在家用光伏系統中,為了降低電量損耗,保障人們生命財產安全,延長系統壽命,建議采用銅電纜。
鋁線比銅線容易起火
在電氣線路中,鋁線起火的危險要遠大于銅線。其實,鋁線的起火不在鋁線自身而是在于鋁線的連接。與銅線相比,鋁線連接起火危險大的原因有以下幾點:
1)銅鋁接頭易出現電化學腐蝕
光伏組件,逆變器和并網開關之間要用電纜連接,而組件MC4接頭,光伏逆變器輸出接線端子,并網開關的接線端子都是用銅芯做的,銅和鋁能直接連接,當需要連接時,要采用銅鋁過渡線夾,銅鋁過渡接頭再連接。但目前的銅鋁接線頭,一般都是大功率的,而家用分布式光伏一般都是2-30KW之間,采用2.5-10mm銅線,市面上這種銅鋁接線頭非常少。實際上使用鋁線的安裝商,都是想省成本的,根本不會去用銅鋁接頭。
銅鋁直接連接,就會形成了一種化學電池,這是由于鋁易于失去電子成為負極,銅難以失去電子成為正極,于是在正負極之間就形成了一個1.69V的電動勢,并有一個很小的電流通過,腐蝕鋁線,即電化學腐蝕。這樣就會引起銅鋁之間接觸不良,接觸電阻增大。當有電流通過時,將使接頭部位溫度升高,而溫度升高且更加速了接頭腐蝕,增加了接觸電阻,造成惡性循環,直至燒毀。
2)鋁線表面易在空氣中氧化。
凡導體表面都或多或少地存在膜電阻。若膜電阻引起連接處過熱,過熱又使膜電阻增大,導電情況就越惡化,而鋁線連接中這類過熱的情況尤為嚴重。這是因為鋁線表面即使刮擦光潔,它只需在空氣中暴露數秒鐘即可被氧化而立即形成一層氧化鋁薄膜。其厚度雖只幾個微米,但卻具有很高的電阻率,從而呈現較大的膜電阻。因此在鋁線施工連接時,應在刮擦干凈鋁線表面后立即涂以導電膏,以隔斷鋁線連接表面與空氣的接觸,不然將增大接觸電阻。
3)易被氯化氫腐蝕。
對于PVC絕緣的鋁芯電線、電纜,還可能出現另一個問題。為阻止PVC絕緣分解出氯化氫氣體,PVC絕緣內添加有阻止分解氯化氫的穩定劑。但當線路溫度超過75℃時,例如發生線路過載或因其他原因而使連接處溫度過高時,穩定劑就不再能阻止氯化氫的形成,而氯化氫是要腐蝕鋁的,這同樣也將增大接觸電阻和起火危險。
4)高膨脹系數。
鋁的膨脹系數高達23×10-6/℃,比銅大39%,比鐵大97%。當鋁線與這兩種金屬導體連接并通過電流時,連接點因存在接觸電阻而發熱。這三種導體都膨脹,但鋁比銅、鐵膨脹更多,從而使鋁線受擠壓。線路斷電冷卻后鋁線稍許壓扁而不能完全恢復原狀,這樣就在連接處出現空隙而松動,并因進入空氣而形成氧化鋁薄膜,這樣就使接觸電阻增大。下次通電時發熱將更劇,使情況更為惡化,嚴重時可能因產生異常高溫或進發電火花而引燃起火。為此大截面積的鋁導體與銅、鐵導體連接時應配置過渡接頭。小截面積(不大于6mm2)鋁線的連接則應采用彈簧壓接帽,這樣無論連接處是否通電,有無發熱,連接接觸面都處于彈簧的壓力下而使空氣和潮氣無隙可入,從而保持連接的導電良好。
綜合性能銅比鋁更具優勢
