比较铜芯电缆导线和铝芯电缆导线的使用寿命

北极星输配电网讯:摘要

本文陈述了三项研究的结果。第一项研究关注铜和铝的技术资料，随后关注实际过程中选择导线材质的决策模型。第二项研究关注两种导线材料在生命周期评估中的环境性能。分析发现铜芯电缆环境净影响低于铝芯电缆。第三项研究进行了一次完整的生命周期成本分析，据分析结果总结，尽管两种材料在原料价格上差异显著，但从生命周期视角来看，可视为两者为等效的解决方案。

关键词

铜;铝;导线;电缆;材料属性;建模;生命周期评估;生命周期成本分析;资产管理;生命周期结束

简介

电缆导线通常由铜或铝制成。最初铜是唯一使用的导线材料，随后铝作为一种新型导线材料引入。铜和铝在属性和原料价格上均存在差异。如今，明显更低的原料价格在公用事业公司采购策略中起到尤为重要的作用。另一方面，众所周知，必须从长期角度预计初始成本，从而可靠地显示最终性价比。

本文最初关注选择设施导线材料时的公用事业公司决策模型。哪些材料属性非常重要?据预计，对初始较高原料成本是否有补偿措施?然后将采用适当的生命周期评估(LCA)方法，汇集通过在市场上以可再生材料转换取代一次性原料的材料生产、回收方面的环境影响和得分。最后将添加生命周期成本分析(LCCA)。本文将对电缆整个生命周期的所有成本进行考虑，包括初始资本性支出(CAPEX)成本、运行维护(O&M)成本、电损耗成本和停止使用后的剩余价值。

因此，本文所述三项研究有助于形成关于电缆用高效导线材料的全貌，从而得出结论：投资决策应考虑整个生命周期的所有相关成本，而非仅关注初始成本。

铜和铝的典型属性

铜和铝在属性方面存在差异。主要差异为比电导率和比重。由于铝密度约为铜密度的三分之一，因此同等电导量情况下，铝制导线材料的重量约为铜制导线材料的一半，而横截面根据……因素增长。

1.6.表1为铜和铝差异的简要概述，其相对比例设铜比值=100：

表1：材料属性

1) 铜耐大多数有机化合物

2) 铝腐蚀可能极快

在关注失效机制【1】时，铜和铝的主要区别在于与铜相反，铝与水和氧气的反应非常迅速【3】【4】【5】。氧化铝绝缘层在降低绞合导线趋肤效应方面是一大优势，但在接头连接件方面是一大劣势。

决策模型

一份国际性调查问卷询问了公用事业公司选择铜或铝作为电缆导线材料的动机。因此，在表2中，要求就列表标准打分(1-5分)：

表2：调查问卷

虽然此调查问卷收集了低压和中压电缆网络的资料，我们仅于本文中发布中压电缆调查结果，因为低压电缆方面两者似乎不存在重大差异。表3括号中得分按从高分到低分排列：

表3：问卷调查结果

对铜制导线，下列项得分最高：

• 机械性能

• 配件功能良好

• 半径尺寸

对铝制导线，下列项较为重要：

• 价格

• 公司标准

• 与现有电缆网络的兼容性

据预计，铜和铝的最低得分项分别为重量和半径。

在本次调查中，环境方面因素似乎得分不高，可能是因为在相同额定电流下比较铜和铝时，损耗方面差异极小，两种导线可视为在电学上等效。

虽然价格明显地对选择过程具有强烈影响，但某些技术方面的因素也起到一定作用。对铜制导线而言，其影响因素多为技术因素(机械性能、连接件、半径)，而对铝制导线而言，其关注点似乎更倾向于组织性质。

各金属，以模拟规避负载。

生命周期影响随后被解释为环境影响，在分析的生命周期影响评估(LCIA)步骤的环境影响类别中(如全球变暖潜势和富营养化)体现。

生命周期影响评估结果

上述软件模型可就各种环境影响类别进行计算。影响类别描述了生产过程对环境造成的潜在影响。由于对各类别的不同资源和排放量进行了总计，其影响标准化为比排放量，以“当量”等式报告，如温室气体排放量在报告中为“千克CO2当量”。

