电缆导体的损耗
摘要:文章回顾了我国电缆导体的演变历程，以现行标准为依据,剖析铜和铝合金电缆损耗的差异源自电阻，虽然电阻值相差不大，但寿命期内的总损耗差不容小觑。
用作电缆的导体有铜和铝两大类。由铝派生的有铝合金和铜包铝，原先电线、电缆都是用铜导体，因为它的导电性能和机械性能都很理想，20℃的直流电阻率为1.72×10ˉ6 Ω˙cm。
我国从上一世纪五十年代始，由于朝鲜战争开打，因铜是重要的战略物资而遭资本主义国家的禁运。国人还记得响应号召将家里的铜器捐献给国家的爱国热情。与此同时，“以铝代铜”遍及生活的方方面面，用铝电线电缆作为一项技术政策贯彻执行。在一些对安全和可靠性不太严格的场所，都用铝芯电线和电缆，甚至在新建住宅内——本来应该关注安全的场所，也只能将就。因为无论是导电性能和机械性能铝都不如铜。20℃的直流电阻率为2.82×10ˉ6 Ω˙cm，大约是铜的1.64倍。它的脆性使接头容易断裂，还由于蠕变特性，使接头的可靠性降低。所谓蠕变就是在较高温度(如70℃)和较大压力(如螺栓压紧)下，随时间而增长的热塑变形。它是电线电缆接头可靠性降低、甚至损坏的主要原因。经过长期摸索，也找到一些应对办法，如加强巡视，定期加固旋紧螺栓等。
当然，事物总存在两面性，由于铝导体电线电缆的价格低、重量轻，大大减轻了施工劳动强度而受到欢迎。
到了改革开放时期，经济发展较快，人们对品质要求提升，摆脱了一些束缚，结果从一个极端转向另一个极端，在东南沿海率先放弃了“以铝代铜”，电线电缆几乎全部采用铜导体，深度和广度前所未有。深度——在铜、铝导体比例上超过了发达国家，广度——从东南沿海逐步向内地扩展。
事物的发展又走向其反面，由于铜价飙涨，使电线电缆价格成倍增长，人们不得不重新思考。同时刮起两股小小旋风，一是出现了铜包铝线芯电缆，二是从北美引进了铝合金导体电缆技术。铝合金电缆在中国大地应运而生。
铜包铝电缆号称可替代铜电缆。但事实上它仅适用于小截面且用于高频器件，由于高频电流的集肤效应，铜包铝线可以发挥它的优势。国内外相关标准也仅限于电子器件。铜包铝线不能用来制造电力电缆，一方面它仅适用于单股线，采用多股线就失去意义，另一方面接头技术无法解决，于是这股旋风很快就变成低气压。
铝合金导体是电工铝中添加了微量的硅、铜、锌、铁、硼等元素。机械性能有很大改进，如柔靱性优化，抗蠕变性能很大提高等。凡退火工艺精湛者,它的导电性能可非常接近电工铝。“电缆的导体”国家标准GB/T3956-2008将铝和铝合金导体的电阻取相同数值。
铝合金电缆的关键技术之一是接头。接头材质及工艺是影响品质的重要因素，引进技术的电缆制造企业除了出售电缆外还提供技术服务。若要接头可靠，必须有供应商委派专业人员指导施工。也因此它的价格大大高于铝电缆。因为利润空间大，制造商从开始的两家，一下子猛增到百余家，小旋风正在扩大。由于目前各企业都按自己的企业标准生产，貌似相同其实品质差异很大。
铜和铝合金电缆的损耗究竟哪个大?众说不一，这里用数据说话。
电缆损耗计算公式为：
△P=Ι2˙Rθj˙L˙NC˙NP×10ˉ³ (1)
△Q=△P˙ζ (2)
式中：△P—功耗损耗，kW
△Q—能源损耗 ，kWh
Rθj—单根导体当温度θ时计入集肤和邻近效应的单位长度的交流电阻，Ω/km
Ι—计算电流,A
NC、NP—每回路导体数量和回路数
ζ—最大负荷损耗小时数,h/年
L—线路长度,km
若要比较铜和铝合金电缆的损耗，须设定两条线路条件相同，也就是计算电流相同、线路和导体数量、长短及运行方式相同。由于铜和铝合金电缆的长期允许最大工作电流不同，即俗称载流量不同，同一计算电流应选择不同截面。这样公式(1)、(2)中，唯一差别的就是交流电阻Rθj,于是损耗的比较就等效转化为Rθj的比较。
Rθj的计算公式为：
Rθj = Kjf * Klj * Rθ (3)
