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为什么电力行业不适合铝合金电缆取代铜电缆？我来告诉你！ |
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摘要：中国工业要做强，就不能用低品质材料替代高品质材料，中国要走节能环保道路，就不能用高耗能材料替代低耗能材料，中国城市要提高安全保障度，对人民生命负责，就不能用低安全度材料替代高安全度材料，中国电网要走向世界，建立世界能源互联网和坚强电网，就要选用好的导体材料而不是便宜的导体材料，中国工业要实施2025计划，就需要树立全生命周期管理理念而不能只重视价格而忽视质量。从资源战略角度考虑，中国越进口铜则对外界依赖越少，因为铜可以循环使用。因此说，在电力行业以铝代铜或以铝节铜与中国国家利益和大众利益是逆向而行。在配电网中，除了在对线缆的重量因素和机械强度要求高，对可靠性和抗灾能力要求低的一些特殊领域外，我们不支持以铝合金电缆取代铜电缆。
本文从八个方面说明在电力行业推行以铝代铜或以铝节铜与国家强国政策和城市坚强电网的基本导向不符。
作者：防灾科技学院闫志涛
1.与节能减排政策要求不符
中国的资源禀赋决定了煤炭在能源结构中占据主要地位的格局将会长期不变。煤炭的利用会对环境造成很大的影响，为了应对和减少这种影响，将煤炭转化为电力是较优的选择。预计到2020年，电力消费将超过8万亿千瓦时。电网作为电力生产和消费的中介，在节能减排中的角色是要考虑的。
节能减排是我国的一项基本国策，也是实现我国经济可持续发展的必然选择，作为电力使用大户的电力企业，更应对这个问题加以重视，节能减排就是要采取技术上可行、经济上合理的措施，来提高能源的利用效率，减少能耗。
电缆是否节能环保，要看电缆核心指标即导电率和电阻，如果铜的导电率是100%，铝合金电缆的导电率仅为铜的61.2%。据《电网设备金属材料监督与检测》一书提供的资料，同为标称120mm2截面的导体，在20℃时，铜导体的电阻不大于0.158Ω/km，而铝合金导体为0.249Ω/km。可见，在相同截面下铝合金电缆的线损率要明显高于铜电缆。
另外，据英国巴斯大学的G.P.Hammond和C.I.Jones对电网中使用的不同的原材料在生产和使用过程中所包含的能耗进行了深入的比较研究，如表1所示。可以看出，金属铝在生产和使用过程中的能耗约为铜的3倍。
表1.主要材料和其包含的能源
上图表明铝和铝合金电缆在生产和使用中所消耗的能源比铜电缆高的多，因此从节能减排角度看。作为一个替代材料，铝合金电缆是用高耗能材料替代低耗能材料（铜电缆），这与国家基本国策是矛盾的。
2.与城市政策不符，偏离了提高城市的紧迫需求
中国城市建设过程中曾经对质量、标准、材料要求不严，导致城市重大事故频发。习近平主席指出：“人命关天，发展不能以牺牲人的生命为代价。这是一条不可逾越的红线。”城市居民生命的保护，今后将成为城市建设中的重要政策诉求。
铜电缆的防灾、抗灾能力大大优于铝合金电缆。铝合金电缆在耐高温性能方面性能弱，铝的熔融温度为660℃，而铜可达1080℃，在高温环境中使用的耐火电缆要求要在经受750℃～1000℃作用下仍能维持通电的功能。铜电缆这种耐高温的属性，在火灾情况下，构成了大众生命的保障线。
电网运行经验表明，电力电缆的故障80%发生在接头部位。即使受到氧化，生成的氧化铜仍是优良导体，能够保证接头和端子的电连接性能；而铝合金电缆即使有良好的施工工艺保障，在接头或端子部位受到氧化后，生成的氧化铝是绝缘体，会导致接头或端子导电性劣化，从而加剧接头或端子发热从而使氧化更加严重。如此恶性循环，从而发生电缆系统故障。
因此在选择这种涉及千家万户的电缆材料时，决策者是否应有忧患意识？使人民的生命与财产不受到因追求低价格高利润而导致危险系数大幅度增加。习主席说“我为什么经常讲底线思维？就是要求充分准备，要有戒惧之心，要有忧患意识，有的事万一发生了怎么办，然后对万一要有所防范.”