以“基本”材料和能量流为基础计算环境影响类别。基本材料和能量流描述了作为生产预制产品和发电的基础的环境资源的来源，以及由于生产系统造成的其向环境中的排放。

目前已选择了一套与项目目标高度相关的影响评估类别【9】。

选择全球变暖潜势和一次能源的原因在于其与气候变化、能源效率和资源效率相关。上述影响类别对公众和机构利益影响极大，应视为我们这个时代最为迫切的环境问题的代表。此外，由于普通铜矿石中含有硫，导致其与酸化潜势相关，从而本文还包括了酸化潜势。

应该注意的是，上述影响类别体现了影响潜值。这就意味着其为排出的分子满足下列要求时的环境影响近似值：

(a)实际与潜在影响途径相符，

(b)在承受环境中满足某些条件。

因此，生命周期影响评估结果仅为相关表述，并未预测实际影响、超出阀值、安全裕度或风险。

中压电缆

表4：1m中压电缆酸化潜势

表5：1m中压电缆全球变暖潜势

表6：1m中压(MV)电缆的一次能源需求(净热量值，以MJ计)

上述表格详细标明了用于管道、隧道或埋于城市密集区的变形铜芯和铝芯中压(MV)动力电缆对环境的影响。生命周期环境影响可分为制造阶段和产品寿命结束阶段影响。“制造”阶段是指与从厂内(从料场领取原材料)到出厂(线缆成品)整个生产流程链(包括与输入排放相关的供应链)相关的所有环境影响。产品寿命结束(EoL)阶段影响与电缆回收有关。此阶段包括产品“环境信用”(用于说明塑料焚烧产生能量多少)和初级原料生产(可通过从电缆中回收材料从而规避初级原料生产)。

隧道或管道与城市区域电缆应用唯一区别在于生命周期中的产品寿命结束阶段，因为从城市密集区域挖掘并回收同类电缆的过程要难于从隧道或管道中挖掘和回收电缆。因此，埋于城市区域的电缆产品生命结束回收率更低，在回收过程中环境信用也更低。

详述

在此调查中，针对环境影响类别的检查显示铜芯电缆生命周期影响低于铝芯电缆。这主要是因为铜芯电缆在产品使用寿命期末可最大限度地回收。市场上的铜残值相对更高，从而极大驱动废弃电缆的回收。因经过回收的铜重新进入市场，其环境信用增加。

与铜芯电缆相比，铝芯电缆回收度更低，由此，如果电缆在废弃后，仍留于地下，那么大部分理论上的完全回收都将不存在。因此市场数据显示，在铝的产品寿命期末，其环境信用较低。

生命周期成本分析

通常电力电缆可使用35年至50年以上。然而，电缆投资决策主要基于投资成本作出，而投资成本忽略了在电缆使用寿命中内可能含有成本节约。电缆总体拥有成本(以下称“生命周期成本”)不仅应考虑电缆初始成本，也应考虑电缆使用期的运营和维护成本。因此，总体生命周期成本应将电缆使用期限内的资本支出(CAPEX)和运营成本(OPEX)计算在内。只有这样，才有可能

在如铜，铝等材料中选择更为经济的导电材料。此项研究即为生命周期成本分析(LCCA)。当有众多备选方案时，通过此分析，可得出成本更低的项目方案。在计算生命周期内成本时，其一般支出包括采购成本、运营和维护成本、剩余价值、亏损和处理成本。此类成本应按现值贴现并合计，所指现值即净现值(NPV)。净现值(NPV)是公认度量值，可精确加和所有成本的贴现现金流【10】。

已建立模型，从而对不同电缆进行生命周期成本分析(LCCA)。为更好比较，分析了三种铜和三种铝导电电缆以便得出它们成本的差异性。选用20kV、110kV和400kV的铜芯和铝芯电缆。为便于比较，采用相同传输容量的电缆。因为不同导体材料的导电率不同，此研究选用导体材料的不同截面。相似导体，所选标准等效截面已列于表7：