Rθ = R20 *【1+а(θ-20)】 (4)
式中：Rθj—温度θ时的交流 电阻 ,Ω
Kjf—集肤效应系数(见表1)
Klj—邻近效应系数，查手册可取1.0
Rθ—温度θ时的直流电阻 ,Ω
R20—20℃时的直流电阻,Ω
а—导体的电阻温度系数按GB/T3956-2008：铜取0.00393，铝取0.00403
表1 导体集肤效应系数
注：Kjf值根据工业与民用配电设计手册第9章方法计算。详见附录。交流频率为50Hz。
公式(3)和(4)中θ应该这样来确定：
以XLPE交联聚乙烯绝缘电力电缆为例，导体长期允许最高工作温度90℃，由于下列因素导体长期实际工作温度低于90℃：
(1) 设计选型是按最热月的日最高温度平均值，而绝大部分时间气温低于该值;
(2) 截面选择是按线路全长散热最不利区段，绝大多数区段散热优于该区段;
(3) 设计裕量;
(4) 根据电压损失校验、热稳定校验和按经济电流密度选择等条件，最终确定的截面会较大。
综合以上因素，若环境温度35℃，导体的实际工作温度大约为70℃，即θ=70℃，以此计算电缆的电阻，结果见表2。
因同等截面的铜和铝合金导体电缆载流量不同，而铝合金电缆尚无载流量的国家标准，从各企业收集到的资料数据不一，最大相差11.8%。有的大于、亦有的小于国标铝电缆载流量，因此相对以GB/T16895.15-2002中铜、铝电缆载流量更有说服力。根据此数据给制成曲线图如图1。
工程上首先以某一计算电流I比照相应电缆的载流量选择截面,举例说明:
例1 I =380A，从曲线图1可见，铜导体选150mm2， 而铝合金导体则选240mm2。
表2 电缆导体电阻值 Ω/km
根据表2，铜和铝合金导体的R70j分别为0.148和0.150Ω/km，铝合金电缆电阻略大于铜电缆，也就是铝合金电缆损耗值稍大一些。
例2. I =140A，查图1曲线得铜导体电缆选35mm2，而铝合金导体电缆则选50mm2;查表2，R70j分别为0.627Ω/km和0.770Ω/km，显然铝合金导体电缆电阻大一些。
以上两个例子有一定代表性，通常电气工程师在按载流量选择截面时，当铜导体为70mm2及以下时，相应铝合金导体截面放大一级;当铜导体截面大于等于95mm2时，相应铝合金导体截面放大两级。无论哪种情况,铝合金导体的电阻总是大于铜导体,因此任何计算电流,采用,铜导体的损耗总是比较小.
进一步量化两例的损耗值。首先要确定例1、例2各自统一的运行方式，见表3，电缆寿命为30年。
表3 案例负荷运行方式
将各参数代入公式(1)和(2)，计算结果见表4
表4 案例每km电缆损耗计算结果
如果取平均电价1元/kwh,那么例1在电缆寿命终止前早就将铜电缆多于铝合金电缆的投资因损耗低而省回来了。而例2更是早就将电缆的全部投资省回来了。相应折标标煤41吨和212吨，对减少排放也有益。
结论：
1. 工程中按载流量选择电缆截面时，若铜导体≤70mm²时，相应铝合金导体放大一个截面规格，当铜导体≥95mm2时，铝合金导体需放大两级，但铜导体电阻总小于铝合金导体，因此损耗较小。
2. 按统计数据和有关规定，电缆平均寿命期以30年计算，从节省的损耗电费足以回收多余的投资或全部工程投资。
3. 从节能减排环保要求，也宜优先选择铜导体电缆，更何况它的可靠、安全。这是众所周知的。
附录：集肤效应系数计算
式中：ρθ—70℃电阻率，铜—1.2×1.72×10ˉ6=2.06×10ˉ6
铝—1.2×2.82×10ˉ6=3.38×10ˉ6
μ—导磁率，取1，
f—频率，取50Hz。
参考文献:
(1)布线系统载流量GB/T16895.15-2002;
(2)电缆的导体GB3956-2008;
(3)工业与民用配电设计手册,第三版.电力出版社2005年。
(4) 铜包铝线,电子行业标准 SJ/T 11223—2000