3.与电网公司配电网政策取向不相吻合
对电力系统来说，经济性很重要。
供电可靠性是衡量供电质量的主要指标。国家电网公司在《“十二五”配电网规划(技术原则)指导意见》中要求直辖市、省会城市、计划单列市的市区部分，供电可靠率要达到99.99%以上，核心区要达到99.999%，即全年停电时间不超过5分钟，地级市也要达到99.93%以上。就是当某一用户的供电线路发生故障时，配电网络须在很短的时间内立即切换到相邻线路，保证对用户不间断供电。这条相邻线路除承担自身负荷外，还要承担切换过来的负荷，这就要求网络中的每一条供电线路需要具备较强的供电能力，也就是导线的载流量要足够大。
要满足上述要求，除了要有完善的网络结构外，优良的设备和线路必不可少，由于同截面的铜芯电缆要比铝芯电缆允许的载流量(能够通过的较大电流)高30%左右，为满足城市供电可靠性要求，城市配电网广泛采用铜芯电缆。
铝制电缆的安装要求很高，如果安装做不好就更容易出现事故。另外，铝合金电缆故障维修复杂，耗时比同等的铜电缆要长，这无疑会进一步降低电网的供电可靠性。
随着经济发展，人们对生活品质和生活体验会更加苛求。试想如果铝合金电缆因低价而进入城市配电系统，故障频发不仅会给城市居民生活带来不便，甚至会安全堪忧。习主席强调“要强化央企的安全生产责任。央企是起带头作用的，履行安全生产责任应该走在前面”。
4.不符合“资产全生命周期管理体系”选择较优产品的原则
国家电网“资产全生命周期管理体系”规定“在招、投、标评标方面，综合考虑资产全寿命周期成本，以性价比较优为目标，加大质量评审要素权重，优化评标规则，按照选优选强的原则”
按照上述原则，铝合金电缆在导电性、电阻率、耐高温性能等核心指标低于铜电缆，而全生命周期的成本与铜基本持平。荷兰的WimBOONE和德国的ArnavKACKER在其“以生命周期视角广泛比较铜芯电缆导线或铝芯电缆导线”中通过生命周期成本分析（LCCA）得出以下结论：
1）铜制电缆与铝制电缆间的成本差异在其运营期已大幅减少。在所有情况下，运行期内的成本差异在3%左右，且在某些情况下，铜制电缆甚至成为了低的生命周期成本。
2）表2和表3表明，如果仅考虑一次性投入和采购成本，铝合金电缆和铝材料无疑具有巨大优势，但从铜铝电缆的全生命周期成本分析，铜与铝的成本几乎没有什么差别，而与铝合金电缆比较铜电缆从全生命周期成本角度更是优于铝合金电缆。
表2：20kV与110kV的铜与铝生命周期成本比较
表3400kv的铜与铝间生命周期成本比较
在现有运行的电网中，因初期设备投资成本压低，购买的设备质量差，从而导致其运行和维护成本成倍（或数倍）增加的情况不乏其例。随着中国人口老龄化的到来，未来人力资本的成本将会上升，电网系统运维成本的问题更加需要引起重视。
5.以铝合金电缆节铜是没有国家资源储备为基础的主观臆想
中国铝资源并不富裕，说“中国富铝缺铜”是一个不符合中国实际情况的误导性概念，现实情况是中国铝矿大量进口，用于维持中国过剩的铝加工能力；中国铝矿的储采比仅为6-7年，而中国石油的储采比为10年，铜的储采比为16-17年。
中国铝土矿资源虽然比较丰富，但以一水硬铝石型为主，铝硅比偏低，氧化铝生产成本高，国内的铝土矿不能满足快速增长的需求。
2000年我国氧化铝生产成本为1440元/吨，合173美元/吨，大大高于世界平均成本142美元/吨。中国铝土矿过度开采并大量进口。
数据来源：安泰科技信息开发有限公司
中国2008年进口的铝矿已经到达了总需求量的28%，到2013年底达到了43%。铝土矿供应缺口到2020年预测将达到60-70%，对世界市场依赖程度将进一步增加。中国铝土矿过度开采，储存量快速降低。
数据来源：安泰科技信息开发有限公司
从上图可以看到，中国铝的储采比急剧下降，从2003年的27.5年急剧下降到2013年6.6年，而中国石油的储采比长期稳定在10年左右，而铜矿的储采比为16-17年左右。因此以铝节铜这样的口号，是没有资源储备基础的。铝对国外采购的依赖程度已经高于石油和铜。相比较而言，由于铜是可以100%循环使用的，随着中国进口铜的不断积累，中国积累的铜资源越来越丰富，形成了巨大的城市矿藏，对国外进口的依赖程度反而逐年降低。
6.铝合金电缆与城市发展需求无法匹配
中国城市化进程在迅速发展中，城市用电结构发生了根本性变化，对电力提出了全新的挑战。
