摘要：铁制金具强度高，但需热镀锌保护，而且电能损耗较大；铝制金具比重轻，无需热镀锌、电能损耗小，但强度较低，从而限制了它的应用广泛性。可以说，高性能节能金具的发展，材料是最大的瓶颈。长期以来，国内外高校院所、金具企业一直致力于高比强度的弱磁或无磁性材料的开发，在材料和制造工艺上综合运用多种改性手段提升材料的性能，以满足金具使用要求。
关键词：输电线路；金具；铝合金；节能；复合材料
引言
金具是输电线路中大量使用的，用于连接和组合的金属附件，其材质主要为铁和铝。输电线路连接金具又称挂线零件，用于绝缘子连接成串及金具与金具的连接，在输电线路中能够承载较大的机械载荷。虽然连接金具结构简单，但是由于直接应用在架空输电线路中，担负着安全送电的重大使命。连接金具材料的选型在很大程度上影响到特高压输电工程建造的难易程度和成本造价，开展对特高压输电线路连接金具材料的选型有重要意义。
1连接金具材料现状
连接金具材料现状主要是：根据连接金具的使用条件和结构特点，连接金具可分为三大系列：球-窝系列连接金具、环-链系列连接金具、板-板系列连接金具。球-窝系列连接金具包括各种球头挂环、碗头挂板等，球头挂环选用材料是碳素结构钢（Q235A、35、40等），碗头挂板选用的材料为可锻铸铁和球墨铸铁（KTH330-08、QT500-7）等。环-链系列连接金具包括U形挂环、直角环、延长环及U形螺丝等，U形挂环、延长环等选用碳素结构钢。板-板系列连接金具主要包括平行挂板、联板、牵引板、调整板等，选用的材料多为碳素结构钢。随着输电电压提高及大截面导线的运用，一些线路中选用的材料有35、Q420、Q345R等。
2铝制金具及其节能效益的研究进展
2.1铝合金材料
铝合金材料主要是：铝的原子序数为13，密度仅为铁的1/3，从而可有效减轻杆塔负载，方便安装、施工和维护。铝表面存在一层牢固致密的氧化膜，使其具有较好的防腐蚀特性，且铝是无磁性材料，避免了磁滞损耗等。考虑到铸造性能，金具用铝合金主要为铸造铝合金，如ZL102、ZL101Ａ等铝合金。在熔炼过程中要严格执行除气、除渣和精炼等工艺规程，降低铝液中的氢气泡；调节铝液的流动性，控制浇注温度、加压时间和速度等，保证铸件的内部组织和表面质量。硅元素可改善铝合金的流动性和降低热裂倾向性，减少缩松和提高铸件的气密性，但该类合金强度不高、塑性较低，分别为145MPa、4%和225MPa、5%。依据《国家电网公司输变电工程通用设计》要求，铸铁金具材料抗拉强度应大于330MPa，因此铝制金具较低的强度水平限制了其应用广泛性。
2.2铝合金金具的节能效益
铝合金金具的节能效益主要是：在输电线路中，电力金具的能耗主要归因于由高电压引起的介质损耗和交流引起的磁损耗。一方面，由感应电动势形成的涡流在金具内部由电阻消耗为热能，从而导致金具安装处导线温升，铁磁金具的温度往往要比铝制金具高数十倍。另一方面，铁磁材料金具在输电导线产生的交变磁场中反复磁化，分子形态随之发生改变，分子振动发热而造成能量损耗。经济电流密度200Ａ下，铝合金金具的能耗比常规金具降低了80%以上。为了进行电力金具的能耗测试评价，华电所牵头实施了标准DL/T 1288—2013《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》，提出电力金具的能耗评价方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于悬垂线夹和耐张线夹的能耗测试，标准提出采用铜绞线将线夹金具与大电流发生装置连接组成电流回路，通过试验电流，待导线温度稳定30mins后，测量并计算试验导线和参考导线的能耗，由两者能耗的差值除以线夹金具数据，计算出单个金具的能耗值。