電力金具是指在架空輸電線路中擔負著機械連接、固定及保護作用的各類金屬附件，是架空輸電線路的重要組成部件之一，主要包括連接金具、接續(xù)金具、耐張線夾、懸垂線夾、保護金具等。電力金具在輸變電工程中起著重要作用，其質(zhì)量穩(wěn)定性及可靠性直接決定電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。

近年來，隨著我國電力行業(yè)特別是特高壓線路建設(shè)的迅速發(fā)展，伴隨著我國輸電線路輸送量大、跨越距離長，以及需經(jīng)過各種復(fù)雜的氣候及地貌地區(qū)等特點，電力系統(tǒng)對架空輸電線路電力金具的電氣性能、機械性能、可靠性、耐久性、節(jié)能性、經(jīng)濟性等都提出了更高的要求。電力金具的選材是決定其綜合性能的最關(guān)鍵因素之一。

本文首先介紹電力行業(yè)現(xiàn)行鐵制及鋁制金具材料的研究現(xiàn)狀；然后，從新型節(jié)能型金具材料和高強度金具材料兩方面對新型電力金具材料研究進展進行綜述；最后，對電力金具材料的未來發(fā)展趨勢進行概述。

1 現(xiàn)行傳統(tǒng)金具材料研究現(xiàn)狀

1.1 鐵制金具

目前，輸電線路金具常用材料主要有可鍛鑄鐵、鋼材、鋁及鋁合金。可鍛鑄鐵及鋼材等由于具有優(yōu)異的機械性能及低廉的價格等優(yōu)勢，在電力金具中應(yīng)用非常廣泛。如我國輸電線路上球頭掛環(huán)類產(chǎn)品采用的鋼材牌號為Q235A、40、40Cr等，U型掛環(huán)類產(chǎn)品主要采用Q235A、35等鋼材制成。

依據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計（2017年版）》要求，鑄鐵金具材料的抗拉強度需高于330MPa，而目前電力行業(yè)用鑄鐵及鋼類金具的抗拉強度均高于360MPa，如Q234A、35鋼、40鋼的抗拉強度分別為370MPa、530MPa、570MPa，遠超過標準規(guī)定的強度要求。

雖然鐵制金具目前在電力工業(yè)中仍占據(jù)重要地位，但隨著我國電力行業(yè)對金具需求量逐漸增大、對金具綜合性能要求越來越高，該類金具在電力系統(tǒng)日常運行及維護中暴露出一系列問題，主要有：

1）鐵制金具密度較大，因此往往粗大笨重，為日常運輸及安裝帶來了極大的不便且使成本增加。

2）鑄鐵類金具耐腐蝕性較差。

在實際使用過程中，為了提升鑄鐵類金具的耐蝕性，往往需要對該類金具進行表面熱鍍鋅防腐處理。熱鍍鋅是將鐵基金屬除銹后浸入高溫熔融液態(tài)的鋅液中以獲得鍍層的方法。然而，熱鍍鋅產(chǎn)業(yè)是一種高污染行業(yè)，熱鍍鋅過程產(chǎn)生的鍍液廢液嚴重污染環(huán)境；另外，鍍鋅層厚度往往較薄而易在機械外力作用下產(chǎn)生脫落破壞，暴露出底層的鑄鐵基體，從而顯著降低金具的耐腐蝕性能。

Chen Hao等通過對220kV線路使用的U型掛環(huán)金具的腐蝕機制進行分析表明，金具表面熱鍍鋅層厚度不均勻且小于標準要求厚度是導致金具基體材料提前腐蝕失效的關(guān)鍵因素之一。

3）鑄鐵類金具存在嚴重的磁滯損耗及渦流損耗，將顯著降低電能利用效率。

用于制造電力金具的傳統(tǒng)可鍛鑄鐵或鑄鋼均屬于鐵磁性材料，金具圍繞導線會構(gòu)成閉合回路。當在導線中通入交變電流時，會在導線周圍產(chǎn)生交變磁場，鐵磁性金具材料在交變磁場中反復(fù)磁化，由于磁感應(yīng)強度的變化總是滯后于磁場強度的變化而產(chǎn)生磁滯效應(yīng)。由于磁疇的反復(fù)轉(zhuǎn)向，鐵磁金具內(nèi)部的分子摩擦發(fā)熱而造成磁滯能量損耗。同時，交變磁場在金具內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流即渦流，由此進一步產(chǎn)生功率損耗，即渦流損耗。

