高強度鋁合金材料電力金具的應用研究

季 偉，張飛勇，孟繁東，王文軍，吳建靈，韓怡秋，邵明亮

（1.麗水正陽電力建設有限公司，浙江 麗水 323000；2.貴州晟展峰新材料科技有限公司，貴陽 550003）

0 引言

電力金具是線路中連接和組合電力系統的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷以及防護作用，通常單個體積小、種類繁多、用途各異。長期以來，電力金具作為主體線路中的附件，在輕量化、節能化和高效性方面并未得到足夠重視。在輸配電線路中電力金具材料絕大多數為鐵金屬和鋁金屬，其中應用最廣泛的是鑄鐵和鑄造鋁合金[1]。鑄鐵金具質量較大，熱鍍鋅環境污染嚴重，在線路運行中逐漸暴露出弊端，特別是閉合磁回路帶來的電能損耗。鋁合金電力金具由于考慮到其不規則結構和鑄造性能，常用ZL101A，ZL102和GZLSi7MgTi 等鑄造鋁合金。徐乃管等[2]最早進行了開發應用節能金具鋁合金線夾的重要意義的論證，綜合對比了鑄鐵和鋁合金懸垂線夾的能耗數據，認為采用鋁合金金具可獲得巨大的經濟和社會效益。在國內，中國能建南京線材公司等企業先后開發、推廣鋁合金線夾等金具，主要有鋁合金懸垂線夾、耐張線夾等[3-4]。目前，杭州地區的500 kV 線路普遍采用了鋁合金線夾，而110～220 kV 線路絕大部分采用馬鐵金具。在國外，鋁合金金具作為一種重要節能技術，進行了強制或推薦使用，如俄羅斯等國家在220～750 kV 線路上廣泛采用鋁合金線夾[5]。

盡管鋁合金金具由于其節能效應，已在線路上承載力不大、與導線接觸的線夾金具中大量使用，然而依據《國家電網公司輸變電工程通用設計》要求，鑄鐵金具材料抗拉強度應大于330 MPa，但現用鑄鋁金具材料的抗拉強度不足200 MPa。為滿足使用要求，則需要比鑄鐵金具更大的承載截面尺寸，顯著增大了制造成本，且對于一些線路中受力較大的部件（如連接金具等），常規鋁合金材料則存在很大的應用局限性，亟需高強度的鋁合金材料來解決這一難題。

1 高強度鋁合金材料與工藝

傳統的鋁合金強化手段主要利用固溶的合金元素析出強化相以增強鋁合金，但其進一步提升鋁合金材料性能的能力已相當有限。近年來，隨著非金屬納米材料的出現，其制備技術也不斷成熟，低廉的成本加上優異的性能為金屬材料改性提供了新的思路[6-8]。本文提出的節能電力金具采用了專利公開的一種納米改性鋁合金材料[9]，通過運用納米改性技術將碳納米管彌散分布至鋁基體中，顯著增強鋁基體中的界面，從而有效阻礙基體晶粒在受力狀態下發生移動，提升了鋁合金基體的機械強度。批量供應的納米改性鋁合金材料強度超過420 MPa，延伸率達到了10%以上。

鑒于納米改性鋁合金流動性不足，難以采用傳統壓鑄方式制造金具，因此采用了鍛壓成型的方式進行。通過合理設計模具和控制模鍛溫度，納米改性鋁合金坯料發生變形并充滿型腔，從而獲得了具有良好的宏觀組織和較高力學性能的金具鍛件。

2 典型的高強鋁合金金具結構

2.1 碗頭掛板

在線路中起到連接懸垂線夾和絕緣子串的作用，按結構和使用條件可分為單聯和雙聯碗頭掛板。碗頭掛板作為一種常用的連接金具，被大量應用于輸電塔上，往往承受著較大載荷，其性能優劣對輸配電線路安全至關重要。圖1 分別展示了單聯和雙聯的高強度鋁合金碗頭掛板的三維結構，其本體材質采用了新型的納米改性鋁合金，連接尺寸與線路通用設計要求一致，其破壞載荷是標稱的1.6 倍，重量僅為同規格鑄鐵金具的30%～50%。

圖1 高強度鋁合金碗頭掛板的結構

2.2 懸垂線夾

懸垂線夾是用于懸掛和支托導線，要求能承受規定的垂直荷載和對導線的握力。從結構上分為中心回轉式、上扛式和提包式。圖2 展示了中心回轉式的高強度鋁合金懸垂線夾的三維結構，其船體和壓舌材料采用新型的納米改性鋁合金，具備較高的強度和握力。

圖2 中心回轉式的高強度鋁合金懸垂線夾的結構

2.3 楔型線夾和UT 線夾

楔型線夾和UT 線夾屬于拉線金具，是用于桿塔至地錨之間連接、固定和調整拉線，其結構如圖3 所示。其中，高強度的納米改性鋁合金腔體和楔塊保證了拉線握力，結構安全可靠。

