龔嘴電站220kV線路鋼芯鋁絞線斷股原因淺析

馬建軍，孟憲寬

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司檢修安裝分公司，四川樂(lè)山614900)

1 概述

2010年3月，四川大渡河龔嘴水電站上廠220kV線路龔永二線1E停電檢修，檢修人員發(fā)現(xiàn)G2212至G2262間鋼芯鋁絞線出現(xiàn)4股斷線情況，隨即組織人員對(duì)斷股鋼芯鋁絞線和T型夾進(jìn)行了更換檢查。

龔嘴水力發(fā)電總廠是隸屬于國(guó)電大渡河公司的發(fā)電企業(yè)，位于四川省樂(lè)山市境內(nèi)的大渡河下游，管理著龔嘴、銅街子兩座大型水電站，總裝機(jī)容量為1320MW。其中龔嘴水電站共有7臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量720MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量34.18億kW·h，于1966年3月開(kāi)工建設(shè)，1971年12月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1978年全部投產(chǎn)。銅街子水電站位于龔嘴水電站下游33km處，是大渡河流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃建設(shè)的最末一級(jí)電站，共有4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為600MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量32.1億kW·h，于1985年正式動(dòng)工，1992年10月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1994年12月全部建成投產(chǎn)。從1971年12月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電至2007年12月31日，龔電總廠已累計(jì)發(fā)電1391.3億kW·h，為四川省的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

2 龔永二線運(yùn)行情況

2.1 龔嘴電站上廠電氣主接線

龔嘴電站上廠共有4條220kV線路，電氣主接線為四角形接線(圖1)。角形接線就是將斷路器和隔離開(kāi)關(guān)相互連接，且每一臺(tái)斷路器兩側(cè)都有隔離開(kāi)關(guān)，由隔離開(kāi)關(guān)之間送出線路。多角形接線所用設(shè)備少，投資省，運(yùn)行的靈活性和可靠性較好。正常情況下為雙重連接，任何一臺(tái)斷路器檢修都不影響送電。由于沒(méi)有母線，在連接的任一部分出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行影響都較小。其最主要的缺點(diǎn)是回路數(shù)受到限制。因?yàn)楫?dāng)環(huán)形接線中有一臺(tái)斷路器檢修時(shí)就要開(kāi)環(huán)運(yùn)行，此時(shí)，當(dāng)其它回路發(fā)生故障就要造成兩個(gè)回路停電，從而擴(kuò)大了故障停電范圍，且開(kāi)環(huán)運(yùn)行的時(shí)間愈長(zhǎng)，這一缺點(diǎn)就愈大;環(huán)中的斷路器數(shù)量越多，開(kāi)環(huán)檢修的機(jī)會(huì)就越大。故一般只采用四角(邊)形接線和五角形接線。

圖1 龔嘴電站上廠開(kāi)關(guān)站電氣主接線示意圖

該故障點(diǎn)位于G2212至G2262間的一鋼鋅鋁絞線與T型夾壓接處(圖2)。

2.2 實(shí)際載流情況

龔嘴電站上廠線路除檢修期外均為閉環(huán)運(yùn)行，四角形載流母線采用鋼芯鋁絞線，線路實(shí)際最大負(fù)荷電流為220A左右，平均負(fù)荷電流為150A左右。

圖2 1E線路電氣主接線示意圖

3 鋼芯鋁絞線斷股原因分析

3.1 鋼芯鋁絞線

220kV線路龔永二線所采用的鋼芯鋁絞線規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 220kV線路龔永二線鋼芯鋁絞線規(guī)格表

由表1可見(jiàn)，載流量滿足要求。

該鋼芯鋁絞線共分3層(由外向內(nèi)):第一層為24根鋁線，第二層為18根鋁線，第三層為12根鋁線，中間為19根鋼芯線。

從外觀上看，第一層鋁線表面由外向內(nèi)為:一層較厚的附著物——氧化層(黑膜)，鋁線表面有凹坑(圖3)，將鋁線表面打磨后凹坑更明顯(圖4)。

圖3 打磨前

圖4 打磨后

從第二層鋁線到中間的鋼芯線附著物明顯減少，但表面仍有不同程度的氧化現(xiàn)象。

T型線夾左側(cè)(靠大壩側(cè))斷股4根，T型線夾右側(cè)(載流側(cè))斷股3根(圖5)。

3.2 電腐蝕

電化學(xué)腐蝕是指不純的金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生原電池反應(yīng)而引起的腐蝕。其中較活潑的金屬失去電子而被氧化。能夠發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必須是不純的金屬或合金，同時(shí)要存在電解質(zhì)溶液，電化學(xué)腐蝕過(guò)程中有電流生成。金屬的腐蝕往往同時(shí)發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，但以電化學(xué)腐蝕為主。