美國Ohio Brass公司的研究數(shù)據(jù)表明，鐵磁性金具由于磁滯損耗和渦流損耗產(chǎn)生的電能損耗約占輸電容器的0.01%～0.03%。我國地域遼闊，輸電線路使用金具數(shù)量龐大，眾多金具產(chǎn)生的總能耗量更是相當驚人。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全國高壓線路因可鍛鑄鐵懸垂線夾引起的總電能損耗超過3.4億kW?h/年，總電費損失達1.3億元/年。

鐵磁性電力金具嚴重的電能損耗不僅帶來巨大的能源浪費和經(jīng)濟損失，而且由此產(chǎn)生的熱量使金具內(nèi)導線溫度升高，進而導致其機械強度降低，從而降低金具長期服役的安全可靠性和耐久性。鑄造中國智能電網(wǎng)，是我國智能能源發(fā)展的重要工作，其核心就是降低能耗、節(jié)約資源。因此，發(fā)展高效節(jié)能型電力金具至關(guān)重要。

1.2 鋁制金具

針對鐵制金具粗大笨重、耐蝕性差及能耗大的問題，鋁及鋁合金制電力金具應(yīng)運而生。與鐵制金具相比，鋁制金具具有一系列的優(yōu)越性：

1）密度較小，其密度僅為鐵的1/3，使金具質(zhì)量顯著降低，從而減輕線路負載、方便運輸及維護，是制備輕量化金具的首選材料。

2）優(yōu)異的耐蝕性。鋁及鋁合金制金具在服役過程中很容易在其表面生成一層致密的氧化鋁鈍化膜，可有效阻止氧元素及腐蝕介質(zhì)等向基材內(nèi)部擴散，減輕基材的進一步氧化腐蝕，從而賦予鋁制金具優(yōu)異的耐腐蝕性能，有效消除了鐵制金具因需熱鍍鋅帶來的環(huán)境污染問題。

3）鋁及鋁合金為無磁性材料，可有效抑制金具在使用過程中的磁滯損耗、大幅減少渦流損耗。200A電流條件下常規(guī)鐵制金具與節(jié)能鋁制金具的能耗對比如圖1所示。因此，鋁制金具具有優(yōu)異的高效節(jié)能環(huán)保特性，在現(xiàn)行電力金具市場中占有重要份額。

圖1

程云堂等通過有限元模擬方法分析對比了鑄鐵類和鋁合金類金具的磁通密度及渦流密度的分布及能耗。結(jié)果表明，鋁制金具的能耗較鑄鐵金具顯著降低，其能耗僅為鑄鐵金具的5%～10%。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當將鋁制節(jié)能懸垂線夾代替可鍛鑄鐵懸垂線夾應(yīng)用在110kV及220kV高壓線路上時，每100km每年可節(jié)能9.6萬kW?h；當應(yīng)用在35kV高壓線路時，每100km每年可節(jié)能3.07萬kW?h，即電壓等級越高鋁制金具的節(jié)能效果越顯著。鋁制懸垂線夾節(jié)能情況見表1。

表1

Li Tianwei等采用有限元模擬方法計算了不同通電電流條件下鑄鐵類懸垂線夾與鋁合金懸垂線夾的能耗情況。結(jié)果也表明，在相同的電流下，鋁合金懸垂線夾的能耗顯著低于鑄鐵類線夾的能耗。進一步計算表明，當用鋁合金代替鑄鐵制作懸垂線夾時，鋁合金能耗降低所節(jié)約的電費可在不到12年內(nèi)補償鋁合金材料帶來的成本提升。

目前，國內(nèi)外正在各電力系統(tǒng)中大量應(yīng)用并積極推廣鋁制金具。例如，我國500kV的超高壓輸電線路上早已普遍使用了鋁線夾。世界范圍內(nèi)，俄羅斯、美國等國家也在高壓線路上大量應(yīng)用了鋁制金具。

然而，鋁制金具也存在諸多問題：

1）價格較高，一般為可鍛鑄鐵和鑄鋼金具的3～5倍。如果采用鋁制金具替代現(xiàn)有鑄鐵或鑄鋼類金具，如此高昂的價格將給當?shù)卣畮砭薮蟮慕?jīng)濟壓力。

2）鋁制金具機械強度較低，難以滿足電力行業(yè)要求。現(xiàn)有普通鋁合金，如常用的ZL102、ZL101A等，其抗拉強度僅為140MPa左右，顯著低于國家電網(wǎng)公司對于可鍛鑄鐵金具強度的要求。

