高強(qiáng)度鋁合金材料電力金具的應(yīng)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(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(jī)械負(fù)荷、電氣負(fù)荷以及防護(hù)作用，通常單個(gè)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(yùn)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(huì)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(qiáng)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(jì)》要求，鑄鐵金具材料抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于330 MPa，但現(xiàn)用鑄鋁金具材料的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度的鋁合金材料來解決這一難題。

1 高強(qiáng)度鋁合金材料與工藝

傳統(tǒng)的鋁合金強(qiáng)化手段主要利用固溶的合金元素析出強(qiáng)化相以增強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(dòng)，提升了鋁合金基體的機(jī)械強(qiáng)度。批量供應(yīng)的納米改性鋁合金材料強(qiáng)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(dòng)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和握力。

圖2 中心回轉(zhuǎn)式的高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(jià)要求》，對高強(qiáng)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(yàn)電流，待導(dǎo)線溫度穩(wěn)定30 min 后，測量并計(jì)算試驗(yàn)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(jì)算出單個(gè)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(yàn)電流為120 A 時(shí)，高強(qiáng)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(yàn)電流為185 A時(shí)，可降低能耗1.7 W；當(dāng)試驗(yàn)電流為240 A 時(shí)，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(jì)的鐵制類金具在每時(shí)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(shí)驗(yàn)，在鹽霧試驗(yàn)箱中模擬高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)周期分別為240 h，480 h 和960 h。每個(gè)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(jì)。與初始樣品對比，高強(qiáng)度鋁合金經(jīng)長時(shí)間加速腐蝕試驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)行安全，應(yīng)采取加強(qiáng)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(dòng)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(yùn)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(jià)格上漲。高強(qiáng)度鋁合金金具免除熱鍍鋅的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用價(jià)值凸顯。

3.3 質(zhì)量與強(qiáng)度

高強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)方法 第1 部分： 機(jī)械試驗(yàn)》進(jìn)行破壞載荷測試，表2 列出了各型號的高強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)鋁合金金具便于運(yùn)輸和安裝，大幅減輕了工作強(qiáng)度，提高了施工效率。在節(jié)能方面，根據(jù)高強(qiáng)鋁合金碗頭掛板能耗測試結(jié)果計(jì)算，在后續(xù)線路運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)度鋁合金金具具有磁損小、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，降低了線路中金具引起的電能損失，實(shí)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(jī)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。