圖5 斷股鋼芯鋁絞線

(1)導(dǎo)線和架空地線的腐蝕分析。

導(dǎo)線和架空地線大量使用鋼芯鋁絞線或鋼絞線，而腐蝕破壞是鋼芯鋁絞線的主要破壞形式之一。導(dǎo)線的腐蝕是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，最易引起腐蝕的是鋼芯。就導(dǎo)線架設(shè)的地區(qū)而言，沿海工業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、沿海地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)依次排列，腐蝕逐步減輕。在沿海工業(yè)區(qū)，鋼絞線只需數(shù)年就嚴(yán)重腐蝕，鋼芯鋁絞線的鋼芯也會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕。采用鍍鋁鋅合金的鋼絲，壽命可延長(zhǎng)1倍左右。然而，它仍不能與稀土電工鋁導(dǎo)體相提并論，稀土電工鋁的壽命至少可延長(zhǎng)3～4倍以上。

鋼芯鋁絞線在大氣中受水分、化學(xué)氣體和鹽類物質(zhì)等作用會(huì)發(fā)生腐蝕，腐蝕程度與導(dǎo)線的材質(zhì)成分和制造工藝有密切關(guān)系。導(dǎo)線的腐蝕形態(tài)有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，并以電化學(xué)腐蝕為主，而且主要是外層腐蝕。當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，導(dǎo)線表面的水分會(huì)凝聚成水膜，大氣中的O2、CO2及其它氣體如H2S、NH2、SO2、NO2、Cl2、HCl等和鹽類物質(zhì)溶解于水膜中，形成電解液薄層。電解液薄層與金屬氧化膜發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生孔蝕。在導(dǎo)線內(nèi)部，鋁股與鍍鋅鋼芯接觸層由于金屬電極電位的差異，也會(huì)產(chǎn)生接觸腐蝕。鋁股受腐蝕后表面會(huì)產(chǎn)生白色粉末并布滿麻點(diǎn)，鋁股與鋼芯接觸層也會(huì)產(chǎn)生白色粉末狀物，同時(shí)導(dǎo)線明顯變脆，抗拉強(qiáng)度明顯降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷股、斷線，從而大大縮短了導(dǎo)線的使用壽命。

鋼芯鋁絞線的耐蝕性通常在鋼芯線與鋁絞之間涂上由有機(jī)材料制成的防腐蝕油脂，阻擋雨露及腐蝕性氣體對(duì)鋼線的腐蝕，以延長(zhǎng)鋼線的壽命，使之能與鋁線壽命相匹配，但防腐蝕油脂增加了導(dǎo)線的重量，長(zhǎng)期使用會(huì)因其老化而失效。

(2)鋁絞導(dǎo)線間的縫隙腐蝕。

纏繞的鋁導(dǎo)線之間存在大量縫隙，滯留其中的強(qiáng)腐蝕介質(zhì)引起縫隙內(nèi)的金屬腐蝕。由于鋁合金對(duì)縫隙腐蝕較敏感，因此，強(qiáng)腐蝕對(duì)鋁材造成了極大的破壞，加之橫向風(fēng)力下的振蕩張力造成斷股。

3.3 引起電腐蝕現(xiàn)象的原因分析

歷年氣候變化情況:經(jīng)查閱電站氣候資料，龔嘴電站年降雨量均在1400mm左右，無(wú)明顯變化，但電站年均濕度均在70%左右，年均濕度較大，鋼芯鋁絞線表面易形成電化學(xué)腐蝕條件。

電站周邊環(huán)境:龔嘴電站周邊山區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，盛產(chǎn)鉀長(zhǎng)石，鉀長(zhǎng)石的成分為:硅(SiO2)64.91%、鋁(A12O3)18.22%、鐵(Fe2O3)0.25%、鉀(K2O)9.6%、鈉(Na2O)3.5%，礦區(qū)開(kāi)采采用人工和爆破，產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)電站環(huán)境污染加大，線路工作環(huán)境逐年惡化。為了提高戶外絕緣子防污閃能力，龔嘴電站從2000年起已經(jīng)將220 kV線路絕緣子進(jìn)行更換。可見(jiàn)，環(huán)境的污染也是鋼芯鋁絞線表面形成電化學(xué)腐蝕的重要原因。

污穢等級(jí)逐年變化情況:龔嘴電站從2003年起開(kāi)始對(duì)開(kāi)關(guān)站污穢程度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)查閱龔嘴電站上廠開(kāi)關(guān)站等值鹽密測(cè)量數(shù)據(jù)，2003年到2005年，污穢等級(jí)均為0級(jí);2006年開(kāi)始污穢等級(jí)上升到I級(jí)，且開(kāi)關(guān)站戶外設(shè)備表面污穢物取樣測(cè)試單位面積含鹽分量呈逐年上升趨勢(shì)，可見(jiàn)環(huán)境污染對(duì)戶外設(shè)備的腐蝕正在惡化。

環(huán)境溫度變化情況:經(jīng)查閱電站水工水文觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，龔嘴電站環(huán)境溫度從2001年起開(kāi)始出現(xiàn)異常，主要是年平均溫差差異比較大(最大溫差31.7℃，最小溫差21.9℃)。