过去城市居民用电主要是照明和家用电气，但现在用电采暖，用智能擦地机，用电除尘器，用电动汽车；高层住宅、现代办公自动化设备等对电力提出的需求依然是在快速变化之中。为了应对电力需求的快速发展和变化，电力设计中都采用较大裕量来设计，即便如此也未必能满足城市发展的需求，在铜芯电缆尚且还需用较大裕量来设计时，如果换成截面比铜大1.6倍的铝合金电缆，再加一定比例的裕量，这是不可想象的，也是无法实现的。
现在城市用电的负荷特性和以前有很大的不同。未来风电、太阳能等新能源接入的比例增加，电动汽车以及分布式发电的发展，也会使得电网更加复杂。系统越复杂，安全事故的影响就越大，整个社会为其付出的成本就越大。理所当然，那时对系统韧性和抗事故能力的要求将会越高。可以通过改变系统的构建，如建设智能电网，来提高其可靠性。电缆作为智能电网的物理层基础，扮演的作用会越发重要，它的品质是整个系统顺利运行的基本保障。
综合考虑可以发现，除了初期的投资建设成本比较低，铝合金电缆在电缆的整合生命周期中，在整个配电网系统的运行中，并不具备单独的成本优势。如果再考虑到安全可靠以及电网本身产生的社会效益，铜电缆无疑是较优的选择。
7.以铝节铜与环保产业政策不符
一个国家的产能规模应该建立在资源可持续的基础上，而中国铝加工能力远远超出了资源供给和保障能力。
电解铝、铁合金、电石、烧碱、水泥、钢铁是中国重度耗电的行业，而且还是重度产能过剩的行业，目前中国电力还重度依赖煤的状况下，铝加工耗电的同时，也对环境造成了严重的污染，现在铝合金电缆被冠以节能环保、技术革命等等标签，在电力行业对铜进行大规模替代，其实质是用一种高耗能材料代替一种低耗能材料，是用低安全度材料代替高安全度材料，是用低价格高利润替代品质与安全，这是对新常态下的注重环境的产业政策的严重的偏离。
另一个问题是中国铝加工是比较低附加值的产业，大量进口铝矿石，然后加工出口，换取微薄的利益，同时以牺牲环境为代价，这种模式已经被证明无以为续。
在上述种种情况下，任何将以铝节铜的企图都是与国家产业政策逆向而行。
8、应该吸取电力行业以铝代铜的历史教训
上世纪50年代，由于铜是战略资源，比较紧缺，我国提出“以铝代铜”的方针，电缆行业除高压电缆外，一般都采用铝导体电缆。
到80年代中期，铝导体电缆在运行中出现一些事故，发生事故的部位多数在铝导体连接点，因为铝是比较活泼的金属，其表面容易生成氧化铝，铝导体电缆线路如果连接点处理不好，会导致接触电阻变大，接触点发热，造成接点温度升高，形成恶性循环直到烧坏，从而酿成事故。特别是户外终端的铝导体链接引线，更容易发生烧断事故。在多根并列运行电缆之中，各条电缆由于接触电阻的异差，可能造成电流分配很不均衡，甚至会出现某条电缆上的负荷接近于零的现象，引起其它条电缆严重过载造成事故，并缩短电缆运行的寿命。
在各地铝导体电缆频频发生事故的情况下，为确保电缆线路安全供电，提高电力可靠性出发，八十年代后期起在国家和行业相关技术规范和标准中，对铝导体电缆的应用进行了限制。例如，在国家标准GB50217-2007《电力工程设计规范》3.1条款中，规定在6种情况下电力电缆应选用铜导体：上海市电力公司《上海电网若干技术原则的规定》中，明确规定新建城市电网工程应用铜芯电缆，就连民用建筑的有关规定中也要采用铜芯电缆，这样全国各地行业基本上停止使用铝芯电缆。
铝合金电缆虽然比纯铝在某些方面略有改善，但并没有实质性的进步，其导电性、电阻率等核心指标并没有比铝提高，所谓稀土铝合金是革命性进步，不过是一个被炒作的概念。在这种情况下再次提出以铝代铜或以铝节铜，从而再次修订已经成熟的电力电缆规范、标准等，这无疑是历史教训的重复上演。
总之，中国工业要做强，就不能用低品质材料替代高品质材料；中国要走节能环保道路，就不能用高耗能材料替代低耗能材料；中国城市要提高安全度，对人民生命负责，就不能用低安全度材料替代高安全度材料；中国电网要走向世界，建立世界能源互联网和坚强电网，就需要选用好的材料而不是便宜的材料；中国工业要实施2025计划，就需要树立全生命周期管理理念而不能只重视价格而忽视质量；从资源战略角度考虑，中国越进口铜则对外界依赖越少，因为铜可以循环使用，而进口铝则不行；综上所述，以铝代铜或以铝节铜是与中国的国家利益和大众利益逆向而行。 |
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