導體性能上,銅具有絕對優勢。從導電性能方面看,鋁導體的導電率只有銅導體的60%左右,鋁合金導體要更差些。在抗氧化腐蝕能力方面,由于銅鋁元素有不同的原子結構,鋁的化學性能比銅要活潑得多,因此鋁導體的抗氧化腐蝕能力比銅導體要差得多,無論是純鋁還是鋁合金導體都一樣,因此其起火概率大約為銅導體的10倍左右。在抗電化腐蝕能力方面,鋁的電極電位比銅的要低得多,鋁導體因而很容易被電化腐蝕,特別是在鋁導體與銅導體或其它導體相接觸的情況下。從熱膨脹角度來看,鋁導體的線性膨脹系數遠大于銅導體,無論是純鋁還是鋁合金導體的熱膨脹系數基本是一樣的,這會導致熱脹冷縮后的接觸不良,甚至產生接觸不緊密、氧化發熱等事故,并且會惡性循環。從抗張強度和抗蠕變能力角度看,從極限抗張強度和屈服抗張強度來比較,銅導體最好,純鋁導體最差,鋁合金相比純鋁有較大的改進,但仍不及銅導體。綜合幾個方面的主要性能來看,無論是導電性能、機械性能還是耐腐蝕性能,均為銅優于鋁及鋁合金。
電力電纜的經濟選型主要考慮整個全生命周期(30)年投資和損耗費用之和最小的選項。在線路運行過程,30年的損耗所耗費的成本要遠遠高于初期投資建設的費用,在經濟效益上,鋁芯電纜具有優勢。但銅導體由于其導電率高、電阻小,平均損耗要低于鋁導體和鋁合金導體。
銅可以回收,當銅電纜不再使用后,銅仍然可以回收再生,還有利用價值,而鋁不能回收利用,當鋁電纜不再使用后,沒有任何價值。
逆變器的輸出防水接頭,其線徑也是按照銅線來設計的,如果采用鋁線,則需要大一型號的線。如30KW逆變器,設計輸出使用10平方的銅線,用鋁線則需要16平方,線纜面積增加,而防水接線端子面積有限,有可能容不下。
鋁線比銅線容易起火
在電氣線路中,鋁線起火的危險要遠大于銅線。其實,鋁線的起火不在鋁線自身而是在于鋁線的連接。與銅線相比,鋁線連接起火危險大的原因有以下幾點:
1)銅鋁接頭易出現電化學腐蝕
光伏組件,逆變器和并網開關之間要用電纜連接,而組件MC4接頭,光伏逆變器輸出接線端子,并網開關的接線端子都是用銅芯做的,銅和鋁能直接連接,當需要連接時,要采用銅鋁過渡線夾,銅鋁過渡接頭再連接。但目前的銅鋁接線頭,一般都是大功率的,而家用分布式光伏一般都是2-30KW之間,采用2.5-10mm銅線,市面上這種銅鋁接線頭非常少。實際上使用鋁線的安裝商,都是想省成本的,根本不會去用銅鋁接頭。
銅鋁直接連接,就會形成了一種化學電池,這是由于鋁易于失去電子成為負極,銅難以失去電子成為正極,于是在正負極之間就形成了一個1.69V的電動勢,并有一個很小的電流通過,腐蝕鋁線,即電化學腐蝕。這樣就會引起銅鋁之間接觸不良,接觸電阻增大。當有電流通過時,將使接頭部位溫度升高,而溫度升高且更加速了接頭腐蝕,增加了接觸電阻,造成惡性循環,直至燒毀。
2)鋁線表面易在空氣中氧化。
凡導體表面都或多或少地存在膜電阻。若膜電阻引起連接處過熱,過熱又使膜電阻增大,導電情況就越惡化,而鋁線連接中這類過熱的情況尤為嚴重。這是因為鋁線表面即使刮擦光潔,它只需在空氣中暴露數秒鐘即可被氧化而立即形成一層氧化鋁薄膜。其厚度雖只幾個微米,但卻具有很高的電阻率,從而呈現較大的膜電阻。因此在鋁線施工連接時,應在刮擦干凈鋁線表面后立即涂以導電膏,以隔斷鋁線連接表面與空氣的接觸,不然將增大接觸電阻。
