智能电网的实现需要安全可靠的铜电缆

当今技术，经济及制度的发展为增进人类社会福祉做出了巨大的贡献，同时也带来了严重的问题，如气候变化，能源与环境问题等。为了应对气候变化，实现可持续发展，从全世界范围来看，当前能源结构必须尽快做出调整和改变。以风电和太阳能为代表的可再生的低碳能源是未来能源发展的方向。对这类能源，一般都是先将其转化为二次能源-电力，然后再对其加以利用。预计，越来越多的能源接入电网，电力将会成为未来能源的主线。而电网作为连接电力生产和消费的中介，在其中扮演着极其重要的不可或缺的角色。伴随着能源市场的自由化，能源交易主体的多样化，电网的结构和功能将日益趋于复杂。当下电网的发展正面临一个矛盾：一方面，随着可再生能源分布式发电的接入，网络拓扑结构的变化，电力系统的潮流变化越发复杂多变;另一方面，随着经济发展，人们对生活品质和生活体验会更加苛求，从而对电力系统连续安全可靠供电的要求越来越高。为应对电力需求的复杂性，提高经济性，增进安全性，智能电网是电力系统的发展方向。智能电网的建设是解决上述问题的一个有效途径。它既是当前电力系统变革的要求，也是未来经济高效的组织形式所需的构架基础。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。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。在目前我国电力系统逐渐升级，向坚强化和智能化方向发展的大背景下，在城市配电网的发展建设中，却出现了一种所谓“以铝代铜”的口号。这是极其不可取的。其实质上是一种误导，需要被认清。通过分析会发现，若是大量铝合金电缆进入配电系统，不仅会为智能电网建设带来隐患，也会出现与智能电网建设目标相违背的结果。国务院发展研究中心资源与环境政策研究所发布的《我国铜铝资源在电力电缆市场应用战略规划研究》研究报告)，通过对铜铝铝合金导体、电缆的多方面的比较分析的出了不宜在电力传输领域“以铝代铜”的结论。具体一些数据见附表。电网运行经验表明，电力电缆的故障80%发生在接头部位。在这一点上，铜具有铝及铝合金无可比拟的优越性，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。若考虑到未来，有可能有电动汽车以及新能源的接入时，电网末端负荷波动频繁，潮流幅度变化剧烈，使得接头端子处温度波动大，频繁出现热胀冷缩，不同材料端子接触的热稳定性问题可能还会凸现。很多的电力事故都伴随有火灾发生。一般电力电缆发生火灾，起初表现为由于产生过量的焦耳热而导致温度异常升高。常见的起因有电缆的接头电阻增加，绝缘层老化，对地漏电或线间漏电等等。而电缆温度增加又会加剧产生温度的原因，形成正反馈，导致电缆在火灾面前相当脆弱。电缆火灾一旦发生，则火势凶猛，蔓延迅速，在燃烧时会发生大量的有害气体，造成扑救困难。不仅着火电缆回路受到影响，还将会影响到电缆沟内的其他电缆。电缆烧坏后，修复时间长，损失严重。若电网的保护系统控制得不够好，或未能正常工作，还会导致事故的影响进一步扩大。电网中压系统电缆负荷高，出现故障时，影响范围更大。如果电网的结构和潮流分布设计的不够合理，同时事故又发生在电网的负荷高峰期，那么就极有可能会导致电网逐级解列，更有甚者还可能会引发区域性的大面积停电，形成重大电力事故，损失将难以估量。所以应该尽可能地预先采取措施来降低事故风险，做到防患于未然。其他事故引起的火灾也对配电系统产生挑战。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。另外，由于铝的电导率低，为了获得和铜电缆相当的导电能力，需要将电缆截面提高到约铜电缆的1.6倍。