3 技術優勢性分析

3.1 節能

圖3 高強度鋁合金楔型線夾和UT 線夾的結構

傳統的鐵質金具材質為鐵磁性材料，當導線中通過交變電流時，在其周圍產生交變磁場，在磁場作用下鐵磁性材料金具反復磁化；由于磁疇的反復轉向，鐵磁材料內部分子互相摩擦發熱而造成了能量損耗，這部分磁滯損耗在金具能耗中占比最大[10]。相關研究表明，在配電網中由金具產生的能耗約占輸電容量的0.01%～0.03%[11]。相比較下，本文研究的高強度鋁合金金具材質為幾乎無磁性的鋁合金材料，可顯著消除磁滯損。按照DL/T 1288—2013《電力金具能耗測試與節能技術評價要求》，對高強鋁合金碗頭單元進行了能耗測試[12]。具體地，采用銅絞線將懸掛有碗頭（W-0770）的線夾金具與大電流發生裝置連接組成電流回路，分別通過120 A，185 A 和240 A 試驗電流，待導線溫度穩定30 min 后，測量并計算試驗導線和參考導線的能耗，由兩者能耗的差值除以金具數量，計算出單個金具的能耗值，測試結果如表1 所示。

由表1 數據可知，當試驗電流為120 A 時，高強鋁合金碗頭（W-0770）相對于鑄鐵碗頭單元，可降低能耗0.7 W 左右；當試驗電流為185 A時，可降低能耗1.7 W；當試驗電流為240 A 時，可降低能耗3.1 W。當輸配電電流增加，鋁合金金具的節能效應愈加明顯。線路中數以萬計的鐵制類金具在每時每刻消耗電能，每年的損耗量數億千瓦以上，而采用鋁合金質金具可明顯降低金具能耗。

3.2 環保

鋁在大氣中主要位于鈍化區，不易發生大氣腐蝕，其主要原因是鋁表面生成了一層致密的氧化膜，從而阻隔了活性鋁表面與腐蝕介質的接觸，避免了進一步氧化腐蝕，使得鋁合金金具展現出優異的耐蝕特性。通過循環鹽霧腐蝕實驗，在鹽霧試驗箱中模擬高強度鋁合金在沿海環境的腐蝕過程，腐蝕液為4%～6%（質量分數）的NaCl 溶液，實驗周期分別為240 h，480 h 和960 h。每個周期取出3 片試樣，按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》進行腐蝕質量損失的統計。與初始樣品對比，高強度鋁合金經長時間加速腐蝕試驗后，質量幾乎無變化，表明鋁合金表面致密的氧化層為基體提供了很好的保護作用[13-14]，這一點相對于鑄鐵類金具而言具有明顯的優勢。眾所周知，熱鍍鋅是鑄鐵類金具必不可少的防腐手段，一般要求熱鍍鋅層厚度超過70 μm，而在腐蝕較重的化工區，為保障電網運行安全，應采取加強的金具防腐措施，建議鍍鋅層厚度增加到192 μm[15]。盡管有鍍鋅層保護，但是金具通常是活動的，且一般處于拉應力的受力狀態，由于撞擊、摩擦、酸性腐蝕等原因，在運行過程中仍易發生銹蝕破壞。此外，熱鍍鋅工藝產生大量廢液、廢氣等，對環境的污染巨大[16]，近年來由于環保治理的要求，大批鍍鋅廠被關停，導致鑄鐵金具供貨緊張、價格上漲。高強度鋁合金金具免除熱鍍鋅的優點，使得其應用價值凸顯。

3.3 質量與強度

高強度鋁合金金具所采用的納米改性鋁合金材料密度僅為鐵的1/3，而強度要高于鑄鐵和鑄鋁的水平。依據GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗方法 第1 部分： 機械試驗》進行破壞載荷測試，表2 列出了各型號的高強度鋁合金金具與某廠鑄鐵金具的參考重量和破壞載荷對比數據，從表2可以看出，高強度鋁合金金具的重量為同規格鑄鐵金具的30%～50%，而破壞載荷則較同規格鑄鐵金具提升了14%～45%，可為線路安全運行提供更可靠、長效的保障。

表1 碗頭掛板（W-0770）的能耗測試數據

表2 高強鋁合金金具與某廠鑄鐵金具的參考重量和破壞載荷對比

4 應用情況

在某10 kV 配電網線路中，安裝使用了高強鋁合金材質的碗頭掛板3 150 只，懸垂線夾3 200只，UT 線夾2 100 只，楔型線夾2 100 只。輕質的高強鋁合金金具便于運輸和安裝，大幅減輕了工作強度，提高了施工效率。在節能方面，根據高強鋁合金碗頭掛板能耗測試結果計算，在后續線路運行過程中，每年可節約電能82 782 kWh。且對金具的上游制造工藝而言，高強鋁合金金具采用較為先進的鍛造工藝，保證了產品穩定性和質量可靠性，金具表面無需進行熱鍍鋅，屬于綠色生產技術。

5 結語

作為線路重要組成部分的電力金具在很大程度上影響著線路安全性、節能和環保水平等，相對于傳統鑄鐵金具，基于新材料和新工藝的高強度鋁合金金具具有磁損小、強度高、質量輕、耐腐蝕性能好等優點，降低了線路中金具引起的電能損失，實現節能降耗效果；緩解了鑄鐵原材料來源受限、制造過程中能耗高、表面鍍鋅污染大等問題，減少污染物排放；克服了現用鑄鋁金具材料機械性能不足的應用障礙，滿足了電力工業的發展需求。