架空输电线路金具材料研究现状及发展

党 乐 郭金刚 崔亚茹 陈忠源 王 栋

架空输电线路金具材料研究现状及发展

党 乐 郭金刚 崔亚茹 陈忠源 王 栋

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010020）

电力金具是架空输电线路重要的组成部件。随着我国经济不断发展及远距离输电线路规模的不断扩大，对金具的电气性能、机械性能、节能性及经济性提出了更高的要求。本文从基础理论出发，结合实际工程应用研究，首先介绍现有传统铸铁类金具及铝制金具的发展及应用现状；然后，对输电线路新型节能及高强度电力金具材料的研究进展进行综述；最后，对架空输电线路金具材料的未来发展趋势进行展望，以期为电力金具的选材及发展提供理论与应用基础，为提升输电线路的经济效益及安全稳定性提供科学指导。

电力金具；材料；节能；高强度

0 引言

电力金具是指在架空输电线路中担负着机械连接、固定及保护作用的各类金属附件，是架空输电线路的重要组成部件之一，主要包括连接金具、接续金具、耐张线夹、悬垂线夹、保护金具等[1]。电力金具在输变电工程中起着重要作用，其质量稳定性及可靠性直接决定电网系统的安全运行。近年来，随着我国电力行业特别是特高压线路建设的迅速发展，伴随着我国输电线路输送量大、跨越距离长，以及需经过各种复杂的气候及地貌地区等特点，电力系统对架空输电线路电力金具的电气性能、机械性能、可靠性、耐久性、节能性、经济性等都提出了更高的要求。电力金具的选材是决定其综合性能的最关键因素之一。本文首先介绍电力行业现行铁制及铝制金具材料的研究现状；然后，从新型节能型金具材料和高强度金具材料两方面对新型电力金具材料研究进展进行综述；最后，对电力金具材料的未来发展趋势进行概述。

1 现行传统金具材料研究现状

1.1 铁制金具

目前，输电线路金具常用材料主要有可锻铸铁、钢材、铝及铝合金。可锻铸铁及钢材等由于具有优异的机械性能及低廉的价格等优势，在电力金具中应用非常广泛。如我国输电线路上球头挂环类产品采用的钢材牌号为Q235A、40、40Cr等，U型挂环类产品主要采用Q235A、35等钢材制成。依据《国家电网公司输变电工程通用设计（2017年版）》要求，铸铁金具材料的抗拉强度需高于330MPa[2]，而目前电力行业用铸铁及钢类金具的抗拉强度均高于360MPa，如Q234A、35钢、40钢的抗拉强度分别为370MPa、530MPa、570MPa，远超过标准规定的强度要求[3]。

虽然铁制金具目前在电力工业中仍占据重要地位，但随着我国电力行业对金具需求量逐渐增大、对金具综合性能要求越来越高，该类金具在电力系统日常运行及维护中暴露出一系列问题，主要有：

1）铁制金具密度较大，因此往往粗大笨重，为日常运输及安装带来了极大的不便且使成本增加。

2）铸铁类金具耐腐蚀性较差。在实际使用过程中，为了提升铸铁类金具的耐蚀性，往往需要对该类金具进行表面热镀锌防腐处理。热镀锌是将铁基金属除锈后浸入高温熔融液态的锌液中以获得镀层的方法。然而，热镀锌产业是一种高污染行业，热镀锌过程产生的镀液废液严重污染环境；另外，镀锌层厚度往往较薄而易在机械外力作用下产生脱落破坏，暴露出底层的铸铁基体，从而显著降低金具的耐腐蚀性能[4]。Chen Hao等[5]通过对220kV线路使用的U型挂环金具的腐蚀机制进行分析表明，金具表面热镀锌层厚度不均匀且小于标准要求厚度是导致金具基体材料提前腐蚀失效的关键因素之一。

