高强度铝合金材料电力金具的应用研究

季 伟，张飞勇，孟繁东，王文军，吴建灵，韩怡秋，邵明亮

（1.丽水正阳电力建设有限公司，浙江 丽水 323000；2.贵州晟展峰新材料科技有限公司，贵阳 550003）

0 引言

电力金具是线路中连接和组合电力系统的各类装置，起到传递机械负荷、电气负荷以及防护作用，通常单个体积小、种类繁多、用途各异。长期以来，电力金具作为主体线路中的附件，在轻量化、节能化和高效性方面并未得到足够重视。在输配电线路中电力金具材料绝大多数为铁金属和铝金属，其中应用最广泛的是铸铁和铸造铝合金[1]。铸铁金具质量较大，热镀锌环境污染严重，在线路运行中逐渐暴露出弊端，特别是闭合磁回路带来的电能损耗。铝合金电力金具由于考虑到其不规则结构和铸造性能，常用ZL101A，ZL102和GZLSi7MgTi 等铸造铝合金。徐乃管等[2]最早进行了开发应用节能金具铝合金线夹的重要意义的论证，综合对比了铸铁和铝合金悬垂线夹的能耗数据，认为采用铝合金金具可获得巨大的经济和社会效益。在国内，中国能建南京线材公司等企业先后开发、推广铝合金线夹等金具，主要有铝合金悬垂线夹、耐张线夹等[3-4]。目前，杭州地区的500 kV 线路普遍采用了铝合金线夹，而110～220 kV 线路绝大部分采用马铁金具。在国外，铝合金金具作为一种重要节能技术，进行了强制或推荐使用，如俄罗斯等国家在220～750 kV 线路上广泛采用铝合金线夹[5]。

尽管铝合金金具由于其节能效应，已在线路上承载力不大、与导线接触的线夹金具中大量使用，然而依据《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330 MPa，但现用铸铝金具材料的抗拉强度不足200 MPa。为满足使用要求，则需要比铸铁金具更大的承载截面尺寸，显著增大了制造成本，且对于一些线路中受力较大的部件（如连接金具等），常规铝合金材料则存在很大的应用局限性，亟需高强度的铝合金材料来解决这一难题。

1 高强度铝合金材料与工艺

传统的铝合金强化手段主要利用固溶的合金元素析出强化相以增强铝合金，但其进一步提升铝合金材料性能的能力已相当有限。近年来，随着非金属纳米材料的出现，其制备技术也不断成熟，低廉的成本加上优异的性能为金属材料改性提供了新的思路[6-8]。本文提出的节能电力金具采用了专利公开的一种纳米改性铝合金材料[9]，通过运用纳米改性技术将碳纳米管弥散分布至铝基体中，显著增强铝基体中的界面，从而有效阻碍基体晶粒在受力状态下发生移动，提升了铝合金基体的机械强度。批量供应的纳米改性铝合金材料强度超过420 MPa，延伸率达到了10%以上。

鉴于纳米改性铝合金流动性不足，难以采用传统压铸方式制造金具，因此采用了锻压成型的方式进行。通过合理设计模具和控制模锻温度，纳米改性铝合金坯料发生变形并充满型腔，从而获得了具有良好的宏观组织和较高力学性能的金具锻件。

2 典型的高强铝合金金具结构

2.1 碗头挂板

在线路中起到连接悬垂线夹和绝缘子串的作用，按结构和使用条件可分为单联和双联碗头挂板。碗头挂板作为一种常用的连接金具，被大量应用于输电塔上，往往承受着较大载荷，其性能优劣对输配电线路安全至关重要。图1 分别展示了单联和双联的高强度铝合金碗头挂板的三维结构，其本体材质采用了新型的纳米改性铝合金，连接尺寸与线路通用设计要求一致，其破坏载荷是标称的1.6 倍，重量仅为同规格铸铁金具的30%～50%。

图1 高强度铝合金碗头挂板的结构

2.2 悬垂线夹

悬垂线夹是用于悬挂和支托导线，要求能承受规定的垂直荷载和对导线的握力。从结构上分为中心回转式、上扛式和提包式。图2 展示了中心回转式的高强度铝合金悬垂线夹的三维结构，其船体和压舌材料采用新型的纳米改性铝合金，具备较高的强度和握力。

图2 中心回转式的高强度铝合金悬垂线夹的结构

2.3 楔型线夹和UT 线夹

楔型线夹和UT 线夹属于拉线金具，是用于杆塔至地锚之间连接、固定和调整拉线，其结构如图3 所示。其中，高强度的纳米改性铝合金腔体和楔块保证了拉线握力，结构安全可靠。

