高强度铝合金材料电力金具的应用研究

高强度铝合金材料电力金具的应用研究

倪建胜，陈宏元，刘庆国

凤凰电力有限公司，浙江 温州 325600

摘要：高强度铝合金材料具有质量轻、强度高的特点，并且无需热镀锌。采用这种材料制作电力金具，能有效的满足力学性能要求，并且具有显著的节能效果。本文对高强度铝合金材料电力金具的应用开展了研究分析，对这种材料的优缺点展开了讨论。

关键词：铝合金材料；电力金具；应用研究

电力金具在电力系统建设当中发挥着支撑载荷，提供防护等作用，电力金具的单个体积小，并且种类繁杂，不同的电力金具有着不同的功能用途。电力金具是电网中的配套附件，因此在制造中，其自身的轻量化等方面需要重点关注。但如今的电力金具材料使用中，对此的关注力度尚需加强。当下的电力金具材料大多为铁金属和铝金属。在这两种金具中，铸铁金具的质量较大，并且为了保护材料不会生锈腐蚀，一般会通过热镀锌的方式解决，这也对环境产生了较大的影响。在运行当中由于闭合磁回路的效应，这种电力金具造成了较大的能量损耗。在制造过程中，考虑到其自身的结果，一般采用ZL102等材料制造^[1]。

相比传统的制造方式，节能金具的开发，对于节约能源有巨大的意义，能实现降低耗能的作用，在很大程度上提高经济效益。在一些国外的电网建设当中，铝合金金具是重要节能技术，被强制或推荐使用。但是铝合金材料也存在自身的缺点，这种材料自身强度较小，在线路上承载力不大。由于铝合金材料自身的强度问题，想要实现承担较大的负荷，就要通过加大尺寸的方式，来增大材料的力学性能，但这种方式也增大了制造成本。在电网线路建设当中，常规铝合金材料难以用在受力较大的部件中，面对这一现状，加强铝合金的强度势在必行。通过改变制造工艺，制造高强度铝合金来解决这一难题，对于节能金具的发展具有积极的意义。

一、高强度铝合金材料

传统工艺中，铝合金的强化主要是通过固溶的方式，来实现改变铝合金的材料结构，增强铝合金的强度。但这种方式的提升能力有限。随着科技的发展，非金属纳米材料的现世，为金属材料的发展提供了新的思路。非金属纳米材料的制备成本低廉，并且性能优异，为高强度铝合金材料的制造奠定了基础。本文中关于高强度铝合金的应用研究中，选择的材料就是一种纳米改性铝合金材料。其制造工艺是通过纳米技术，改良铝基体，通过将纳米管弥散分布至铝基体中来实现增强界面的作用，有效避免在受力状态下，晶体结构出现滑移的情况，进而实现增强铝合金基体的机械强度这一目标。经过工艺改良之后，新的铝合金材料的强度达到了420 MPa以上（一般铸铁机械强度200MPa），这一强度甚至要高于铸铁。并且新的高强度铝合金材料的延伸率达到了10%以上。经过纳米技术加工后的铝合金材料，由于自身的材料流动性较差，因此在进行金具制造时，就无法采用传统的压铸方式。想要将高强度铝合金制造成型，需要采用锻压成型的方式进行加工。通过对材料进行加温，结合合理的模具设计，通过高压强迫改良后的铝合金材料发生形变，当铝合金材料充满整个模具型腔时，新的金具制造完成。这种方式能实现金具锻件的力学性能和宏观组织的的同步提升。

二、典型的高强铝合金金具结构

（一）碗头挂板

碗头挂板作为一种常用的连接金具，其自身对机械强度的要求较高。主要发挥着连接悬垂线夹和绝缘子串的作用，被大量应用于输电塔上。按照结构以及使用条件对其进行分类，主要可以分成单联和双联碗头挂板两种结构。碗头挂板在配电网络中发挥着至关重要的作用，通过采用新型的材料，在保障原有尺寸不变的同时，其载荷能力得到了大幅度提升。高强铝合金的应用，令其自身的破坏载荷达到了原本的1.6倍以上（新型铝合金420 MPa以上，一般铸铁机械强度200MPa，HT250机械强度250MPa）。同时实现了重量的降低，变为原本的铸铁金具的30%~50%^[2]。

