節(jié)能金具在油田高壓輸電線路上的應(yīng)用

張墨

（中國石油集團(tuán)電能有限公司供電公司）

金具是輸電線路安全穩(wěn)定運行中重要組成部件，電力金具質(zhì)量好壞對整個線路的安全、穩(wěn)定、高效運行有著至關(guān)重要的作用。目前供電公司管轄的35~110 kV 線路長度合計約3 800 km，大約有2 萬多基桿塔，線路最長投產(chǎn)運行近30 a，線路使用的都是傳統(tǒng)的鑄鐵型耐張線夾、懸垂線夾、防振錘等金具。鑄鐵金具由于磁滯損耗大，功率損耗多，易造成導(dǎo)線過熱、機械強度下降等隱患。由于輸電線路目前所使用的金具數(shù)量大，因此造成的損耗和經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)可觀，為了保證輸電線路能夠有效實現(xiàn)資源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運行，在電網(wǎng)目前新技術(shù)，結(jié)合國家“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會背景下，努力推廣應(yīng)用輸電線路新型節(jié)能金具勢在必行。

1 鑄鐵線路金具的耗能弊端

中油電能供電公司所管轄線路絕大部分采用鑄鐵和螺栓組合成的耐張線夾、懸垂線夾以及防振錘。用這種材料制成的金具在導(dǎo)線中通過交變電流時形成一個閉合的磁回路，鐵磁物質(zhì)在交變磁場作用下反復(fù)磁化的過程中，其磁感應(yīng)強度的變化總是滯后于磁場強度的變化，這就是所謂磁滯現(xiàn)象。在反復(fù)磁化的過程中，由于磁疇的反復(fù)轉(zhuǎn)向，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的分子摩擦發(fā)熱而造成能量損耗。構(gòu)成閉合回路的電力金具在反復(fù)磁化過程中，因為磁疇反復(fù)轉(zhuǎn)向?qū)е碌倪@種功率損耗，就是所謂的磁滯損耗。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這一交變磁場在金具內(nèi)部也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，即渦流。由于鋼鐵材料電阻的存在，必然產(chǎn)生功率損耗，即渦流損耗。當(dāng)電流增大時，磁滯損耗隨磁通密度的1.6~2.0 次方上升，渦流損耗隨磁通密度的2.0 次方上升。渦流和磁滯損耗產(chǎn)生的熱量使金具內(nèi)的導(dǎo)線溫度升高（當(dāng)導(dǎo)線中通過400 A 電流時，鑄鐵線夾比節(jié)能型鋁合金線夾溫度高17 ℃，損耗多30 W），同時造成該處導(dǎo)線的機械強度下降，加之線路震動，導(dǎo)線就會在線夾處斷股，縮短了線路的運行年限[1-2]。

2 鑄鐵金具與新型節(jié)能金具對比分析

目前國內(nèi)節(jié)能金具主要有聚碳酸酯、無磁性球鐵、鋁合金等新型金具。通過綜合分析比較，前兩種金具由于生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜等原因，在目前電力系統(tǒng)中還沒有得到大力的普及和廣泛應(yīng)用。

鋁合金金具具有較強的硬度和導(dǎo)電性，同時也能有效地隔斷磁路，消除導(dǎo)電線路對電力配件影響。鋁合金材質(zhì)同時也具有質(zhì)量輕、較強的耐腐蝕性等特點，尤其是當(dāng)外界溫度過低，電路中電流較強時，鋁合金比傳統(tǒng)鑄鐵金具導(dǎo)電性能更好。

鋁合金的耐高溫性能強于鐵質(zhì)材料，所以被國內(nèi)電力公司廣泛使用，大力推廣。例如目前用高強度鋁合金研制的耐張線夾NLD-J、懸垂線夾XGU-J、DBY 節(jié)能型預(yù)絞式防震錘，屬于節(jié)能螺栓型鋁合金金具，正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵金具，他們普遍具有磁滯損耗小、重量輕、安裝方便等優(yōu)點。

目前該公司已經(jīng)按照更換計劃，逐年將鑄鐵金具更換為新型鋁合金節(jié)能金具，二者主要性能對比如下。

2.1 結(jié)構(gòu)對比

1）鑄鐵型耐張線夾螺栓多，固定點多，隱患點也相應(yīng)增多，同時直面設(shè)計對導(dǎo)線的握力不如曲面。節(jié)能型耐張線夾NLD-J 螺栓少，可以減少隱患點，同時固定點減少后不僅沒有減少握力，而是采取斜裝U 型螺栓和弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計，反而加大對導(dǎo)線的握力[3-5]。

