特高壓輸電線路連接金具的高強度材料選型

宋鐵創 李俊輝 張力方 張躍

摘 要：該文通過對現有連接金具材料以及特高壓輸電工程連接金具發展趨勢的分析，提出了特高壓輸電工程線路連接金具的材料選型需滿足高強度化、防腐性能好、低溫性能優良、經濟性好等要求，通過對比分析及試驗驗證提出幾種高強度連接金具材料，以期滿足特高壓輸電線路工程連接金具的輕型化要求，從而降低施工難度，節省成本，提高線路建設水平，為特高壓輸電線路高強度材料的連接金具選型提供參考。

關鍵詞：特高壓；連接金具；高強度材料；選型

中圖分類號：TM72 文獻標志碼：A

0 引言

輸電線路連接金具又稱掛線零件，用于絕緣子連接成串及金具與金具的連接，在輸電線路中能夠承載較大的機械載荷。雖然連接金具結構簡單，但是由于直接應用在架空輸電線路中，擔負著安全送電的重大使命。連接金具材料的選型在很大程度上影響到特高壓輸電工程建造的難易程度和成本造價，開展對特高壓輸電線路連接金具材料的選型有重要意義。

1 連接金具材料現狀

根據連接金具的使用條件和結構特點，連接金具可分為三大系列：球-窩系列連接金具、環-鏈系列連接金具、板-板系列連接金具。球-窩系列連接金具包括各種球頭掛環、碗頭掛板等，球頭掛環選用材料是碳素結構鋼（Q235A、35、40等），碗頭掛板選用的材料為可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵（KTH330-08、QT500-7）等。環-鏈系列連接金具包括U形掛環、直角環、延長環及U形螺絲等，“U”形掛環、延長環等選用碳素結構鋼（35）。板-板系列連接金具主要包括平行掛板、聯板、牽引板、調整板等，選用的材料多為碳素結構鋼（Q235）隨著輸電電壓提高及大截面導線的運用，一些線路中選用的材料有35、Q420、Q345R等。

2 連接金具高強度材料的選擇

近幾年來，隨著我國交直流特高壓建設的迅速發展，特高壓輸電工程容量不斷攀升，輸電導線截面也越來越大，大跨越的距離也呈不斷擴大的趨勢，在某些線路通過的區域有著典型的氣象狀況，對連接金具的抗拉強度、低溫性能等要求也越來越高。特高壓輸電線路連接金具材料選擇時需滿足下列條件：1）力學性能：抗拉強度高、延伸率高、斷面收縮率小、沖擊韌性好、硬度適當和耐磨性好等。2）低溫性能：低溫下的抗拉強度不能下降過大，不能發生脆性斷裂。3）表面防腐性能：應能夠熱浸鍍鋅防腐處理。4）經濟性能： 易采購，價格適當。

2.1 連接金具高強材料力學性能分析

連接金具材料的力學性能需考慮以下幾個方面：抗拉強度、屈服強度、斷面伸長率、斷面收縮率、沖擊功以及硬度等。選取常用連接金具材料力學性能進行比較分析，見表1。

表1可以看出常用材料的抗拉強度均偏小，通過查閱《機械設計手冊》及《特高壓輸電線路金具通用技術規范》等資料，特高壓輸電線路連接金具需選取一些常溫狀態下抗拉強度大于650 MPa的結構鋼，碳素結構鋼中牌號75、80、85的常溫抗拉強度值較高，但其退火狀態下的布氏硬度較大，不適合鍛造和機械加工，合金結構鋼中20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr的常溫抗拉強度能夠達到980 MPa，布氏硬度適中，可作為鍛造的材料，低合金高強度結構鋼中Q690的抗拉強度較高，機械加工性能也較好，可作為板類材料的選擇。

