解析鋁合金電纜在住宅配電系統(tǒng)中的不適用性

解析鋁合金電纜在住宅配電系統(tǒng)中的不適用性摘要加拿大鋁合金線纜于上世紀70年代在北美推出時，曾進行過連接可靠性測試。本文再現(xiàn)了相關(guān)測試結(jié)果，并進行了分析。關(guān)鍵詞鋁合金電纜住宅不適用0引言大約在上世紀70年代初，鋁合金電纜在北美地區(qū)被研發(fā)出來，目的是為改善鋁線連接不良的問題⑴尋求解決方案。據(jù)說當(dāng)時鋁合金電纜通過了產(chǎn)品合格測試，其連接效果大致相當(dāng)于銅線。值得注意的是，當(dāng)時還進行了其他測試，如針對用轉(zhuǎn)矩扳手安裝的鋁合金線的連接效果的研究⑵持續(xù)了一年，測試結(jié)果表明，加拿大鋁合金線連接的接觸電阻顯著增大，和參加測試的其它鋁線相比，連接效果并無改善。目前在我國出現(xiàn)的鋁合金電纜雖然截面不同于該測試所使用的線纜，但所采用的導(dǎo)體材料并無差異。長期使用這類鋁合金電纜，其連接的穩(wěn)定性和安全性非常值得懷疑。從2009年開始，鋁合金電纜在中國市場得到推廣。電氣工程師和業(yè)主往往僅能從廠商的推廣材料中認識該產(chǎn)品的一些特性，而未能了解該類產(chǎn)品的局限性。究其原因，一方面由于該類產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用還不是太多，另一方面國內(nèi)設(shè)計師也少有機會和資源去了解國外的信息。筆者認為，廣泛獲取信息、客觀認識產(chǎn)品，對指導(dǎo)設(shè)計是必要的。下面講述加拿大鋁合金線纜在北美推出時進行的的連接可靠性測試的結(jié)果及分析。1試驗導(dǎo)線和連接方法被測試的導(dǎo)線包括加拿大鋁合金導(dǎo)線和其它電氣用鋁線和鋁合金導(dǎo)線，試驗分組進行。加拿大鋁合金導(dǎo)線為Al-0.77%_Fe-0.15%_Mg鋁合金導(dǎo)線⑶，共2組。這是當(dāng)時在加拿大有所應(yīng)用的鋁合金導(dǎo)線。試驗采用的鋁合金線標稱電流約為15A。連接按照連接器制造商的說明書操作。按規(guī)定的長度削離了絕緣外皮，裸導(dǎo)線絞接后緊固地塞入連接器內(nèi)。裸導(dǎo)線表面未被刮傷，也未對其施加防腐劑。在正常使用條件下，旋接連接器比產(chǎn)品合格測試中所用的螺栓壓接更易出現(xiàn)連接故障，因此在試驗中采用了旋接連接器進行連接。連接安裝用的是轉(zhuǎn)矩扳手。兩導(dǎo)線絞接時施加的力矩為0.4Nm（3.5英寸、磅），這一力矩值接近用人手作用于連接器和導(dǎo)線的最大值⑷。導(dǎo)線上的諸連接點串聯(lián)布置，每段導(dǎo)線長152mm（6英寸），線段間用旋接連接器進行連接。除上述導(dǎo)線的末端需削離一小段絕緣外，還需在每段導(dǎo)線上再削離一小段絕緣以便測定每一連接點上的電壓降。2試驗的電氣條件和環(huán)境條件除為測定電壓外，導(dǎo)線上并不流過電流。在作試驗的那一年里共進行了24次測定。測試電流為13.5A，回路所帶負載為電阻性的，由一115V交流電源供電。每組試驗歷時約10min。在作試驗的一年里，連接點24次通過13.5A電流（此電流為回路額定電流15A的90%）并持續(xù)10min。試驗將加拿大鋁合金導(dǎo)線中的一組放置在“正常的環(huán)境條件”內(nèi)，其溫度和相對濕度隨戶外環(huán)境條件變化。這種環(huán)境條件的典型代表為嵌裝在建筑外墻內(nèi)的導(dǎo)線接線盒。將另一組置于一恒定溫度為35°C、相對濕度為75%的環(huán)境內(nèi)。這兩個環(huán)境條件都屬住宅布線的實際環(huán)境條件。