納米鋁合金型電力金具市場前景調研

中國能源建設集團南京線路器材有限公司 李衛東

目前我國配電線路仍在大規模使用鑄鐵金具，它具有較好的機械性能，但表面需要進行熱鍍鋅保護，在現階段國家大力提倡節能減排和綠色生態環境的理念下，國家對很多重污染、重排放的行業都給與了嚴格的控制，鍍鋅難的問題也影響到了鑄鐵金具的生產和供貨。再者，鑄鐵產品在電力運行過程中電能損耗較大。在較早以前很多專家就建議采用鋁合金或非金屬作為節能金具材料，然而由于鋁合金和非金屬材料的強度不足，限制了它在金具領域的推廣使用。

1 納米改性鋁合金金具研發經過

2015年左右，伴隨國家電網公司大力打造堅強智能電網和綠色能源互聯網的步伐，國網公司相關部門就對傳統電力金具生產制造高排放和運行時高能耗造成的環境影響就高度重視，委托其下屬某研發單位成立“輸變電用碳納米改性鋁合金及應用技術科技攻關團隊”，依托其技術資源和研發能力優勢，持續進行經費投入和技術攻關。經過幾年的能力，在2017年納米改性鋁合金金具在理論技術和生產實際執行方面取得了突破，通過了國網公司新產品成果評估，并先后申請專利5項、發表論文6篇，都具有完全自主知識產權。2018年經中國電機工程學會技術鑒定達到國際領先水平，同年該項目還獲得國家電網公司科技進步二等獎、榮獲國網公司第四屆青年創新創意大賽金獎。目前該產品已在江蘇、浙江、貴陽、山西、河北等地應用并得到了用戶的高度評價。

納米改性鋁合金材料材料制備過程：一是制備硅包覆碳納米管：將硅粉與碳納米管混合后進行機械球磨，讓硅粉與碳納米管充分混合，得到核殼結構的硅包覆碳納米管；二是將硅包覆碳納米管加入鋁合金基體中進行半固態攪拌，使添加的硅包覆碳納米管在鋁合金基體中均勻分散，隨后升溫澆鑄，得到納米改性鋁合金材料鑄棒。

納米改性鋁合金材料金具制造過程：利用納米改性鋁合金材料采用以鍛造為主的生產加工工藝，制造出QP-7球頭掛環、W-7碗頭掛板、W-7B碗頭掛板、WS-7碗頭掛板、W-10碗頭掛板、WS-10碗頭掛板、XGU-3懸垂線夾、NX-1耐張線夾、NX-2耐張線夾、NX-3耐張線夾、NUT-1耐張線夾、NUT-2耐張線夾等產品。

2 納米改性鋁合金材料的性能特性及產品性能優勢

納米改性鋁合金材料特性通過金相圖組織分析可以看出：

碳納米管與硅粉的混合粉末受到球磨介質的反復沖撞，經過沖擊、剪切、摩擦和壓縮等多種力的共同作用及反復的擠壓、冷焊合及粉碎等過程，最終硅粉與碳納米管充分混合，得到核殼結構的硅包覆碳納米管，由于硅能固溶到鋁液中，同時硅粉對碳納米管的包裹能增加碳納米管與鋁液的潤濕性，對后續硅包覆碳納米管加入鋁基體中起到了很大作用。（圖1(a)為放大200倍，圖1(b)為放大4000倍）。

圖1 制備的硅包覆碳納米管SEM 照片

從圖2看，圖(a)為放大1000倍時，可見復合材料的斷口呈現出具有典型韌性斷裂特征的韌窩和撕裂棱，韌窩的直徑在0.3～0.8μm。圖(b)為放大5000倍時，可見材料經拉伸后從韌窩處斷裂，并沒有觀察到碳納米管從基體中拔出的現象，說明了碳納米管與基體金屬間存在很高的結合強度。

圖2 納米改性鋁合金材料拉伸斷口SEM 照片

納米改性鋁合金材料性能優勢：整體抗拉強度較基體提升了50%以上，同時延伸率也有所增大，加工性能更為優異，相對鑄鐵材料(抗拉強度330MPa)以及鑄造鋁合金材料(抗拉強度200MPa)，力學性能提升也非常明顯：鋁合金基體的抗拉強度270Pa、延伸率8%，本文工藝配比1～10的抗拉強度（MPa）、延伸率（%）分別為407/13、386/15、395/9、387/14、402/10.5、423/14、399/13.5、387/10、367/9、339/6。

