鋁合金電纜在船舶行業應用的可行性研究

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　　摘    要：由于國內銅資源短缺，國內電力行業開始推廣應用鋁合金電力電纜代替銅電纜。但是船舶行業還沒有開始使用鋁合金電纜，市場上也還沒有電纜生產廠家為船舶行業生產船用鋁合金電纜。本文主要通過對電力行業用銅芯電纜、鋁合金電纜和船用銅芯電纜進行對比，分析鋁合金電纜的優缺點，研究其在船舶行業應用的可行性。
　　關鍵詞：船舶行業;電力電纜;鋁合金電纜
　　中圖分類號：U668.3                                  文獻標識碼：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
　　銅和鋁是目前世界上電線電纜的最主要材料。銅電纜導電率和可靠性高，但價格昂貴;鋁芯電纜導電率低、機械性能差、可靠性略低，但重量輕、價格便宜。我國電力電纜中銅電纜占90%以上，但目前國內銅資源短缺，同時電解鋁產能嚴重過剩，因此國家在大力推行以鋁代銅。
　　美國從1988年開始應用AA-8000系列鋁合金作為核心導體的電力電纜，其機械特性較純鋁芯電纜有明顯改善。近年來國內已經在建筑和電力行業中開始推廣應用鋁合金電纜，但還未出現船用鋁合金電纜。通過對比電力行業用鋁合金電纜，分析在船舶行業應用鋁合金電纜的可行性。
　　2   鋁合金電纜的優點
　　目前電力行業應用的鋁合金電力電纜具有以下優點：抗蠕變性能比純鋁電纜提高300%;抗拉強度好，延伸率比純鋁電纜提高30%;熱膨脹系數與銅相當;連接性能與銅電纜一樣安全穩定;自重承載力強;防腐蝕性能優于銅電纜;柔韌性優于銅電纜;具有緊壓特性，在同等載流量情況下導體外徑只比銅電纜大10%。
　　3   鋁合金電纜和銅芯電纜的選取
　　3.1  電纜的電壓等級
　　電力行業使用電纜的電壓區間是220 V～35 kV，鋁合金電纜電壓等級是從0.6/1 kV～26/35 kV;船舶行業船用電壓等級是220 V～6 kV，電纜電壓等級是0.6/1 kV～8.7/15 kV，其中6 kV及以上使用較少。在下面對比分析時，選取的三種電纜電壓等級是參照船用電纜中使用量最大的0.6/1 kV等級電纜。
　　3.2   電纜絕緣、鎧裝、護套類型
　　（1）電力行業用鋁合金電纜
　　主要有YJLHV、YJLHY、YJLH60、YJLH62、YJLH63、VLHV、VLHV22等幾類，其核心導體都是AA-8000稀土鋁合金，主要區別在于絕緣、鎧裝和護套材料，詳見表1。
　　船舶行業在進行電纜選擇時要考慮船舶的特殊環境，主要是高溫、高鹽、高濕、易發生機械損傷、易發生火災等，因此船用電纜在絕緣、護套和鎧裝材料上的選用要求比電力行業用電纜高，部分類型船用電纜比電力行業用的電力電纜要多一層內護套，詳見表3。
　　在進行上述幾種電纜對比時，要盡量選用絕緣、護套和鎧裝的材料都比較相近的幾種電纜：電力行業用鋁合金電纜類型是YJLH62，即鋁合金導體、交聯聚乙烯絕緣、鋁合金聯鎖鎧裝、聚氯乙烯外護套電纜;電力行業用銅芯電纜是YJV32，即銅芯、交聯聚乙烯絕緣、鋼絲編織鎧裝、聚氯乙烯護套電纜;船用銅芯電纜是CJ92/SA，即銅芯、交聯聚乙烯絕緣、鍍鋅鋼絲編織鎧裝、聚氯乙烯外護套電纜。
　　3.3  電纜芯線數量
