摘要: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。
关键词:特高压输电线路;连接金具;高强度材料;选型
引言
电力工业是关系国计民生的基础产业,国家电网公司在认真分析我国电力工业和电网发展现状及趋势的基础上,提出了加快建设由百万伏级交流和800kV级直流系统构成的特高压电网的发展目标。超、特高压输电线路具备超远距离、超大容量、低损耗的送电能力,能够提高资源的开发和利用效率,缓解环保压力,节约宝贵的土地资源,具有显着的经济效益和社会效益。该文通过对现有连接金具材料以及特高压输电工程连接金具发展趋势的分析,提出了特高压输电工程线路连接金具的材料选型需满足高强度化、防腐性能好、低温性能优良、经济性好等要求,通过对比分析及试验验证提出几种高强度连接金具材料,以期满足特高压输电线路工程连接金具的轻型化要求,从而降低施工难度,节省成本,提高线路建设水平,为特高压输电线路高强度材料的连接金具选型提供参考。
1连接金具材料现状
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(35)。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(Q235)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连接金具高强度材料的选择
近几年来,随着我国交直流特高压建设的迅速发展,特高压输电工程容量不断攀升,输电导线截面也越来越大,大跨越的距离也呈不断扩大的趋势,在某些线路通过的区域有着典型的气象状况,对连接金具的抗拉强度、低温性能等要求也越来越高。特高压输电线路连接金具材料选择时需满足下列条件:1)力学性能:抗拉强度高、延伸率高、断面收缩率小、冲击韧性好、硬度适当和耐磨性好等。2)低温性能:低温下的抗拉强度不能下降过大,不能发生脆性断裂。3)表面防腐性能:应能够热浸镀锌防腐处理。4)经济性能:易采购,价格适当。
2.1连接金具高强材料力学性能分析
连接金具材料的力学性能需考虑以下几个方面:抗拉强度、屈服强度、断面伸长率、断面收缩率、冲击功以及硬度等。选取常用连接金具材料力学性能进行比较分析,可以看出常用材料的抗拉强度均偏小,通过查阅《机械设计手册》及《特高压输电线路金具通用技术规范》等资料,特高压输电线路连接金具需选取一些常温状态下抗拉强度大于650MPa的结构钢,碳素结构钢中牌号75、80、85的常温抗拉强度值较高,但其退火状态下的布氏硬度较大,不适合锻造和机械加工,合金结构钢中20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr的常温抗拉强度能够达到980MPa,布氏硬度适中,可作为锻造的材料,低合金高强度结构钢中Q690的抗拉强度较高,机械加工性能也较好,可作为板类材料的选择。
2.2低温性能分析
在我国的东北和新疆等地,冬天温度可能达到-40℃以下,随着温度的下降,钢的强度、硬度提高,塑性、韧性降低。连接金具所采用的高强材料应避免采用冷脆性材料,在低温下不发生冷脆现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆脆性转变温度是衡量材料脆性转变倾向的重要指标,决定了材料低温韧性的好坏,直接影响材料的应用范围。脆性转变温度的高低通常是受化学成分、微观组织、轧制工艺的综合影响。Mn元素可以帮助提高韧性,随着Mn元素质量比例的增加,脆性转变温度将降低;Si、S、P等元素易偏聚于晶界,降低晶界表面能产生沿晶断裂,同时降低脆断应力。
2.3表面防腐性能分析
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。表2中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经济性能分析
连接金具材料的选择还需要考虑材料的经济性能,价格和市场供需同样是大批量连接金具选材要考虑的重要因素。合金结构钢20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr价格较为接近,但从市场使用量来看,20CrMnMo、40CrMnMo的使用范围较窄,用量较少,对于大批量的连接金具来说,采购周期较长,影响交货周期,因此可选用性能较接近且市场常用的35CrMo、40Cr作为连接金具锻造用材料。Q690高强度结构钢材料费用较贵,但其使用寿命很长,同等载荷下连接金具可减少10%以上的重量,大批量生产中分摊到每个产品中的费用有所降低,因此可选用做连接金具板类金具产品的材料。
3带电作业工器具进一步改进建议
3.1应用新工艺、新材料
通过应用新工艺、新材料,减少工器具的质量和体积。如用更轻便的高强度绝缘杆,减少工器具的种类,实现简便化、轻量化,降低劳动强度。
3.2设计研制便捷工器具
通过科学研究、合理设计,将不同塔型、不同金具型式、同类型作业的工器具通用化、简便化、轻巧化,以提高工器具的利用率和作业效率。
3.3编制完善带电作业工器具使用说明书
带电作业工器具现场使用说明书应包含作业范围、安装要求、机械性能、使用中应注意的问题及关键环节和检查、试验方法及要求等内容,从而强化带电作业工器具技术管理;并要求作业人员在作业前应对照说明书检查作业所需工器具是否合格、齐备,以保证作业人员的生命安全。
结语
在特高压输电线路工程大截面导线的应用下,应选择具有较高抗拉强度、低温性能良好、经济性能好的35CrMo、40Cr、Q690(调质)作为连接金具的材料,连接金具的外形尺寸及重量可以得到有效地控制,相同载荷下材料能减轻10%以上,降低金具的运输成本和施工强度,对整个特高压输电线路的安装维护及线路安全有着重要意义。带电作业工器具仍有很大改进空间,可通过研制使用新工艺、新材料的便捷工器具,进一步扩大带电作业工器具的应用范围,提高操作效率,促进带电作业水平的提升。
参考文献
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[3]孔德春.特高压金具热镀锌缺陷分析与控制[M].中国机械,2016(24):216-218.
论文作者:李明博
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/23
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