納米改性鋁合金能耗明顯低于鑄鐵，而且電流越大對比絕對值越明顯。以W-7B 碗頭掛板為例，參照DL/T 1288-2013《電力金具能耗測試與節能技術評價要求》，對其能耗性能和鑄鐵金具進行對比測試，在不同電流（A）下鑄鐵金具能耗（W）與納米改性鋁合金金具能耗（W）分別為：120/3.02/2.37、185/7.69/5.95、240/13/9.89。

納米改性鋁合金材料耐腐蝕效果也優于鑄鐵，以W-7B 碗頭掛板為例，參照GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》方式，對其耐腐蝕性能和鑄鐵金具進行對比測試，不同腐蝕時間（h）下鑄鐵金具與納米改性鋁合金金具質量損失（mg）分別為：2/14/10、6/31/23、24/95/67、48/146/98、72/187/139、96/206/160、144/232/187、168/254/208、240/267/219。

3 納米改性鋁合金產品的優勢及市場前景分析

輕質、高強、便利，節省成本費用：納米改性鋁合金材料對比傳統的可鍛鑄鐵材料的金具密度僅為1/3左右；由于納米改性鋁合金金具質量輕，安裝后降低了主體鐵塔的承載的壓力，讓鐵塔“配感輕松”，保證了線路運行安全的可靠性，同時讓運輸、安裝和維護變得非常更加節約、方便。高強性能是納米改性鋁合金材料的最大優勢，同比鑄鐵及常規鋁合金材料的機械強度要高30%。

避免了高能耗、高污染：納米改性鋁合金金具生產加工工藝以鍛造為主，而且生產后的鋁合金金具表面會自然氧化形成氧化鋁保護膜，能自然起到耐腐蝕效果。因此在生產過程中就避免了傳統鑄鐵金具生產制造過程中的高能耗熔煉、熱處理及熱鍍鋅等生產環節，尤其是熱鍍鋅后產生的腐蝕性酸性廢液排放造成的環境污染。

節能環保效果明顯：由于鋁合金磁導率與空氣接近，在磁場作用下產生的電損非常小，而使用鑄鐵金具時易產生渦流造成能量損耗較大。試驗結果顯示，納米改性鋁合金金具可降低能耗24%左右，因而在使用時更加節能。以2017年全國配網線路380萬公里計算，如果采用新型金具，年減少電能損失超過20億千瓦時，相當于年節省燃煤超過67萬噸，減少二氧化碳排放量178萬噸，節能減排效果顯著。

社會經濟效益分析：截止2019年底全國配網總線路里程400多萬公里（不含110、220kV），按照納米改性鋁合金金具較鑄鐵金具可降低能耗24%的經過測算，如果采用新型金具年減少電能損失近30億千瓦時，相當于節省電煤70多萬噸，減少二氧化碳排放量180萬噸，節能減排效果顯著。同時，納米改性材料制造電力金具避免的高能耗、高排放的效果也非常了不得，節能減排效果非常明顯。從長遠進度看，采用納米改性材料是電網建設節能環保化、響應國家碳經濟、美麗中國一大舉措，其意義不僅涵蓋了運行線路的環保設計和長效節能，也體現電力未來裝備環保制造和新技術應用等方面的趨勢。

產品市場前景分析：近年來，在國家深入建設打造智能電網和綠色電網的大趨勢下，國家農配網建設和改造項目一直方興未艾。歷年來的數據統計，國家每年新增農配網項目10萬公里，鑄鐵件金具的年需求量超過了6億元（按照鑄鐵件價格計算），如果按照節能型納米碳合金金具價格測算總價格約是鑄鐵件金具的3.5倍左右，也就是說市場一旦全面推廣和使用納米鋁合金金具，那么每年的市場需求總金額約在20多億元左右。所以，未來市場對納米改性鋁合金產品的市場需求前景非常值得期待。目前納米改性鋁合金產品作為新型產品初步投入市場，原材料備料及生產加工具有一定的科技含量，而且現在參與合作的供應商還不多，競爭還處在萌芽階段，所以相對產品利潤還非常可觀，對企業來講，誰要早介入、早參與誰就能夠早先一步搶占市場、早先收益。