3）铸铁类金具存在严重的磁滞损耗及涡流损耗，将显著降低电能利用效率[6-7]。用于制造电力金具的传统可锻铸铁或铸钢均属于铁磁性材料，金具围绕导线会构成闭合回路。当在导线中通入交变电流时，会在导线周围产生交变磁场，铁磁性金具材料在交变磁场中反复磁化，由于磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化而产生磁滞效应。由于磁畴的反复转向，铁磁金具内部的分子摩擦发热而造成磁滞能量损耗。同时，交变磁场在金具内部产生感应电动势和感应电流即涡流，由此进一步产生功率损耗，即涡流损耗[8-9]。

美国Ohio Brass公司的研究数据表明，铁磁性金具由于磁滞损耗和涡流损耗产生的电能损耗约占输电容器的0.01%～0.03%。我国地域辽阔，输电线路使用金具数量庞大，众多金具产生的总能耗量更是相当惊人。统计数据显示，全国高压线路因可锻铸铁悬垂线夹引起的总电能损耗超过3.4亿kW·h/年，总电费损失达1.3亿元/年[10]。铁磁性电力金具严重的电能损耗不仅带来巨大的能源浪费和经济损失，而且由此产生的热量使金具内导线温度升高，进而导致其机械强度降低，从而降低金具长期服役的安全可靠性和耐久性。铸造中国智能电网，是我国智能能源发展的重要工作，其核心就是降低能耗、节约资源[11]。因此，发展高效节能型电力金具至关重要。

1.2 铝制金具

针对铁制金具粗大笨重、耐蚀性差及能耗大的问题，铝及铝合金制电力金具应运而生。与铁制金具相比，铝制金具具有一系列优越性：

1）密度较小，其密度仅为铁的1/3，使金具质量显著降低，从而减轻线路负载、方便运输及维护，是制备轻量化金具的首选材料。

2）优异的耐蚀性。铝及铝合金制金具在服役过程中很容易在其表面生成一层致密的氧化铝钝化膜，可有效阻止氧元素及腐蚀介质等向基材内部扩散，减轻基材的进一步氧化腐蚀，从而赋予铝制金具优异的耐腐蚀性能，有效消除了铁制金具因需热镀锌带来的环境污染问题。

3）铝及铝合金为无磁性材料，可有效抑制金具在使用过程中的磁滞损耗、大幅减少涡流损耗。200A电流条件下常规铁制金具与节能铝制金具的能耗对比如图1所示[1]。因此，铝制金具具有优异的高效节能环保特性，在现行电力金具市场中占有重要份额[12-14]。

图1 200A电流条件下常规铁制金具与节能铝制金具的能耗对比

程云堂等[15]通过有限元模拟方法分析对比了铸铁类和铝合金类金具的磁通密度及涡流密度的分布及能耗。结果表明，铝制金具的能耗较铸铁金具显著降低，其能耗仅为铸铁金具的5%～10%。统计数据显示，当将铝制节能悬垂线夹代替可锻铸铁悬垂线夹应用在110kV及220kV高压线路上时，每100km每年可节能9.6万kW·h；当应用在35kV高压线路时，每100km每年可节能3.07万kW·h，即电压等级越高铝制金具的节能效果越显著。铝制悬垂线夹节能情况见表1[10]。Li Tianwei等[16]采用有限元模拟方法计算了不同通电电流条件下铸铁类悬垂线夹与铝合金悬垂线夹的能耗情况。结果也表明，在相同的电流下，铝合金悬垂线夹的能耗显著低于铸铁类线夹能耗。进一步计算表明，当用铝合金代替铸铁制作悬垂线夹时，铝合金能耗降低所节约的电费可在不到12年内补偿铝合金材料带来的成本提升。目前，国内外正在各电力系统中大量应用并积极推广铝制金具。例如，我国500kV的超高压输电线路上早已普遍使用了铝线夹。世界范围内，俄罗斯、美国等国家也在高压线路上大量应用了铝制金具。

表1 铝制悬垂线夹节能情况（每100km）

然而，铝制金具也存在诸多问题：

1）价格较高，一般为可锻铸铁和铸钢金具的3～5倍。如果采用铝制金具替代现有铸铁或铸钢类金具，如此高昂的价格将给当地政府带来巨大的经济压力。

2）铝制金具机械强度较低，难以满足电力行业要求。现有普通铝合金，如常用的ZL102、ZL101A等，其抗拉强度仅为140MPa左右，显著低于国家电网公司对于可锻铸铁金具强度的要求。