3）電力金具用鋁主要采用電解鋁方法制成，該過程會產(chǎn)生大量的廢氣（如一氧化碳、氟化氫、四氟化碳）、固體顆粒物及廢液，對環(huán)境造成嚴重污染。

因此，鋁制金具高昂的價格、較低的機械強度及電解鋁過程產(chǎn)生的環(huán)境污染限制了其在電力輸電線路中的大范圍推廣應(yīng)用。

2 新型輸電線路金具材料研究進展及應(yīng)用

基于上述現(xiàn)行傳統(tǒng)金具材料存在的諸多問題，目前的新型金具材料研究主要集中在高效節(jié)能型金具材料領(lǐng)域，如高強鋁及鋁合金、無磁鋼和塑料基復(fù)合材料，以及適用于特高壓輸電線路的新型高強度金具材料。

2.1 新型節(jié)能型金具材料

隨著國家對能源利用及環(huán)境污染問題的重視，高能耗、高污染的電力金具將逐漸被電力市場淘汰，高效節(jié)能且符合電力工業(yè)及智能電網(wǎng)要求的新型電力金具的推廣應(yīng)用符合國家戰(zhàn)略發(fā)展要求，且具有巨大的社會效益及經(jīng)濟效益，是大勢所趨。

由國內(nèi)電力行業(yè)專家組成的標準工作組編制的IEEE P2747《電力金具節(jié)能技術(shù)評價導則》于2020年9月25日正式出版，表明中國在電力金具節(jié)能效率和節(jié)能技術(shù)研究工作方面已走在世界前列。使用高效節(jié)能型電力金具是解決傳統(tǒng)金具高能耗問題的主要方法，具體可通過以下途徑實現(xiàn)：

1）使用高強度鋁及鋁合金制無磁性金具。

如1.2節(jié)所述，鋁及鋁合金無磁性，可以有效消除傳統(tǒng)鑄鐵類金具因鐵磁性而產(chǎn)生的磁滯損耗、顯著降低渦流損耗。但鋁及鋁合金制電力金具較低的機械強度是限制其在電力系統(tǒng)大力推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題，因而亟需研發(fā)高強度鋁及鋁合金制金具。

近年來，學者們試圖通過各種途徑提升鋁合金的強度以制造高強鋁合金。

國家電網(wǎng)公司的蔡煒等將碳納米管加入鋁合金基體內(nèi)，制備了碳納米增強鋁合金，并采用該高強鋁合金制備了碗頭掛板。結(jié)果表明，該金具的抗拉強度超過400MPa，顯著高于傳統(tǒng)鋁合金金具，且該增強鋁合金金具有高韌性及優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性，其質(zhì)量較可鍛鑄鐵金具減輕了2/3，在高強度、高效節(jié)能電力金具方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。

J Stein等采用粉末冶金法制備了多壁碳納米管增強的鋁合金材料。結(jié)果表明，在鋁合金中均勻分散的碳納米管可以顯著提升其強度，質(zhì)量百分比為1.5%的碳納米管可使鋁合金的抗拉強度提升至427MPa。國網(wǎng)北京電力公司的李捷等通過在Al-Si-Mg合金中加入鍶（Sr）作為變質(zhì)劑，使合金晶粒細化，從而增強了鋁合金的強度和塑性，其抗拉強度提升至325.6MPa，伸長率為8.3%。

雖然學者們已研發(fā)出了多種制備高強鋁合金的方法，但是其高昂的價格仍然不能滿足輸電線路的經(jīng)濟需求。

2）使用其他無磁或低磁材料制造電力金具。

目前，研究較多的無磁或低磁材料主要有無磁鋼和塑料基復(fù)合材料。由鑄鐵件相關(guān)理論知識可知，F(xiàn)e-C合金的鐵磁性與其組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，即珠光體或鐵素體結(jié)構(gòu)的Fe-C合金具有強磁性，而奧氏體組織的Fe-C合金基本無磁性。因此，可以通過改變熱處理條件或優(yōu)化Fe-C合金的組織結(jié)構(gòu)以得到奧氏體組織，便可得到無磁性的Fe-C合金。研究表明，通過在Fe-C合金中加入擴大奧氏體區(qū)的合金元素，如Mn或Ni，可以得到室溫下的奧氏體組織。