　　電力系統根據中性點接地和保護類型，分為三相三線制、三相四線制、三相五線制等。電力行業使用的電纜芯線數量有3、3+1、3+2、4或者4+1;船舶電力系統多數為中性點不接地系統，電纜以3芯電纜為主。在對比分析時，選取的三種電纜都是3芯電纜。
　　3.4  電纜導體截面積
　　電力行業應用的ACWU90（YJLHVLKV）型鋁合金電纜截面積是10～400 mm2;船用電纜截面積一般是1～185 mm2。為方便對比，選取的三種電纜芯線截面積是10～185 mm2。
　　4   三種電纜的對比分析
　　4.1  電纜連續工作時的額定載流量 　?。?）參考標準
　　電纜的額定載流量是電纜最重要的參數，主要與導體的導電性能、絕緣材料、安裝方式、基準環境溫度和允許最高工作溫度有關。三種電纜采用的標準及工作條件如下：
　?、匐娏π袠I用鋁合金電纜標準為《NB/T 42051-2015 額定電壓0.6/1 kV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜》[1];工作條件為空氣中敷設、環境溫度40 ℃、45 ℃時校正系數0.94、電纜允許最高工作溫度90 ℃。
　?、诮ㄖこ毯碗娏こ逃玫你~芯電纜的標準為《IEC60364-5-523銅芯電線電纜載流量標準》[2]、《GB/T16895.15-2002建筑物電氣裝置.布線系統載流量》[3];工作條件為空氣中敷設、環境溫度30 ℃、45 ℃時校正系數0.87、電纜允許最高工作溫度90 ℃。
　　③船用銅芯電纜標準為《IEC60092-352船舶電氣設施.低壓電力系統用電纜的選擇和敷設》[4]、《鋼質海船入級規范2015》[5];工作條件為空氣中敷設、環境溫度45 ℃、電纜允許最高工作溫度90 ℃。
　?。?）數據對比
　　三種類型電纜都采用空氣中敷設、交聯聚乙烯絕緣，允許最高工作溫度都為90 ℃。但相關標準中采用基準環境溫度各不相同，需進行溫度校正將載流量統一到45 ℃環境溫度條件下。根據各標準或規范提供的載流量數據進行溫度校正后，整理得出的數據見表4。
　?。?）數據分析
　?、黉X合金電纜的導電性能低于銅芯電纜，在相同截面積時電力行業用鋁合金電纜的載流量僅為銅芯電纜的84%。為此，通過增大電纜規格來解決這個問題，即70 mm2以下銅芯電纜選擇相同載流量的鋁合金電纜時，鋁合金電纜截面積比銅芯電纜大一個規格;70 mm2及以上時，鋁合金電纜比銅芯電纜大兩個規格。
　?、诖碍h境較為惡劣，船用材料和設備所需的安全閾值較高，因此在相同截面積時船用銅芯電纜的載流量低于電力行業用銅芯電纜，僅為后者的約80%。
　　4.2  電纜的外徑和單位長度重量
　?。?）原始數據對比
　　根據各電纜生產廠家提供的三種電纜資料，見表5和表6。
　?。?）增大規格后的數據對比
　　電力行業遵循鋁合金電纜增大規格使用的原則，增大規格使用后的對比情況見表7。
　?。?）數據分析
　　由表6可以看出：在同等截面積時，電力行業用鋁合金電纜比銅芯電纜外徑大15%、重量減輕50%;船用銅芯電纜的外徑比電力行業用銅芯電纜大9%、重量基本相當;
　　由表7可以看出：鋁合金電纜增大規格使用時，電力行業用鋁合金電纜比電力行業用銅芯電纜外徑大30%、重量減輕23%。
　　由此可以得出結論：同等截面積的導體，用作船用電纜時外徑比用作電力行業時增加9%;在增大規格使用的情況下，鋁合金電纜的外徑比銅芯電纜大30%、重量減輕30%。
　　4.3  電纜彎曲半徑
　　根據電纜生產廠家提供的資料：
　　YJLH62型電力行業用鋁合金電纜的最小彎曲半徑為7D;