3）电力金具用铝主要采用电解铝方法制成，该过程会产生大量的废气（如一氧化碳、氟化氢、四氟化碳）、固体颗粒物及废液，对环境造成严重污染。

因此，铝制金具高昂的价格、较低的机械强度及电解铝过程产生的环境污染限制了其在电力输电线路中的大范围推广应用[17-18]。

2 新型输电线路金具材料研究进展及应用

基于上述现行传统金具材料存在的诸多问题，目前的新型金具材料研究主要集中在高效节能型金具材料领域，如高强铝及铝合金、无磁钢和塑料基复合材料，以及适用于特高压输电线路的新型高强度金具材料。

2.1 新型节能型金具材料

随着国家对能源利用及环境污染问题的重视，高能耗、高污染的电力金具将逐渐被电力市场淘汰，高效节能且符合电力工业及智能电网要求的新型电力金具的推广应用符合国家战略发展要求，且具有巨大的社会效益及经济效益，是大势所趋[19-20]。由国内电力行业专家组成的标准工作组编制的IEEE P2747《电力金具节能技术评价导则》于2020年9月25日正式出版，表明中国在电力金具节能效率和节能技术研究工作方面已走在世界前列[21]。使用高效节能型电力金具是解决传统金具高能耗问题的主要方法，具体可通过以下途径实现：

1）使用高强度铝及铝合金制无磁性金具。如1.2节所述，铝及铝合金无磁性，可以有效消除传统铸铁类金具因铁磁性而产生的磁滞损耗、显著降低涡流损耗。但铝及铝合金制电力金具较低的机械强度是限制其在电力系统大力推广应用的关键问题，因而亟需研发高强度铝及铝合金制金具[2]。近年来，学者们试图通过各种途径提升铝合金的强度以制造高强铝合金。国家电网公司的蔡炜等[22]将碳纳米管加入铝合金基体内，制备了碳纳米增强铝合金，并采用该高强铝合金制备了碗头挂板。结果表明，该金具的抗拉强度超过400MPa，显著高于传统铝合金金具，且该增强铝合金金具有高韧性及优异的耐磨性、耐腐蚀性，其质量较可锻铸铁金具减轻了2/3，在高强度、高效节能电力金具方面表现出巨大的优势和潜力。J Stein等[23]采用粉末冶金法制备了多壁碳纳米管增强的铝合金材料。结果表明，在铝合金中均匀分散的碳纳米管可以显著提升其强度，质量百分比为1.5%的碳纳米管可使铝合金的抗拉强度提升至427MPa。国网北京电力公司的李捷等[24]通过在Al-Si-Mg合金中加入锶（Sr）作为变质剂，使合金晶粒细化，从而增强了铝合金的强度和塑性，其抗拉强度提升至325.6MPa，伸长率为8.3%。虽然学者们已研发出了多种制备高强铝合金的方法，但是其高昂的价格仍然不能满足输电线路的经济需求。

2）使用其他无磁或低磁材料制造电力金具。目前，研究较多的无磁或低磁材料主要有无磁钢和塑料基复合材料。由铸铁件相关理论知识可知，Fe-C合金的铁磁性与其组织结构有关，即珠光体或铁素体结构的Fe-C合金具有强磁性，而奥氏体组织的Fe-C合金基本无磁性[25]。因此，可以通过改变热处理条件或优化Fe-C合金的组织结构以得到奥氏体组织，便可得到无磁性的Fe-C合金。研究表明，通过在Fe-C合金中加入扩大奥氏体区的合金元素，如Mn或Ni，可以得到室温下的奥氏体组织[26]。陆松华等[27]通过在铁基合金钢中加入Mn元素制备了高锰Fe-Mn无磁钢，并采用该材料制备了高效节能的电力金具。其试验结果表明，采用Fe-Mn无磁钢制成的XGU—3W悬垂线夹在保证强度的基础上，能耗显著降低，仅为1.23W，与传统Q235钢相比，其节能率达到92.4%。虽然无磁钢电力金具在高效节能方面表现出巨大的潜力和优势，但目前无磁钢制造成本仍然较高，约为Q235钢材的2～3倍，虽然与铝材相比已表现出一定的经济优势，但仍然限制了其在电力行业的广泛应用。