3)易被氯化氫腐蝕。
對于PVC絕緣的鋁芯電線、電纜,還可能出現另一個問題。為阻止PVC絕緣分解出氯化氫氣體,PVC絕緣內添加有阻止分解氯化氫的穩定劑。但當線路溫度超過75℃時,例如發生線路過載或因其他原因而使連接處溫度過高時,穩定劑就不再能阻止氯化氫的形成,而氯化氫是要腐蝕鋁的,這同樣也將增大接觸電阻和起火危險。
4)高膨脹系數。
鋁的膨脹系數高達23×10-6/℃,比銅大39%,比鐵大97%。當鋁線與這兩種金屬導體連接并通過電流時,連接點因存在接觸電阻而發熱。這三種導體都膨脹,但鋁比銅、鐵膨脹更多,從而使鋁線受擠壓。線路斷電冷卻后鋁線稍許壓扁而不能完全恢復原狀,這樣就在連接處出現空隙而松動,并因進入空氣而形成氧化鋁薄膜,這樣就使接觸電阻增大。下次通電時發熱將更劇,使情況更為惡化,嚴重時可能因產生異常高溫或進發電火花而引燃起火。為此大截面積的鋁導體與銅、鐵導體連接時應配置過渡接頭。小截面積(不大于6mm2)鋁線的連接則應采用彈簧壓接帽,這樣無論連接處是否通電,有無發熱,連接接觸面都處于彈簧的壓力下而使空氣和潮氣無隙可入,從而保持連接的導電良好。
綜合性能銅比鋁更具優勢
導體性能上,銅具有絕對優勢。從導電性能方面看,鋁導體的導電率只有銅導體的60%左右,鋁合金導體要更差些。在抗氧化腐蝕能力方面,由于銅鋁元素有不同的原子結構,鋁的化學性能比銅要活潑得多,因此鋁導體的抗氧化腐蝕能力比銅導體要差得多,無論是純鋁還是鋁合金導體都一樣,因此其起火概率大約為銅導體的10倍左右。在抗電化腐蝕能力方面,鋁的電極電位比銅的要低得多,鋁導體因而很容易被電化腐蝕,特別是在鋁導體與銅導體或其它導體相接觸的情況下。從熱膨脹角度來看,鋁導體的線性膨脹系數遠大于銅導體,無論是純鋁還是鋁合金導體的熱膨脹系數基本是一樣的,這會導致熱脹冷縮后的接觸不良,甚至產生接觸不緊密、氧化發熱等事故,并且會惡性循環。從抗張強度和抗蠕變能力角度看,從極限抗張強度和屈服抗張強度來比較,銅導體最好,純鋁導體最差,鋁合金相比純鋁有較大的改進,但仍不及銅導體。綜合幾個方面的主要性能來看,無論是導電性能、機械性能還是耐腐蝕性能,均為銅優于鋁及鋁合金。
電力電纜的經濟選型主要考慮整個全生命周期(30)年投資和損耗費用之和最小的選項。在線路運行過程,30年的損耗所耗費的成本要遠遠高于初期投資建設的費用,在經濟效益上,鋁芯電纜具有優勢。但銅導體由于其導電率高、電阻小,平均損耗要低于鋁導體和鋁合金導體。
銅可以回收,當銅電纜不再使用后,銅仍然可以回收再生,還有利用價值,而鋁不能回收利用,當鋁電纜不再使用后,沒有任何價值。
逆變器的輸出防水接頭,其線徑也是按照銅線來設計的,如果采用鋁線,則需要大一型號的線。如30KW逆變器,設計輸出使用10平方的銅線,用鋁線則需要16平方,線纜面積增加,而防水接線端子面積有限,有可能容不下。