表1所示為各試驗組別的試驗環(huán)境條件。表1試驗組別及環(huán)境條件試驗組別鋁導(dǎo)線類型、規(guī)格格試驗環(huán)境條件1加拿大鋁合金線（6號線，13..3mm2）恒定2加拿大鋁合金線（6號線，13..3mm2）正常環(huán)境3EC電線，加拿大產(chǎn)（4號線鋁線，221.1mmm2）恒定4鋁合金線，美國產(chǎn)產(chǎn)（3號線鋁線，226.7mmm2）恒定3試驗結(jié)果及分析試驗結(jié)果表明鋁合金線的連接電阻比初始連接電阻大一個等級⑵，比使用表面干凈的鋁線采用同樣連接器時的電阻大兩個等級。在恒定的75%相對濕度和35°C溫度環(huán)境條件下，加拿大鋁合金導(dǎo)線和與其它鋁線和鋁合金線在連接性能上基本沒有差別。這三個試驗組別的電壓降都增大了。在一年內(nèi)，這三組都約有1／3的連接點發(fā)生了故障（見表2）。表2試驗結(jié)果：連接點電壓降測得值組別號時間周期/月無故障連接點有故障連接點數(shù)量電壓降./mV數(shù)量電壓降./mVV平均值偏差值最小值最大值平均值最小值最大值1新36121717141222.627.127.626.32.15.45.85.518.718.819.218.325.938.138.237.40035--59.8133.--43.446.6--73.9345.2新36121717171622.222.93.93.92.22.83.93.918.919.419.518.928.531.237.233.00001------218.---3新36122019161321.525.626.526.32.15.15.55.918.719.418.818.226.338.935.037.50147-61.0100.-40.246.944.6-78.32704新36122018141323.228.428.628.31.74.94.44.020.020.121.720.225.938.235.938.00267-41.252.6105.-40.642.641.3-40.775.5308.在正常環(huán)境條件下試驗的那一組加拿大鋁合金導(dǎo)線，其連接電阻也漸漸增大。13.5A的電流通過連接點時發(fā)熱率為3W。在沒有發(fā)生故障的連接點，平均電壓降值有增大的趨勢。表3所示為幾個有代表性的連接點電壓降值，可以看出電壓降和連接電阻增大的趨勢。表3有代表性的幾個連接點在3個時間段內(nèi)的電壓降連接點電壓降/mV新安裝6個月后12個月后1-61-162-202-16262529247462372534515221828需補充說明，表3中的組1、組2的A1-Fe-Mg合金導(dǎo)線各有3個連接點是用不絕緣的接地線來與NM型電纜相連接（接地線采用美規(guī)12號鋁線），6個連接點中有5個發(fā)生了故障（其中包括接地線的連接點）。最大的電壓降值達429mV（電流為13.5A時發(fā)熱值約6W）。這6個連接點并未納入表2的故障統(tǒng)計，因為與接地線連接的測試結(jié)果非常特殊。過去曾有過針對銅線的試驗，采用通常的扭絞連接器，與本文中的組別1、3、4相同，其環(huán)境條件恒定不變。相同條件下鋁線的連接發(fā)生了故障，而銅線的連接則電壓降小，供電可靠，工作情況穩(wěn)定⑸⑹。4分析與結(jié)論a.在上世紀70年代的該試驗中，加拿大鋁合金導(dǎo)線在恒定環(huán)境條件下試驗所得的故障數(shù)據(jù)說明其連接性能不良，和同樣做試驗的其它合金導(dǎo)線及電氣用鋁導(dǎo)線基本沒有差別。試驗條件與實際應(yīng)用中遇到的環(huán)境條件相比，是并不是嚴酷，但試驗中連接電阻仍然增大了。在正常環(huán)境試驗條件下發(fā)生了連接故障，說明在實際應(yīng)用中其連接效果也是不良的。