2）鑄鐵型懸垂線夾線夾船體與掛板連接處采用開口銷子固定。 節(jié)能型懸垂線夾XGH 船體與掛板采取一體式，這種結(jié)構(gòu)可以杜絕因開口銷子磨損斷裂致使懸垂線夾脫落的隱患。壓條與導(dǎo)線的接觸為有彎曲度的圓弧面，增大握力的同時也不易使導(dǎo)線產(chǎn)生變形。

3）鑄鐵型防震錘FD 長期運行后，螺栓對導(dǎo)線的壓力松弛，導(dǎo)致握力下降，防震錘發(fā)生位移。DBY 節(jié)能型預(yù)絞絲防震錘安裝方便，無需專用工具。免維護(hù)，預(yù)絞式安裝無螺栓，有效防止防振錘滑移的現(xiàn)象，且不會對掛點造成損壞。 FDB 節(jié)能型防震錘連接部位采用不銹鋼六角螺栓固定，不易發(fā)生銹蝕情況，同時不銹鋼材質(zhì)扭力比鑄鐵材質(zhì)要大，與導(dǎo)線連接更緊固。

4）鑄鐵型并溝線夾隨著長期運行后，存在線夾與導(dǎo)線連接不緊密情況，使接觸電阻增大，導(dǎo)致連接處過熱現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重情況下還會引發(fā)導(dǎo)線脫落。安普線夾是由線夾殼體和楔塊兩部分組成，安裝時楔塊裝入線夾殼體，通過液壓槍打入，從而使線夾導(dǎo)線緊密連接，并且沒有螺栓連接，可以有效減少連接點，起到免維護(hù)的作用。JBJ 型線夾設(shè)計根據(jù)一定的力學(xué)原理，使導(dǎo)線受壓力方向與螺栓形成一定角度，使螺栓能提供對導(dǎo)線更大的壓力，保證線夾與導(dǎo)線的良好接觸[6]。

2.2 質(zhì)量對比

鑄鐵型耐張線夾、懸垂線夾與新型節(jié)能型線夾質(zhì)量對比見表1，通過對比可以明顯看到節(jié)能型結(jié)構(gòu)輕巧，重量比鑄鐵型耐張線夾和懸垂線夾都輕。

表1 鑄鐵型耐張線夾、懸垂線夾與新型節(jié)能型線夾質(zhì)量對比Tab.1 Comparison of the quality between cast iron tensionresistant wire clamp and suspension clamps and new energy conservation wire clamp

2.3 能量損耗對比

根據(jù)北京電力研究所數(shù)據(jù)對比，鑄鐵型金具磁損較大造成能耗大，節(jié)能型金具磁損和能耗小，更節(jié)能[7]。鑄鐵型耐張線夾、懸垂線夾與節(jié)能型功率損耗對比見表2。

表2 鑄鐵型耐張線夾、懸垂線夾與節(jié)能型功率損耗對比Tab.2 Comparison of the quality between cast iron tensionresistant wire clamp and suspension clamps and energy conservation power loss

3 節(jié)能金具的優(yōu)勢

新型鋁制節(jié)能金具與傳統(tǒng)鑄鐵金具相比，其優(yōu)勢有以下3 方面：

1）技術(shù)先進(jìn)性。節(jié)能金具的設(shè)計研制并不只是在耗能金具材質(zhì)上以鋁合金替代可鍛鑄鐵，而是在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)[8]。新型節(jié)能線夾結(jié)構(gòu)輕便，可以通用；線夾表面不易氧化，可以適應(yīng)不同環(huán)境，無需擔(dān)心線夾銹蝕問題；節(jié)能線夾的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)鑄鐵線夾的1/2~1/3，不僅施工十分方便，而且提高了工作效率，保證施工速度與安全性。