3 技术优势性分析

3.1 节能

图3 高强度铝合金楔型线夹和UT 线夹的结构

传统的铁质金具材质为铁磁性材料，当导线中通过交变电流时，在其周围产生交变磁场，在磁场作用下铁磁性材料金具反复磁化；由于磁畴的反复转向，铁磁材料内部分子互相摩擦发热而造成了能量损耗，这部分磁滞损耗在金具能耗中占比最大[10]。相关研究表明，在配电网中由金具产生的能耗约占输电容量的0.01%～0.03%[11]。相比较下，本文研究的高强度铝合金金具材质为几乎无磁性的铝合金材料，可显著消除磁滞损。按照DL/T 1288—2013《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》，对高强铝合金碗头单元进行了能耗测试[12]。具体地，采用铜绞线将悬挂有碗头（W-0770）的线夹金具与大电流发生装置连接组成电流回路，分别通过120 A，185 A 和240 A 试验电流，待导线温度稳定30 min 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金具数量，计算出单个金具的能耗值，测试结果如表1 所示。

由表1 数据可知，当试验电流为120 A 时，高强铝合金碗头（W-0770）相对于铸铁碗头单元，可降低能耗0.7 W 左右；当试验电流为185 A时，可降低能耗1.7 W；当试验电流为240 A 时，可降低能耗3.1 W。当输配电电流增加，铝合金金具的节能效应愈加明显。线路中数以万计的铁制类金具在每时每刻消耗电能，每年的损耗量数亿千瓦以上，而采用铝合金质金具可明显降低金具能耗。

3.2 环保

铝在大气中主要位于钝化区，不易发生大气腐蚀，其主要原因是铝表面生成了一层致密的氧化膜，从而阻隔了活性铝表面与腐蚀介质的接触，避免了进一步氧化腐蚀，使得铝合金金具展现出优异的耐蚀特性。通过循环盐雾腐蚀实验，在盐雾试验箱中模拟高强度铝合金在沿海环境的腐蚀过程，腐蚀液为4%～6%（质量分数）的NaCl 溶液，实验周期分别为240 h，480 h 和960 h。每个周期取出3 片试样，按照GB/T 16545—2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》进行腐蚀质量损失的统计。与初始样品对比，高强度铝合金经长时间加速腐蚀试验后，质量几乎无变化，表明铝合金表面致密的氧化层为基体提供了很好的保护作用[13-14]，这一点相对于铸铁类金具而言具有明显的优势。众所周知，热镀锌是铸铁类金具必不可少的防腐手段，一般要求热镀锌层厚度超过70 μm，而在腐蚀较重的化工区，为保障电网运行安全，应采取加强的金具防腐措施，建议镀锌层厚度增加到192 μm[15]。尽管有镀锌层保护，但是金具通常是活动的，且一般处于拉应力的受力状态，由于撞击、摩擦、酸性腐蚀等原因，在运行过程中仍易发生锈蚀破坏。此外，热镀锌工艺产生大量废液、废气等，对环境的污染巨大[16]，近年来由于环保治理的要求，大批镀锌厂被关停，导致铸铁金具供货紧张、价格上涨。高强度铝合金金具免除热镀锌的优点，使得其应用价值凸显。

3.3 质量与强度

高强度铝合金金具所采用的纳米改性铝合金材料密度仅为铁的1/3，而强度要高于铸铁和铸铝的水平。依据GB/T 2317.1—2008《电力金具试验方法 第1 部分： 机械试验》进行破坏载荷测试，表2 列出了各型号的高强度铝合金金具与某厂铸铁金具的参考重量和破坏载荷对比数据，从表2可以看出，高强度铝合金金具的重量为同规格铸铁金具的30%～50%，而破坏载荷则较同规格铸铁金具提升了14%～45%，可为线路安全运行提供更可靠、长效的保障。

表1 碗头挂板（W-0770）的能耗测试数据

表2 高强铝合金金具与某厂铸铁金具的参考重量和破坏载荷对比

4 应用情况

在某10 kV 配电网线路中，安装使用了高强铝合金材质的碗头挂板3 150 只，悬垂线夹3 200只，UT 线夹2 100 只，楔型线夹2 100 只。轻质的高强铝合金金具便于运输和安装，大幅减轻了工作强度，提高了施工效率。在节能方面，根据高强铝合金碗头挂板能耗测试结果计算，在后续线路运行过程中，每年可节约电能82 782 kWh。且对金具的上游制造工艺而言，高强铝合金金具采用较为先进的锻造工艺，保证了产品稳定性和质量可靠性，金具表面无需进行热镀锌，属于绿色生产技术。

5 结语

作为线路重要组成部分的电力金具在很大程度上影响着线路安全性、节能和环保水平等，相对于传统铸铁金具，基于新材料和新工艺的高强度铝合金金具具有磁损小、强度高、质量轻、耐腐蚀性能好等优点，降低了线路中金具引起的电能损失，实现节能降耗效果；缓解了铸铁原材料来源受限、制造过程中能耗高、表面镀锌污染大等问题，减少污染物排放；克服了现用铸铝金具材料机械性能不足的应用障碍，满足了电力工业的发展需求。