蚀能力优于船用铜芯电缆;电缆工作温度、防水、阻燃/耐火性能、防止机械损伤能力、承受轴向拉力极限等参数与船用铜芯电缆相当。
  (2)铝合金电缆的载流量低于铜芯电缆。在通过载流量选择电缆截面积时,船用铝合金电缆需要较船用铜芯电缆增大规格使用。在增大规格使用时,船用铝合金电缆与船用铜芯电缆相比,两者载流量相当,重量是后者70%,外径是后者130%,价格是后者70%—80%。
  综上所述,在其它性能基本相当的情况下,AA-8000铝合金导体制造的船用铝合金电缆可以应用于船舶行业。其优缺点如下:重量轻、价格低,但占用空间多。在实际应用时,船用铝合金电缆可以应用在一些空间宽裕、对成本和重量控制严格的船舶上,不宜用在空间有限的船舶上。
  目前国内电力行业用铝合金电缆代替铜电缆处于起步阶段,市场上出现船用铝合金电缆还需时日。但国内铜资源短缺,在国家大力推行以铝代铜的背景下,制造专用的船用铝合金电缆是大势所趋。本文仅基于现有数据进行分析,未来市场上出现船用铝合金电缆时,还需要经过专业检测、论证才可进行实船应用。
  参考文献
  [1]  NB/T 42051-2015 额定电压0.6/1KV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆[S].2015.
  [2]  IEC 60364-5-523铜芯电线电缆载流量标准[S].2005.
  [3]  GB/T 16895.15-2002建筑物电气装置.布线系统载流量[S].2002.
  [4]  IEC 60092-352船舶电气设施.低压电力系统用电缆的选择和敷设[S].
  [5]  钢质海船入级规范2015[S].2015.
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