随着导线测试电流的增大，线夹能耗值非线性增加，在试验电流为300、400Ａ时，铁制悬垂线夹的能耗损失分别是铝合金悬垂线夹的22.9、40.1倍，铝制金具节能效果明显。电力金具作为输电线路中辅助电能输送的附件投入运行的数量巨大，据不完全统计，我国输配电网中若广泛采用节能型电力金具，每年可节能10亿kW·h以上。尽管铝制金具的成本通常是铁制金具的2倍以上，但仅从节能效益来看，增加的建设投资可在较短周期内收回。如崔国柱等分析了某35kV输电线路采用节能型线夹金具后，每年可节能47万kW·h，不到2年即可收回金具成本，按运行30年计算，可实现经济效益753万元。为此，根据全寿命周期的设计理念，在满足电气性能和强度指标下，兼具环保节能特性；通过建立输电线路全寿命周期综合效益评价模型，积极研发和推广节能新技术、新材料、新设备，提高电网经济运行的科技水平，是未来电网发展的一个大趋势。铝合金材料无磁性，发挥了隔断磁路的作用，可有效避免磁滞损耗，大幅降低涡流损耗。因此，基于新型高强铝合金材料的电力金具既节能又环保，发展前景是乐观的。
2.3表面防腐性能分析
表面防腐性能分析主要是：线路金具常年在户外运行，受雨雪风霜等自然环境的影响，表面极易产生腐蚀，腐蚀速度一般较快，且位于高空不便维护。如果不进行有效地防护，金具会在短期内腐蚀失效，造成电网运行故障。钢铁材料的表面热浸镀锌处理工艺是一种简单有效的表面防护措施，热镀锌后的连接金具由于锌的覆盖增强了耐蚀的能力，从而大大延长了使用寿命，保障了电网安全稳定地运行。对热镀锌层影响最大的是材料基体中的C、Si、P等元素，它们会影响金具的活性，促进Fe-Zn反应，使合金层中ζ相快速增长，形成厚而粗大的晶粒露于锌层表面，从而导致表面黏附性变差。20CrMnMo、40CrMnMo，35CrMo、40Cr、Q690均含有C、Si、P等元素，具有很好的热镀锌能力。
2.4普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比
普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比主要是：普通地区线路金具选用材料范围较大，而寒冷地区由于金属材料韧性的下降，会使金具发生脆断，金属材料的使用会受到限制。普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比见表3。本文对寒冷地区输电线路金具选材进行了试验与研究，针对输电线路主要金具所涉及的７种金属材质进行了常温（0℃）及低温（－50℃）抗拉强度及延伸率的静态对比试验，并进行了７种金属材料常温及低温（＋20℃、0℃、－20℃、－35℃、－50℃、－65℃）的冲击韧性试验，为今后寒冷地区输电线路的金具产品设计及制造提供了充实的技术依据。通过对试验结果分析，给出寒冷地区主要金具的材料选择为：球头挂环类产品选用35CrMo、Ｕ型挂环等锻件连接金具选40Cr、板件类产品材料选用Q235C和Q345C。
结语
总之，无磁性或低磁性金具具有良好的节能效果，特别是铝制金具呈现出更大范围替代铁制金具的发展态势。然而，常规铝合金在机械性能方面仍存在较大局限，亟待通过技术手段突破强度等级的约束和限制。为此，积极开发与推广基于新材料技术、新结构设计的电力金具仍是摆在科研工作者、电力企业和金具厂家面前的重要课题。
参考文献
[1]王景朝.特高压线路电力金具技术发展趋势探讨[M].北京：中国电力科学研究院，2012.
[2]张少军，王艳波.输电线路杆塔用Q420、Q460高强钢低温脆性试验研究[J].内蒙古电力技术，2010（28）：5.
论文作者:张建
论文发表刊物:《中国电业》2019年 19期
论文发表时间:2020/3/10
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