　　YJV32型電力行業用銅芯電纜的最小彎曲半徑為15D;
　　CJ92/SA型船用銅芯電纜的最小彎曲半徑為6D。
　　由此可以看出，鋁合金電纜最小彎曲半徑遠小于電力行業用銅芯電纜，這種鋁合金導體制成船用鋁合金電纜時，最小彎曲半徑必然小于船用銅芯電纜的6D。
　　4.4  電纜單位長度價格
　　目前電力行業用的鋁合金電纜在增大規格使用后，價格仍然只有銅芯電纜的70%—80%;使用AA-8000鋁合金導體制成船用鋁合金電纜，即使增大規格使用，價格也只有船用銅芯電纜的70%—80%。
　　4.5  電纜的其它性能
　　電纜的其它性能還包含：工作溫度、阻燃/耐火性、機械性能、耐腐蝕性能等。這些性能與電纜核心導體有一定關系，也與電纜的絕緣、鎧裝和護套材料有關。根據相關資料，AA-8000鋁合金導體的機械性能（拉伸性、抗疲勞性）優于同等截面積的銅導體，并且由于鋁合金接觸空氣的部分會氧化，在導體表面形成一層致密氧化膜，起到保護內部導體的作用，故其耐腐蝕性能也優于銅導體。
　　如果按照船用標準使用AA-8000鋁合金導體制造船用電纜，那么電纜工作溫度、阻燃/耐火性、耐腐蝕性能等可以做到與目前使用的船用銅芯電纜基本相當，甚至部分性能更加優良。
　　5   結論
　　由于船用電纜與電力行業用電纜所采用標準不同，目前電力行業使用的鋁合金電纜和銅芯電纜不能直接用于船舶。通過對三種電纜各項參數的對比分析，可以得出以下結論：
　　（1）可以預估，當使用AA-8000鋁合金導體制成船用電纜時：載流量是電力行業用鋁合金電纜的80%;外徑是電力行業用鋁合金電纜的109%、單位長度重量相當;最小彎曲半徑和耐腐蝕能力優于船用銅芯電纜;電纜工作溫度、防水、阻燃/耐火性能、防止機械損傷能力、承受軸向拉力極限等參數與船用銅芯電纜相當。
　?。?）鋁合金電纜的載流量低于銅芯電纜。在通過載流量選擇電纜截面積時，船用鋁合金電纜需要較船用銅芯電纜增大規格使用。在增大規格使用時，船用鋁合金電纜與船用銅芯電纜相比，兩者載流量相當，重量是后者70%，外徑是后者130%，價格是后者70%—80%。
　　綜上所述，在其它性能基本相當的情況下，AA-8000鋁合金導體制造的船用鋁合金電纜可以應用于船舶行業。其優缺點如下：重量輕、價格低，但占用空間多。在實際應用時，船用鋁合金電纜可以應用在一些空間寬裕、對成本和重量控制嚴格的船舶上，不宜用在空間有限的船舶上。
　　目前國內電力行業用鋁合金電纜代替銅電纜處于起步階段，市場上出現船用鋁合金電纜還需時日。但國內銅資源短缺，在國家大力推行以鋁代銅的背景下，制造專用的船用鋁合金電纜是大勢所趨。本文僅基于現有數據進行分析，未來市場上出現船用鋁合金電纜時，還需要經過專業檢測、論證才可進行實船應用。
　　參考文獻
　　[1]  NB/T 42051-2015 額定電壓0.6/1KV鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電纜[S].2015.
　　[2]  IEC 60364-5-523銅芯電線電纜載流量標準[S].2005.
　　[3]  GB/T 16895.15-2002建筑物電氣裝置.布線系統載流量[S].2002.
　　[4]  IEC 60092-352船舶電氣設施.低壓電力系統用電纜的選擇和敷設[S].
　　[5]  鋼質海船入級規范2015[S].2015.
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