陸松華等通過在鐵基合金鋼中加入Mn元素制備了高錳Fe-Mn無磁鋼，并采用該材料制備了高效節(jié)能的電力金具。其試驗結(jié)果表明，采用Fe-Mn無磁鋼制成的XGU—3W懸垂線夾在保證強度的基礎(chǔ)上，能耗顯著降低，僅為1.23W，與傳統(tǒng)Q235鋼相比，其節(jié)能率達到92.4%。雖然無磁鋼電力金具在高效節(jié)能方面表現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，但目前無磁鋼制造成本仍然較高，約為Q235鋼材的2～3倍，雖然與鋁材相比已表現(xiàn)出一定的經(jīng)濟優(yōu)勢，但仍然限制了其在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

除了無磁鋼，另一種具有巨大潛力的新型高效節(jié)能無磁性材料是塑料基復(fù)合材料。中國電力科學研究院與數(shù)家單位聯(lián)合研發(fā)的PA—G—F—200型改性增強型尼龍材料由于具有優(yōu)異的耐腐蝕性、絕緣性、無磁性、輕質(zhì)高強及低成本等特點，使磁滯損耗及渦流損耗顯著降低，且無電暈放電產(chǎn)生，該材料已被證明可基本滿足高效節(jié)能金具的技術(shù)要求。

程云堂等采用有限元模擬方法，對采用復(fù)合材料的懸垂線夾CGH—4的能耗進行了計算。結(jié)果表明，復(fù)合材料金具在不同電流負荷下均無能量損耗，其節(jié)能性顯著優(yōu)于鋁制及鐵制金具。牛海軍等為了研制新型高效節(jié)能金具材料，通過對數(shù)十種工程塑料進行遴選和研究，最終確定了以PA66尼龍為基材，在其中加入玻璃纖維、增韌劑、耐臭氧和耐腐蝕等改性材料，成功研制出一種改性復(fù)合材料，其抗拉強度達210MPa，且具有良好的耐候性，綜合性能滿足國家標準和電力行業(yè)標準要求。

基于該復(fù)合材料的間隔棒和懸垂線夾已應(yīng)用于35kV和220kV架空輸電線路中，運行狀況良好。各種材料在不同溫度下的抗張強度見表2。

表2

晁芬等采用自制玻璃纖維對PA66尼龍材料進行增強改性，以制備耐老化節(jié)能型復(fù)合材料金具。結(jié)果表明，新型玻璃纖維增強型PA66復(fù)合材料耐老化性能顯著改善，能夠滿足電力金具的使用要求，且與鋁合金金具相比，具有價格低廉、易加工等優(yōu)勢。

Huang Jingyao等將自制的玻璃纖維增強型復(fù)合材料應(yīng)用于線路間隔棒上，其抗拉強度大于350MPa，且耐老化性能優(yōu)異。復(fù)合材料金具優(yōu)異的節(jié)能性、絕緣性、價低及輕質(zhì)等特點，使其成為制造新一代節(jié)能型電力金具的重要材料。然而，當前的塑料基復(fù)合金具仍面臨機械強度不夠及不耐長期老化的問題，其長效服役安全可靠性有待提升。

3）切斷磁回路。

可通過將電力金具中的個別零件更換為低磁或無磁材料，以增大回路上的磁阻，從而減少磁滯損耗和渦流損耗。雖然該方法可在一定程度上減小金具的能耗，然而其主體仍需采用粗大笨重、需熱鍍鋅的鑄鐵材料，因此難以從根本上解決問題。

2.2 新型高強度金具材料

金具是架空輸電線路的重要組成部分，其強度直接關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行，特別隨著我國特高壓線路建設(shè)的迅猛發(fā)展，更是對金具材料的強度提出了更高的要求，一些普通常用材料的強度已不能滿足特高壓線路的基本要求。

2008年山西朔州220kV向方線金具和2011年忻州220kV忻義線桿塔金具發(fā)生突然斷裂。通過對金具斷裂原因進行全面分析發(fā)現(xiàn)，兩次事故均起源于材料的疲勞斷裂。因此，在特高壓輸電線路中選用高強度且經(jīng)濟性能優(yōu)異的鋼材替代現(xiàn)有強度相對較低的可鍛鑄鐵（KTH330—08、QT500—7）或碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235A、35、40等），可有效保障特高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