表7：电缆截面

研究中使用的数据

由于竞争原因，能提供的电力行业资产可靠成本数据不多。也因此，研究中制造商提供的产品价格并不可靠，制造商为使价格更具竞争力，其产品实际价格可能更低。DNVGL集团已经建立了成本数据库，此数据库收集存储了过去十年的成本数据。此数据库更新频率很高，并经常有行业内人士核对，所以其提供的电力行业全部资产的成本数据较可靠。因此，通过其可得出可靠的成本和投资计算，较好预估动力电缆使用期限内的成本。

研究中，分析了欧洲DSO项目故障数据，以查看导体材料对故障的影响，过去几年间收集的数据包含电缆导体材料以及故障原因。这些数据给出了导体材料对故障的影响。

研究中考量成本

安装成本

安装方式成本与环境和电缆构造有关：土壤类型，电缆沟深度、宽度和盖板，跨障挂钩，城市化程度。大多数情况下，需用专用回填材料以保证必要的温升。

除土壤方面，可使用不同方法铺设地下电缆。城市区域，附有其他基础设施的挂钩更多，铺设需求也更多，导致成本相对较高。隧道或管道也可能导致成本升高，但未纳入此分析中。也应考虑许可证和劳力。安装方法与导体种类无关，因此估计不同导体材料的安装成本相同。

运营与维护成本

运营与维护地下电缆可以采用不同的方法，且主要取决于系统操作员采用的办法。系统操作员间不同的运营与维护策略与导体材料无关。大多输电运营商与配电网运营公司的输电网中都有铜制与铝制电缆，但没有区别电缆之间运营与维护的策略。虽然实际上，因为导体材料不同的特性而存在差异，但铜制与铝制间运行与维护的成本认为是均等的。

电力损耗成本

因为导体类型间截面的不同，作比较的电缆带有几乎均等的电阻，因而具有几乎均等的电力损耗。

剩余价值与治理成本

若电缆不再运营，则该电缆就具有剩余价值。剩余价值主要取决于导体材料，因而铜的剩余价值是高于铝的。因为铝与钢的价格是随着时间变化而变化的，所以很难预测50多年后的价格。然而，若取当今商品价格作为最好的近似值，遥远未来的现金流的净现值对当前经济影响很小，因而全寿命经济分析法没有考虑这一点。

结果

该模式计算了所有成本的净现值且比较了电缆的总成本。作为通用输入，所用参数见表8。

表8已选参数

人们发现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最低的生命周期成本。对于铜制导体与铝制导体间700%的采购成本差别来说，这种减少是显著的。

每个作比较的截面生命周期总成本(以欧元制)下表可见。表920kv与110kv的铜制与铝制导体材料作比较。成本差别相对较低。

表9：20kV与110kV的铜与铝生命周期成本比较

表10中，铜制与铝制电缆的生命周期成本以400kv作比较。截面1000mm2与1600mm2，1200mm2与2000mm2作比较。400kv的电缆间的差异以下可见。

表10:400kv的铜与铝间生命周期成本比较

此次分析的主要结果为材料铜与铝间巨大的采购价格差异仅是地下电缆生命周期内总成本的一部分。在电缆生命周期内，电缆本身的价格仅占总成本的很小部分。很多时候是根据短期成本做决定，长期影响是不考虑在内的。该研究对有关地下电缆的总成本有了更多认识。结果为铜制电缆与铝制电缆间的成本差别是微乎及微的。因此，其他因素而不是成本可能主要决定选铜还是铝。

结论

该论文包含三个用于电缆的铜与铝间的比较研究。尽管在初始成本上存在差别，但这些研究清楚地证明了铜的优势。然而，导体与电缆的初始成本仅代表生命周期总成本的极小部分(几个百分比)。

因此，为从铜作为一种导体材料的技术优势中最大收益，推荐可持续输配电系统采用生命周期思维，认识到总成本与电缆系统的风险。

安装和运营维修成本中存在有限的不确定性。输配电设备能利用丰富的适合于其独特情况与具体操作的内部数据进行计算。

该生命周期评估研究发现了一些因为经济与物流原因造成的电缆在生命周期结束时不够回收利用的迹象。从环境管理的角度，输配电设备宜更多考虑电缆生命周期结束时恢复更容易的安装实践。

参考文献

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