除了无磁钢，另一种具有巨大潜力的新型高效节能无磁性材料是塑料基复合材料[28]。中国电力科学研究院与数家单位联合研发的PA—G—F—200型改性增强型尼龙材料[17]由于具有优异的耐腐蚀性、绝缘性、无磁性、轻质高强及低成本等特点，使磁滞损耗及涡流损耗显著降低，且无电晕放电产生，该材料已被证明可基本满足高效节能金具的技术要求。

程云堂等[15]采用有限元模拟方法，对采用复合材料的悬垂线夹CGH—4的能耗进行了计算。结果表明，复合材料金具在不同电流负荷下均无能量损耗，其节能性显著优于铝制及铁制金具。牛海军 等[29]为了研制新型高效节能金具材料，通过对数十种工程塑料进行遴选和研究，最终确定了以PA66尼龙为基材，在其中加入玻璃纤维、增韧剂、耐臭氧和耐腐蚀等改性材料，成功研制出一种改性复合材料，其抗拉强度达210MPa，且具有良好的耐候性，综合性能满足国家标准和电力行业标准要求。基于该复合材料的间隔棒和悬垂线夹已应用于35kV和220kV架空输电线路中，运行状况良好。各种材料在不同温度下的抗张强度见表2[29]。

晁芬等[30]采用自制玻璃纤维对PA66尼龙材料进行增强改性，以制备耐老化节能型复合材料金具。结果表明，新型玻璃纤维增强型PA66复合材料耐老化性能显著改善，能够满足电力金具的使用要求，且与铝合金金具相比，具有价格低廉、易加工等优势。Huang Jingyao等[31]将自制的玻璃纤维增强型复合材料应用于线路间隔棒上，其抗拉强度大于350MPa，且耐老化性能优异。复合材料金具优异的节能性、绝缘性、价低及轻质等特点，使其成为制造新一代节能型电力金具的重要材料。然而，当前的塑料基复合金具仍面临机械强度不够及不耐长期老化的问题，其长效服役安全可靠性有待提升。

表2 各种材料在不同温度下的抗张强度

3）切断磁回路。可通过将电力金具中的个别零件更换为低磁或无磁材料，以增大回路上的磁阻，从而减少磁滞损耗和涡流损耗。虽然该方法可在一定程度上减小金具的能耗，然而其主体仍需采用粗大笨重、需热镀锌的铸铁材料，因此难以从根本上解决问题[32]。

2.2 新型高强度金具材料

金具是架空输电线路的重要组成部分，其强度直接关系到电网系统的安全可靠运行，特别随着我国特高压线路建设的迅猛发展，更是对金具材料的强度提出了更高的要求，一些普通常用材料的强度已不能满足特高压线路的基本要求[33-34]。2008年山西朔州220kV向方线金具和2011年忻州220kV忻义线杆塔金具发生突然断裂。通过对金具断裂原因进行全面分析发现，两次事故均起源于材料的疲劳断裂[35]。因此，在特高压输电线路中选用高强度且经济性能优异的钢材替代现有强度相对较低的可锻铸铁（KTH330—08、QT500—7）或碳素结构钢（Q235A、35、40等），可有效保障特高压输电线路的安全稳定运行。

宋铁创等[3]通过对几种常用连接金具材料（Q235、35、KTH33008、40、40Cr、35CrMo、Q690、40CrMnMo）的力学性能、低温性能、防腐性能及经济性能进行综合对比分析得出，在特高压输电线路工程大截面导线的应用背景下，应选择具有高抗拉强度（大于650MPa）、低温性能良好且性价比高的35CrMo、40Cr、Q690等作为连接金具材料，以保障特高压输电线路的安全稳定运行及安装维护。牛海军等[36]通过有限元模拟和试验验证表明，基于ZG30CrMo经热处理和锻造制备的材料，在质量降低12%的基础上，抗拉强度和屈服强度较普通材料有大幅度提升，从而有利于提升线路的整体可靠性。且采用该材料试制的碗头挂板及U型环等满足实际工程需求，对于建设高可靠性及资源节约型电网具有重要意义。