2）經(jīng)濟(jì)合理性。節(jié)能金具的經(jīng)濟(jì)合理性主要表現(xiàn)為加工制造過程中的能源節(jié)約和線路運行中的節(jié)能降耗。舊的電力金具主要以可鍛鑄鐵為主題材料，采用鑄造加工的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品還需表面鍍鋅，鑄造和鍍鋅都是高耗能和高污染的工藝。節(jié)能金具以高強度鋁合金為主，采用擠壓、壓鑄等先進(jìn)工藝，且表面不必?zé)徨冧\處理，能耗和污染大為降低。節(jié)能金具的節(jié)能效應(yīng)已在運行和試驗中被證明是十分顯著的[9]。經(jīng)電網(wǎng)專家研究論證，如線路上應(yīng)用最普遍的NLD 型耐張線夾通以500 A 的電流，耗能65 W，每年可使用8 000 h，每只NLD-4 耐張線夾每年的能耗損失為312 元。如果以油田電網(wǎng)保守檢修、新改擴建每年使用7 000 套計算，總計能耗損失達(dá)到218.4 萬元，可見節(jié)能效應(yīng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。

3）電連接可靠性。使用新型的節(jié)能金具使電連接的可靠性極大提高，承力金具采用高強度鋁合金，強度高、握力好，對導(dǎo)線幾乎無損傷，改變了過去電連接只是依靠一般緊固件連接，易發(fā)生連接不緊脫出、甚至脫落等故障。使用新型節(jié)能金具，可以使接頭處所產(chǎn)生的斷線事故大大減少，有效的提高了供電可靠性以及減少后期維護(hù)的工作量[10]。

4） 免維護(hù)效果好。懸垂線夾、預(yù)絞式防震錘、安普線夾等，與傳統(tǒng)鑄鐵造件相比，具有良好的機械強度，避免了傳統(tǒng)鑄造中存在的氣孔、砂眼和縮松等缺陷。整個合金金具力學(xué)性能和表面工藝優(yōu)勢大大延長，有利于線路更長時間穩(wěn)定、安全運行，基本達(dá)到一次安裝后免維護(hù)效果。節(jié)能金具的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，又使線路設(shè)備向長壽命、零故障、免檢修邁進(jìn)了一大步，從而減少了運營維修頻率，大幅度節(jié)約了線路維修的費用，節(jié)省了日后投入大量人力物力[11]。

4 應(yīng)用情況

供電公司所轄線路上使用的電力金具基本上是用可鍛鑄鐵為主的磁性材料制成，由于結(jié)構(gòu)上構(gòu)成閉合磁回路形成磁滯和渦流損失，造成能耗浪費十分巨大，并且銹蝕嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。為克服以上現(xiàn)象，現(xiàn)已在110 kV 奔騰甲線、35 kV 奔南線、35 kV 趙五線等33 條線路上更換了節(jié)能金具作為試驗，試驗效果良好，用鋁線夾代替鐵線夾具有明顯的節(jié)能效果。同等運行條件下，對導(dǎo)線通過400 A 大電流作試驗，2 h 后進(jìn)行遠(yuǎn)紅外測溫，普通型鑄鐵質(zhì)懸垂線夾比節(jié)能型XGH 懸垂線夾最高溫度約高出31 ℃。通過試驗可以看出，節(jié)能金具試驗效果良好，有效避免過熱等缺陷，可推薦使用。

經(jīng)過公司電網(wǎng)專家研究論證，整個鋁合金線夾節(jié)能效率在90%以上。以懸垂線夾為例，一只傳統(tǒng)鑄鐵性懸垂線夾能耗功率約為30 W，而新型鋁合金懸垂線夾能耗功率僅為2 W，每只懸垂線夾可節(jié)省能耗功率約28 W，則每年可節(jié)省能耗功率約245 kW。以輸電線路設(shè)計運行30 a 為底限，每只懸垂線夾運行周期內(nèi)可節(jié)省能耗功率多達(dá)7 358.4 kW，同理還可算出其他線夾節(jié)省電能[12]。單單僅公司目前運行電網(wǎng)就有各類金具十幾萬只，如果逐步用新型鋁合金線夾取代傳統(tǒng)線夾，帶來的節(jié)能效益是巨大的。

5 結(jié)論

輸電線路數(shù)量多、鑄鐵型金具安裝使用年限較長，由于通過的電流大，損耗大，所以每年在這個環(huán)節(jié)中損失的電能數(shù)量巨大。因此，用新一代節(jié)能型、結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理、施工方便的節(jié)能金具代替老式高耗能、粗大笨重的金具是線路建設(shè)和改造的必然需要。節(jié)能金具的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，減少了營運維修頻率，大幅度節(jié)約了線路維修費。節(jié)能型金具降低了電能損耗，節(jié)能效果明顯。