然而，目前城市电缆的通道无论是地上还是地下都受限，有限的通道资源铺设的电缆越来越多，越来越密，在此情况下如再用加大截面的铝合金电缆，几乎不可行，如强行使用会导致电缆间距越来越小，散热能力下降，通道或电缆沟温度越来越高，构成极为严重的安全隐患。现在已经出现很多由于电力基础设施的质量不过硬，会导致后期电网的运行和维护成本急剧增加的情况。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。当下智能电网建设中，这个教训应该吸取，避免不得不用铜电缆再替换铝电缆。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。在智能电网配电系统建设中，若只是出于投资成本的考虑而引入铝合金电缆，无论如何都不是一个明智的选择。提高系统的可靠性，应该从最基础的物理层做起。智能电网的一个目标是通过交易机制设计，提高电网的能效，增加其经济性，简单的说就是“消峰填谷”，从而实现促进电力经济性提高。这类经济性是以安全性和可靠为前提的。因为安全性和可靠性不过关，对经济性的追求将失去基础。在国际上我们也可以看到，在经济发达，对电力安全可靠性和电能质量要求高的国家，如日本，其配电系统很少使用铝质电缆;而经济相对落后，对供电连续性和电能质量要求低的国家，如印度，出于投资成本考虑才比较多的使用铝制电缆。未来中国社会经济水平还将快速提高，所以经济考量不应该成为当前电力基础设施建设的首要因素。总之，基于更宏观的考量可以发现，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综合社会效益，铜电缆无疑是最优的选择。智能电网的目标应该是安全，可靠，高效，低碳，经济。为了降低事故发生的风险，降低整个生命周期中的电缆成本，减少损耗，提高能效和供电质量，在智能电网建设中应该首选铜电缆而非铝合金电缆。附录铜电缆和铝合金电缆各种指标比较1.铝合金导体导电性不如铜也不如铝2.机械抗拉强度，铝合金比铝差30%3.铝合金最大允许牵引强度比铝差很多4，耐腐蚀性能，8000系列铝合金不如普铝GB/T19292.2-2003标准表1注4中说明：铝合金耐腐蚀性低于普铝更差于铜，这是因为铝合金电缆加入了镁、铜、锌、铁元素，因此易于发生局部腐蚀如应力腐蚀断裂、层蚀、晶间腐蚀，而且8000系列铝合金属于易腐蚀配方，铝合金电缆增加了热处理工序，易造成物理状态不均匀，比铝电缆更容易被腐蚀。5、断裂延伸率，铝合金不如铜，比铝稍好6.耐温性能，铝合金与铜比相差大铜的熔点为1080℃而铝和铝合金的熔点为660℃所以铜导体是耐火电缆更好的选择。虽然现在一些铝合金电缆厂家宣称可以生产耐火铝合金电缆并且通过了相关国家标准测试，但铝合金电缆与铝电缆此方面没有差别，如果处于火灾中心(以上)即温度高于铝合金和铝电缆熔点时，不论电缆采取何种隔热措施，电缆会在很短的时间内融化，丧失导电功能，因此铝和铝合金不宜用做耐火电缆导体，也不宜在人口密集的城市配电网中使用。7.铝合金热膨胀系数远高于铜，AA8030铝合金甚至高于普铝铝合金没有解决铝氧化问题铝合金或铝暴露在大气中会迅速形成一种坚硬、粘结力强但易碎，大约10nm厚度的薄膜，具有较高的电阻率，它的硬度和粘结力使它难以形成导电触点，这是铝和铝合金安装前必须剔除表面氧化层的原因。铜表面也会氧化，但氧化层柔软并且在承受力时容易破碎成为了半导体，形成了金属-金属类接触。9.铝合金电缆在应力松弛和抗蠕变性方面有改善但远不及铜在普铝中加入特定的元素，可以改善普铝的蠕变性能，但其提高的程度相对普铝也非常有限，与铜相比尚有巨大差距。如果没有成熟工艺严格控制，铝合金电缆改善蠕变性能方面也是无法保证的。10.铝合金电缆没有解决铝的连接可靠性问题