宋鐵創(chuàng)等通過對幾種常用連接金具材料（Q235、35、KTH33008、40、40Cr、35CrMo、Q690、40CrMnMo）的力學性能、低溫性能、防腐性能及經(jīng)濟性能進行綜合對比分析得出，在特高壓輸電線路工程大截面導線的應(yīng)用背景下，應(yīng)選擇具有高抗拉強度（大于650MPa）、低溫性能良好且性價比高的35CrMo、40Cr、Q690等作為連接金具材料，以保障特高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運行及安裝維護。

牛海軍等通過有限元模擬和試驗驗證表明，基于ZG30CrMo經(jīng)熱處理和鍛造制備的材料，在質(zhì)量降低12%的基礎(chǔ)上，抗拉強度和屈服強度較普通材料有大幅度提升，從而有利于提升線路的整體可靠性。且采用該材料試制的碗頭掛板及U型環(huán)等滿足實際工程需求，對于建設(shè)高可靠性及資源節(jié)約型電網(wǎng)具有重要意義。

王剛等通過對比幾種連接金具常用材料的綜合性能，提出采用12CrNi3作為特高壓輸電線路連接金具材料，并采用該材料制造了U型掛環(huán)。通過有限元模擬得出，12CrNi3的抗拉強度達930MPa，滿足U型掛環(huán)強度和設(shè)計余量的國家標準和實際工程需要。

本文進一步通過試驗試制12CrNi3材料的U型掛環(huán)，表明該金具與35CrMo制成的U型掛環(huán)相比，可減重31.3%。雖然該材料價格較貴，但采用該材料制成的金具安裝難度及運輸成本大大降低，所以從原材料運輸、安裝等綜合角度出發(fā)，該材料在特高壓輸電線路金具中仍具有巨大潛力，特別是特高壓輸電工程中所需要的大噸位金具。

除了金屬材料，一些學者提出采用高強度陶瓷材料作為新型電力金具材料。江全才等采用有限元模擬，計算了采用具有高強度、高硬度、高耐蝕及優(yōu)異絕緣性能的氮化硅陶瓷材料制成的懸垂線夾的力學性能。結(jié)果表明，在設(shè)計范圍內(nèi)，該懸垂線夾能夠滿足自重載荷工況要求，基本滿足投入實際生產(chǎn)且良好運行的要求，可以替代現(xiàn)行鑄鐵類材料制備懸垂線夾。

3 結(jié)論

電力金具的選材直接影響金具的電氣性能、機械性能及節(jié)能性等，決定了其服役穩(wěn)定性，從而關(guān)系到整個輸電線路系統(tǒng)的長期安全可靠運行。本文將傳統(tǒng)金具材料的研究現(xiàn)狀、新型金具材料的研究進展情況及發(fā)展趨勢總結(jié)如下：

1）傳統(tǒng)鑄鐵類金具雖然機械強度較高、價格相對低廉，但是其強的鐵磁性決定了其高的磁滯損耗和渦流損耗，大的電能損耗不可避免。

2）無磁性的鋁及鋁合金類金具具有高效節(jié)能的特點，是新一代節(jié)能金具的首選材料。然而，其相對較高的成本及較低的機械強度限制了其在電力行業(yè)的大范圍推廣應(yīng)用，研發(fā)高強度、低成本鋁制金具是大勢所趨。

3）無磁或低磁的無磁鋼和塑料基復(fù)合材料由于其高效節(jié)能性而呈現(xiàn)繁榮發(fā)展態(tài)勢。然而，無磁鋼在價格方面仍表現(xiàn)出相對劣勢；復(fù)合材料的低強度、易老化等特點限制了其大力發(fā)展。

4）在特高壓輸電線路上需采用更高強度的材料制造金具，以承載更大的應(yīng)力載荷。學者們通過對比研究篩選出了一系列性價比高的高強度鋼（如35CrMo、40Cr、12CrNi3等），為特高壓輸電線路金具選材提供了科學指導，以保障金具的長期安全服役。

目前，針對現(xiàn)有金具及新型金具材料在輸電線路系統(tǒng)應(yīng)用過程中面臨的種種問題，各電網(wǎng)電力公司、研究院及高校正積極開展相關(guān)研究，以突破各種束縛，早日開發(fā)出具有質(zhì)輕高強、高效節(jié)能、優(yōu)異電氣性能及低成本的綜合性能優(yōu)良的金具材料。積極開發(fā)與推廣基于新材料、新結(jié)構(gòu)的金具仍任重而道遠。

本文編自2022年第4期《電氣技術(shù)》，論文標題為“架空輸電線路金具材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展”，作者為黨樂、郭金剛 等。