同時(shí)，從2001年起至今，環(huán)境溫度為逐年上升趨勢(shì)(2009年平均氣溫比1995年平均氣溫上升約1℃)。筆者認(rèn)為:溫度變化對(duì)已投運(yùn)使用近40年的鋼芯鋁絞線的加速老化是引起斷股的另一原因，氣溫變化趨勢(shì)如圖6所示。

3.4 接觸電阻

圖6 龔嘴電站年平均溫度變化趨勢(shì)圖

雖然鋼芯鋁絞線的載流量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷流量，但如果電流流經(jīng)T型線夾等壓接位置接觸電阻偏大會(huì)造成發(fā)熱、斷股。接觸電阻偏大的原因可能有:壓接工藝不規(guī)范、電腐蝕引起接觸電阻偏大、懸垂度不規(guī)范引起運(yùn)行中受力過(guò)大使壓接處松動(dòng)。

T型夾與鋼芯鋁絞線的壓接工藝標(biāo)準(zhǔn):壓接前應(yīng)清除導(dǎo)線表面和T型線管內(nèi)部污垢，連接部位的鋁質(zhì)接觸面應(yīng)涂抹一層電力復(fù)合脂，用細(xì)鋼絲刷清除表面氧化膜，保留涂料進(jìn)行壓接，壓口數(shù)、壓口深度及壓口位置應(yīng)符合規(guī)范要求。

斷股鋼芯鋁絞線外觀檢查發(fā)現(xiàn)，T型線夾管端部松動(dòng)(圖7)，T型線夾壓緊工藝采用的是老式爆破壓接，壓接質(zhì)量在當(dāng)時(shí)沒(méi)有進(jìn)行檢測(cè)(接觸電阻測(cè)試)。

圖7 鋼芯鋁絞線與T型夾壓接端部松動(dòng)情況

接觸電阻試驗(yàn)。對(duì)斷股鋼芯鋁絞線各層與T型線夾間的接觸電阻進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 斷股鋼芯鋁絞線各層與T型線夾間接觸電阻測(cè)試數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)設(shè)備:KDC型接觸電阻測(cè)試儀(最大電流120A)。

試驗(yàn)結(jié)果分析:接觸電阻由外向內(nèi)逐漸增大，表明各層均有氧化膜，從而造成層間接觸不良;經(jīng)高壓試驗(yàn)人員對(duì)停電檢修的線路相同位置進(jìn)行測(cè)試，T型線夾與鋼芯鋁絞線的壓接處接觸電阻數(shù)據(jù)為10μΩ左右(相關(guān)規(guī)程無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，只能把10 μΩ作為相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)值)。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大值是標(biāo)準(zhǔn)值的419倍，最小為標(biāo)準(zhǔn)值的82.6倍，各測(cè)點(diǎn)接觸電阻均嚴(yán)重超標(biāo)，可以判斷實(shí)際運(yùn)行中T型夾與鋼芯鋁絞線接觸部位發(fā)熱量較大，從而加速了鋼芯鋁絞線的氧化和電化學(xué)腐蝕。

3.5 載流母線懸垂度

根據(jù)軟母線架設(shè)規(guī)范要求，母線張弛度應(yīng)符合要求，三相母線張弛度應(yīng)一致。檢修中發(fā)現(xiàn)，該相斷股母線懸垂長(zhǎng)度比A、B相小約10cm，緊度偏緊，遇外力作用時(shí)T型夾處受力加大，這是引起壓接處松動(dòng)的重要原因。

檢修人員對(duì)C相載流母線懸垂度進(jìn)行了調(diào)整，以保持三相一致(圖8)。

圖8 更換并調(diào)整懸垂度后的載流母線

4 結(jié)語(yǔ)

龔嘴電站220kV線路鋼芯鋁絞線因運(yùn)行年限近40a，隨著電站周邊工業(yè)環(huán)境的變化，線路工作環(huán)境逐年惡化，電腐蝕情況嚴(yán)重。該鋼芯鋁絞線與T型夾接觸電阻嚴(yán)重超標(biāo)，原因是架設(shè)線路時(shí)T型夾與鋼芯鋁絞線的壓接質(zhì)量不好、母線懸垂度不符合要求。通過(guò)查閱歷年來(lái)龔嘴電站上廠開(kāi)關(guān)站污穢等級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)，環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)得知:污穢程度加大和溫度上升及變化異常也是引發(fā)鋼芯鋁絞線腐蝕進(jìn)而引發(fā)斷股的原因。

建議定期(最好是每2年)對(duì)線路T型線夾等壓接處進(jìn)行接觸電阻測(cè)試;引進(jìn)高靈敏度測(cè)溫設(shè)備，對(duì)線路各T型線夾處運(yùn)行的實(shí)際溫度進(jìn)行定期測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)松動(dòng)過(guò)熱情況。因龔嘴電站鋼芯鋁絞線已經(jīng)投運(yùn)40a左右，且均未更換，電站應(yīng)制定檢修計(jì)劃，逐年對(duì)鋼芯鋁絞線進(jìn)行更換。