2.2 低溫性能分析

在我國的東北和新疆等地，冬天溫度可能達到-40℃以下，隨著溫度的下降，鋼的強度、硬度提高，塑性、韌性降低。連接金具所采用的高強材料應避免采用冷脆性材料，在低溫下不發生冷脆現象。

脆性轉變溫度是衡量材料脆性轉變傾向的重要指標，決定了材料低溫韌性的好壞，直接影響材料的應用范圍。脆性轉變溫度的高低通常是受化學成分、微觀組織、軋制工藝的綜合影響。Mn元素可以幫助提高韌性，隨著Mn元素質量比例的增加，脆性轉變溫度將降低；Si、S、P等元素易偏聚于晶界，降低晶界表面能產生沿晶斷裂，同時降低脆斷應力。

20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr、Q690的材料化學成分見表2。

表2可看出所列材料中均具有較高的Mn元素含量，能夠提高材料韌性，降低脆性轉變溫度，具有較好的低溫性能。

2.3 表面防腐性能分析

線路金具常年在戶外運行，受雨雪風霜等自然環境的影響，表面極易產生腐蝕，腐蝕速度一般較快，且位于高空不便維護。如果不進行有效地防護，金具會在短期內腐蝕失效，造成電網運行故障。鋼鐵材料的表面熱浸鍍鋅處理工藝是一種簡單有效的表面防護措施，熱鍍鋅后的連接金具由于鋅的覆蓋增強了耐蝕的能力，從而大大延長了使用壽命，保障了電網安全穩定地運行。

對熱鍍鋅層影響最大的是材料基體中的C、Si、P 等元素，它們會影響金具的活性，促進Fe-Zn 反應，使合金層中ζ相快速增長，形成厚而粗大的晶粒露于鋅層表面，從而導致表面黏附性變差。表2中20CrMnMo、40CrMnMo，35CrMo、40Cr、Q690均含有C、Si、P 等元素，具有很好的熱鍍鋅能力。

2.4 經濟性能分析

連接金具材料的選擇還需要考慮材料的經濟性能，價格和市場供需同樣是大批量連接金具選材要考慮的重要因素。合金結構鋼20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr價格較為接近，但從市場使用量來看，20CrMnMo、40CrMnMo的使用范圍較窄，用量較少，對于大批量的連接金具來說，采購周期較長，影響交貨周期，因此可選用性能較接近且市場常用的35CrMo、40Cr作為連接金具鍛造用材料。Q690高強度結構鋼材料費用較貴，但其使用壽命很長，同等載荷下連接金具可減少10 %以上的重量，大批量生產中分攤到每個產品中的費用有所降低，因此可選用做連接金具板類金具產品的材料。

3 高強材料試驗驗證

綜上所述，確定40Cr、35CrMo、Q690作為高強度連接金具的選材，通過國內某檢測機構進行拉伸試驗、硬度檢測、低溫沖擊實驗進行驗證。40Cr、35CrMo、Q690（均為調質狀態）樣塊的拉伸試驗、低溫（-40 ℃）沖擊試驗及布氏硬度檢測見表3。

檢測可知，40Cr、35CrMo、Q690（調質）的抗拉強度均大于650 MPa，40Cr、35CrMo在-40 ℃下的沖擊吸收能量在20 J左右，沖擊韌性較好，是常溫下35CrMo（63J）和40Cr（47 J）的32 %和43 %，Q690在-40 ℃下的沖擊吸收能量KU2在250 J左右，沖擊韌性最好，可以在低溫下安全運行，滿足特高壓連接金具對材料的要求。

4 結語

在特高壓輸電線路工程大截面導線的應用下，應選擇具有較高抗拉強度、低溫性能良好、經濟性能好的35CrMo、40Cr、Q690（調質）作為連接金具的材料，連接金具的外形尺寸及重量可以得到有效地控制，相同載荷下材料能減輕10%以上，降低金具的運輸成本和施工強度，對整個特高壓輸電線路的安裝維護及線路安全有著重要意義。

參考文獻

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