特高压输电线路连接金具的高强度材料选型

0 引言

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。

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，见表1。

表1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650 MPa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980 MPa，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。

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。

表1 力学性能表

20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr、Q690 的材料化学成分见表2。

表2可看出所列材料中均具有较高的Mn元素含量，能够提高材料韧性，降低脆性转变温度，具有较好的低温性能。

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 高强材料试验验证

综上所述，确定40Cr、35CrMo、Q690作为高强度连接金具的选材，通过国内某检测机构进行拉伸试验、硬度检测、低温冲击实验进行验证。40Cr、35CrMo、Q690（均为调质状态）样块的拉伸试验、低温（-40 ℃）冲击试验及布氏硬度检测见表3。

检测可知，40Cr、35CrMo、Q690（调质）的抗拉强度均大于650 MPa，40Cr、35CrMo在-40 ℃下的冲击吸收能量在20 J左右，冲击韧性较好，是常温下35CrMo（63J）和40Cr（47 J）的32 %和43 %，Q690在-40 ℃下的冲击吸收能量KU2在250 J左右，冲击韧性最好，可以在低温下安全运行，满足特高压连接金具对材料的要求。

4 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。

表2 化学成分表

表3 拉伸试验、低温冲击试验及布氏硬度检测表