b.加拿大鋁合金線纜和其專用的連接器的本次試驗結(jié)果表明，其初始接觸電阻高，即便在溫和條件下，連接電阻隨時間推移也顯著增大，在線路標稱電流以內(nèi)發(fā)生的嚴重故障導(dǎo)致急劇升溫。其電氣性能并不能令人滿意。它說明早先“產(chǎn)品合格測試”中熱循環(huán)試驗測得的結(jié)果不足以證明該產(chǎn)品可以防止連接故障和消除連接不良隱患。c.認證加拿大鋁合金線纜所采用的“產(chǎn)品合格測試”的缺陷之一是，試驗中沒有環(huán)境測試或試驗樣本的環(huán)境條件。扭絞連接器因受腐蝕而發(fā)生故障，而現(xiàn)有的“產(chǎn)品合格測試”中的熱循環(huán)試驗實際上已清除了導(dǎo)線表面的潮氣（熱循環(huán)試驗是在實驗室內(nèi)一般環(huán)境條件下進行的；重工作制下的大電流通過導(dǎo)線時，連接點受熱升溫，從而驅(qū)除了導(dǎo)線表面的潮氣，而潮氣則是連接點被腐蝕劣化的一個重要因素）。“產(chǎn)品合格測試”是依照相關(guān)產(chǎn)品標準對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢測。通過測試的產(chǎn)品被準許銷售。該測試不充分考慮產(chǎn)品可能的應(yīng)用環(huán)境，也不進行最易發(fā)生連接故障的工作條件下的試驗。因此，這并不是一個滿足用戶電氣安全要求的測試。形象地說，這就如同純鋁電纜的生產(chǎn)有標準可循，但是通過測試的鋁電纜并不保證在各種工作條件下的安全性。設(shè)計者和用戶需要針對工程的實際情況進行產(chǎn)品選擇材，以保證安全性和適用性。在我國，住宅建筑居住人員密集，對于人身安全、人民財產(chǎn)及正常生活的保障顯得格外重要。同時，我國住宅建筑沒有滿足上述保障要求的專業(yè)電氣檢查和維護機制；對于住宅建筑的配電線路及其連接的可靠性和安全性難以檢查到位。針對我國國情而言，鋁合金電纜的應(yīng)用并不適用于住宅等民用建筑領(lǐng)域。地產(chǎn)商對于成本和利潤非常敏感，一旦采用鋁合金電纜，實際上將為用戶的遠期使用埋下了安全隱患。另外，鋁合金電纜更節(jié)能的說法是一種不科學(xué)的誤導(dǎo)，因為節(jié)能減排的測算應(yīng)該在產(chǎn)品壽命周期范疇內(nèi)進行。對此，工程設(shè)計人員的專業(yè)研究和政府的規(guī)范管理應(yīng)該發(fā)揮積極、有效的作用，本著尊重科學(xué)的原則，切勿讓用戶陷入所謂“經(jīng)濟、可靠、發(fā)達國家普及產(chǎn)品”的誤區(qū)。參考資料：R.Newman,“Hazardanalysisofaluminumwiring”,U.S.ConsumerProductSafetyComm.NIIC-060@75-HO06,Apr.1975。IEEETransacfionsonComponents.EvaluationofanAluminumConductorMaterialforBranchCircuitApplications.JesseAronsteinandW.E.Campbell.M.Braunovic,“Researchonaluminumwireconnections,”Canad.Elect.Assoc.,Rep.CEARP78-90,June1983.J.Aronstein,“Twist-onelectricalwiresplices:Installationfactors,visualappearance,andresidualtorque,”Wright-MaltaCorp.,BallstonSpa,NY,Mar.29,1983.J.