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(shè)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(tǒng)的各類裝置，起到傳遞機械負(fù)荷、電氣負(fù)荷以及防護(hù)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(jié)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(shù)為鐵金屬和鋁金屬，其中應(yīng)用最廣泛的是鑄鐵和鑄造鋁合金[1]。鑄鐵金具質(zhì)量較大，熱鍍鋅環(huán)境污染嚴(yán)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(guī)則結(jié)構(gòu)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(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用節(jié)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(shù)據(jù)，認(rèn)為采用鋁合金金具可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在國內(nèi)，中國能建南京線材公司等企業(yè)先后開發(fā)、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(qū)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(jié)能技術(shù)，進(jìn)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(jié)能效應(yīng)，已在線路上承載力不大、與導(dǎo)線接觸的線夾金具中大量使用，然而依據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計》要求，鑄鐵金具材料抗拉強度應(yīng)大于330 MPa，但現(xiàn)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(guī)鋁合金材料則存在很大的應(yīng)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(tǒng)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(jìn)一步提升鋁合金材料性能的能力已相當(dāng)有限。近年來，隨著非金屬納米材料的出現(xiàn)，其制備技術(shù)也不斷成熟，低廉的成本加上優(yōu)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(jié)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(shù)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(tài)下發(fā)生移動，提升了鋁合金基體的機械強度。批量供應(yīng)的納米改性鋁合金材料強度超過420 MPa，延伸率達(dá)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(tǒng)壓鑄方式制造金具，因此采用了鍛壓成型的方式進(jìn)行。通過合理設(shè)計模具和控制模鍛溫度，納米改性鋁合金坯料發(fā)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(xué)性能的金具鍛件。

2 典型的高強鋁合金金具結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)和使用條件可分為單聯(lián)和雙聯(lián)碗頭掛板。碗頭掛板作為一種常用的連接金具，被大量應(yīng)用于輸電塔上，往往承受著較大載荷，其性能優(yōu)劣對輸配電線路安全至關(guān)重要。圖1 分別展示了單聯(lián)和雙聯(lián)的高強度鋁合金碗頭掛板的三維結(jié)構(gòu)，其本體材質(zhì)采用了新型的納米改性鋁合金，連接尺寸與線路通用設(shè)計要求一致，其破壞載荷是標(biāo)稱的1.6 倍，重量僅為同規(guī)格鑄鐵金具的30%～50%。

圖1 高強度鋁合金碗頭掛板的結(jié)構(gòu)

2.2 懸垂線夾

懸垂線夾是用于懸掛和支托導(dǎo)線，要求能承受規(guī)定的垂直荷載和對導(dǎo)線的握力。從結(jié)構(gòu)上分為中心回轉(zhuǎn)式、上扛式和提包式。圖2 展示了中心回轉(zhuǎn)式的高強度鋁合金懸垂線夾的三維結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)式的高強度鋁合金懸垂線夾的結(jié)構(gòu)

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(diào)整拉線，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全可靠。

3 技術(shù)優(yōu)勢性分析

3.1 節(jié)能

圖3 高強度鋁合金楔型線夾和UT 線夾的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的鐵質(zhì)金具材質(zhì)為鐵磁性材料，當(dāng)導(dǎo)線中通過交變電流時，在其周圍產(chǎn)生交變磁場，在磁場作用下鐵磁性材料金具反復(fù)磁化；由于磁疇的反復(fù)轉(zhuǎn)向，鐵磁材料內(nèi)部分子互相摩擦發(fā)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(guān)研究表明，在配電網(wǎng)中由金具產(chǎn)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(zhì)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(jié)能技術(shù)評價要求》，對高強鋁合金碗頭單元進(jìn)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(fā)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(dǎo)線溫度穩(wěn)定30 min 后，測量并計算試驗導(dǎo)線和參考導(dǎo)線的能耗，由兩者能耗的差值除以金具數(shù)量，計算出單個金具的能耗值，測試結(jié)果如表1 所示。

由表1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)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(dāng)試驗電流為185 A時，可降低能耗1.7 W；當(dāng)試驗電流為240 A 時，可降低能耗3.1 W。當(dāng)輸配電電流增加，鋁合金金具的節(jié)能效應(yīng)愈加明顯。線路中數(shù)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(shù)億千瓦以上，而采用鋁合金質(zhì)金具可明顯降低金具能耗。

3.2 環(huán)保

鋁在大氣中主要位于鈍化區(qū)，不易發(fā)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(zhì)的接觸，避免了進(jìn)一步氧化腐蝕，使得鋁合金金具展現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕特性。通過循環(huán)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(huán)境的腐蝕過程，腐蝕液為4%～6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(chǎn)物的清除》進(jìn)行腐蝕質(zhì)量損失的統(tǒng)計。與初始樣品對比，高強度鋁合金經(jīng)長時間加速腐蝕試驗后，質(zhì)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(hù)作用[13-14]，這一點相對于鑄鐵類金具而言具有明顯的優(yōu)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(qū)，為保障電網(wǎng)運行安全，應(yīng)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(hù)，但是金具通常是活動的，且一般處于拉應(yīng)力的受力狀態(tài)，由于撞擊、摩擦、酸性腐蝕等原因，在運行過程中仍易發(fā)生銹蝕破壞。此外，熱鍍鋅工藝產(chǎn)生大量廢液、廢氣等，對環(huán)境的污染巨大[16]，近年來由于環(huán)保治理的要求，大批鍍鋅廠被關(guān)停，導(dǎo)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(yōu)點，使得其應(yīng)用價值凸顯。

3.3 質(zhì)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(jù)GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗方法 第1 部分： 機械試驗》進(jìn)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(shù)據(jù)，從表2可以看出，高強度鋁合金金具的重量為同規(guī)格鑄鐵金具的30%～50%，而破壞載荷則較同規(guī)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(shù)據(jù)

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(yīng)用情況

在某10 kV 配電網(wǎng)線路中，安裝使用了高強鋁合金材質(zhì)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(zhì)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(jié)能方面，根據(jù)高強鋁合金碗頭掛板能耗測試結(jié)果計算，在后續(xù)線路運行過程中，每年可節(jié)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(jìn)的鍛造工藝，保證了產(chǎn)品穩(wěn)定性和質(zhì)量可靠性，金具表面無需進(jìn)行熱鍍鋅，屬于綠色生產(chǎn)技術(shù)。

5 結(jié)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(jié)能和環(huán)保水平等，相對于傳統(tǒng)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(zhì)量輕、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，降低了線路中金具引起的電能損失，實現(xiàn)節(jié)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(xiàn)用鑄鋁金具材料機械性能不足的應(yīng)用障礙，滿足了電力工業(yè)的發(fā)展需求。