王刚等[37]通过对比几种连接金具常用材料的综合性能，提出采用12CrNi3作为特高压输电线路连接金具材料，并采用该材料制造了U型挂环。通过有限元模拟得出，12CrNi3的抗拉强度达930MPa，满足U型挂环强度和设计余量的国家标准和实际工程需要。本文进一步通过试验试制12CrNi3材料的U型挂环，表明该金具与35CrMo制成的U型挂环相比，可减重31.3%。虽然该材料价格较贵，但采用该材料制成的金具安装难度及运输成本大大降低，所以从原材料运输、安装等综合角度出发，该材料在特高压输电线路金具中仍具有巨大潜力，特别是特高压输电工程中所需要的大吨位金具。

除了金属材料，一些学者提出采用高强度陶瓷材料作为新型电力金具材料。江全才等[38]采用有限元模拟，计算了采用具有高强度、高硬度、高耐蚀及优异绝缘性能的氮化硅陶瓷材料制成的悬垂线夹的力学性能。结果表明，在设计范围内，该悬垂线夹能够满足自重载荷工况要求，基本满足投入实际生产且良好运行的要求，可以替代现行铸铁类材料制备悬垂线夹。

3 结论

电力金具的选材直接影响金具的电气性能、机械性能及节能性等，决定了其服役稳定性，从而关系到整个输电线路系统的长期安全可靠运行。本文将传统金具材料的研究现状、新型金具材料的研究进展情况及发展趋势总结如下：

1）传统铸铁类金具虽然机械强度较高、价格相对低廉，但是其强的铁磁性决定了其高的磁滞损耗和涡流损耗，大的电能损耗不可避免。

2）无磁性的铝及铝合金类金具具有高效节能的特点，是新一代节能金具的首选材料。然而，其相对较高的成本及较低的机械强度限制了其在电力行业的大范围推广应用，研发高强度、低成本铝制金具是大势所趋。

3）无磁或低磁的无磁钢和塑料基复合材料由于其高效节能性而呈现繁荣发展态势。然而，无磁钢在价格方面仍表现出相对劣势；复合材料的低强度、易老化等特点限制了其大力发展。

4）在特高压输电线路上需采用更高强度的材料制造金具，以承载更大的应力载荷。学者们通过对比研究筛选出了一系列性价比高的高强度钢（如35CrMo、40Cr、12CrNi3等），为特高压输电线路金具选材提供了科学指导，以保障金具的长期安全服役。

目前，针对现有金具及新型金具材料在输电线路系统应用过程中面临的种种问题，各电网电力公司、研究院及高校正积极开展相关研究，以突破各种束缚，早日开发出具有质轻高强、高效节能、优异电气性能及低成本的综合性能优良的金具材料。积极开发与推广基于新材料、新结构的金具仍任重而道远。

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Research status and development of power fittings materials for transmission lines

DANG Le GUO Jin’gang CUI Yaru CHEN Zhongyuan WANG Dong

(Electric Power Research Institute of State Grid Inner Mongolia Eastern Electric Power Co., Ltd,Hohhot 010020)

Power fittings are important component parts in electric transmission lines. With the development of economy and the scale expansion of the long-distance transmission lines, higher demands have been put forward for the electrical, mechanical, energy-saving and economic performances of fittings. Firstly, the current research status of the conventional cast iron based and aluminum based fittings is demonstrated. Then, the research progress of some new types of energy-saving and high-strength fitting materials is reviewed. Finally, the future development trend of fitting materials is prospected. This review will provide theoretical and application basis for the materials selection and future development of electrical power fittings, and provide scientific guidance for the improvement of the economic benefit, safety and stability of transmission lines.

power fittings; materials; energy-saving; high strength

国家电网有限公司总部科技项目（5500-201924129A-0-0-00）

2021-11-08

2021-12-07

党 乐（1987—），男，内蒙古包头人，硕士，工程师，主要从事电网金属材料技术监督及电网新材料的研究应用工作。