2. 悬垂线夹

悬垂线夹的作用在于悬挂和支托导线，因此对其自身的强度要求比较高。悬垂线夹负担着导线的横向张力以及垂直荷载。通过结构对悬垂线夹进行分类，分别是中心回转式、上扛式和提包式三种结构。通过采用新型的纳米改性铝合金，其强度得到了大幅度提升，并且同时质量有所降低，保障了金具的握力提升。

2. 楔型线夹和UT线夹

这两种线夹属于拉线金具，起到保障杆塔至地锚之间连接固定以及调整拉线的作用，在两个杆塔之间拉线，需要线夹具有较强的拉线握力。高强度的纳米改性铝合金契合了这一要求，大幅度提高了材料的强度，保障了结构安全可靠。

三、技术优势性分析

（一）节能

传统的金具制造中，为了保证金具材料的强度，一般会选用铁制材料。铁是一种磁性材料，当导线中通过交变电流时，由于电磁效应的出现，就会产生一个交变磁场。铁磁性材料在磁场的作用下，就会被磁化。在磁场反复变换中，铁磁材料内部出现涡流效应，最终以热的形式散发，造成了能量损耗。在金具能耗中，这部分能量的消耗占据了较大的比例。相关数据统计，由金具产生的能耗甚至能达到电网能源传输的电量的0.01%~0.03%。这一消耗是十分惊人的。通过采用高强度铝合金替代铁磁材料，能有效避免金具磁化效应的出现，进而实现节能的效果。在电网当中，数以万计的铁制类金具由于磁化效应会不断的消耗电能。据相关统计，每年因此损失的能源高达数亿千瓦。通过采用铝合金质金具替换原本的铁质金具，能有效实现明显的降低能耗作用

^[3]。

2. 环保

相比铁质材质而言，铝合金的材料更环保。铝在大气中会发生氧化，进而形成致密的氧化膜。而氧化铝的出现，会阻隔活性铝表面与腐蚀介质的接触，有效的实现保护内部的材料进一步被侵蚀的作用，这一特性让铝合金具有优异的耐蚀特性。在相关的试验当中，对铝合金的抗侵蚀能力进行了试验，在长时间的加速腐蚀试验后，高强度铝合金自身的质量与初始样品对比几乎没有明显变化。外表面形成的致密氧化膜，为高强度铝合金提供了很好的保护。相比铁质的材料而言，高强度铝合金具有十分明显的优势。

铁质的材料中，为了保障材料不被侵蚀，因此做好防腐手段不可避免。在铁质金具当中，通常采用热镀锌的方式来避免铁质金具受到侵蚀。在受到侵蚀时，镀锌层的厚度会不断变薄，因此在一些较为严重的侵蚀区域中，为加强金具的防腐能力，一般都是通过加强镀锌层厚度的方式来实现对金具的保护。但是在热镀锌的工艺中，会产生大量的废液，对环境的污染较大。在这种背景下，高强度铝合金金具免除热镀锌的优点，极具实用价值。

2. 质量与强度

高强度铝合金的材料，具有密度低并且强度高的优点。其材料密度是铁的1/3左右，而强度却要高于铸铁的强度。在配电网建设当中，使用高强铝合金金具替代原本的铁质金具，能在很大程度上降低工作强度，能起到提高施工效率的作用，降低工程中的人力成本。更高的强度，也进一步保障了电路的工作安全稳定。

5. 结语

在电网线路当中，电力金具对于电路的安全稳定性产生着极大的影响，关系着整个线路的安全性。通过以高强度铝合金材质替代原本的铁质材质，能有效的降低线路中的能量消耗。高强度铝合金的制造过程更加环保，同时其具备高强度低密度的优点，克服了现用铸铝金具材料机械性能不足的应用障碍。高强度铝合金电力金具的研发与使用，对于电力事业的发展，产生了积极的作用。

参考文献

[1]陈杰,曹少华,任永琼,童先,林继兴.取代可锻铸铁的高寒低温环境用新型铝合金耐张线夹的研究[J].铸造技术,2020,41(09):826-830.

[2]叶成,余虹云,倪国灿,王嘉晶,洪静.浅析《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》[J].浙江电力,2016,35(11):72-75.

[3]杨露.配电线路电力金具耗能问题及对策[J].广东输电与变电技术,2004(04):37-39.