超耐腐蝕型導(dǎo)線及其在平潭島輸電線路上的應(yīng)用

黃豪士， 江建華， 陸國欽， 喻國寶， 施海峰

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100;3.福州電力設(shè)計(jì)院有限公司，福建福州350009)

0 引言

我國位于亞洲東部，南起南海的曾海暗沙，北至黑龍江漠河，大陸海岸線長18000余km，跨熱帶、亞熱帶和溫帶，還有無數(shù)的島嶼。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，沿海及海島地區(qū)架設(shè)了很多的輸電線路，然而在帶有腐蝕性鹽霧氣氛和濕熱的氣象條件下，輸電線路用導(dǎo)線極易被腐蝕而損壞，使線路的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅。

以福建省平潭島的輸電線路為例，建于1995年的110 kV高山—北厝輸電線路，經(jīng)6年運(yùn)行后，導(dǎo)線表面發(fā)黑，內(nèi)部嚴(yán)重腐蝕，見圖1。

從圖1可見，a導(dǎo)線表面嚴(yán)重發(fā)黑并斷股;b導(dǎo)線因腐蝕內(nèi)部已斷股。平潭島位于福建東部，是我國的第五大島，受地理及氣候條件的影響，架空輸電線路長期受鹽霧侵蝕，特別是導(dǎo)、地線受鹽霧的腐蝕極為嚴(yán)重。鋼芯鋁絞線在該地區(qū)的運(yùn)行壽命不足6年，普通的防腐型導(dǎo)線在該地區(qū)應(yīng)用效果也不理想，故該地區(qū)導(dǎo)、地線因腐蝕造成斷股斷線的情況時(shí)有發(fā)生。據(jù)了解，國內(nèi)其他高鹽霧地區(qū)如浙江、廣東等省的海島上，輸電線路導(dǎo)、地線都面臨與此相似的問題。而桿塔及基礎(chǔ)的使用壽命約為30年，因此該地區(qū)導(dǎo)線是線路壽命中的“短板”。

1 導(dǎo)線的腐蝕形式及其解決方法

輸電線路用導(dǎo)線的主要失效形式為:導(dǎo)線腐蝕后壽命縮短進(jìn)而失效;導(dǎo)線因振動或舞動引起的失效;因?qū)Ь€腐蝕嚴(yán)重，往往兼之出現(xiàn)振動或舞動而斷線。

圖1 架設(shè)于平潭島輸電線路上使用6年時(shí)的導(dǎo)線的腐蝕情況狀態(tài)圖

1.1 導(dǎo)線的腐蝕形式

架空線路導(dǎo)線，從架設(shè)之日起，便暴露于所架設(shè)的環(huán)境中，線路周圍的腐蝕氣體、濕度和溫度的狀態(tài)都將影響導(dǎo)線的腐蝕程度和壽命。導(dǎo)線的腐蝕可歸納為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和縫隙腐蝕。在大多數(shù)情況下這三種腐蝕會同時(shí)存在。

(1)化學(xué)腐蝕。指金屬在大氣中與氧、氯、二氧化硫等氣體作用下發(fā)生的腐蝕。金屬表面與氧發(fā)生作用后，生成不同的金屬氧化物。鋁的氧化物能構(gòu)成致密的有一定硬度的表面保護(hù)膜。鐵的氧化物結(jié)構(gòu)疏松，易脫落，并繼續(xù)不斷地向金屬內(nèi)部滲入、擴(kuò)散，使材料破壞。大氣中的其他有害氣體或離子，如氯離子、碳酸根離子、游離堿或硫酸等，容易與金屬或其他氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬加速腐蝕。

(2)電化學(xué)腐蝕。指由金屬和介質(zhì)組成原電池后，形成了金屬的腐蝕過程。當(dāng)兩種不同電極電位的金屬相接觸，其間又有水或其它電介質(zhì)時(shí)，兩種金屬之間就會產(chǎn)生電流，形成一個(gè)原電池，其中一種金屬處于正電位，另一種金屬處于負(fù)電位。處于負(fù)電位的金屬就不斷以離子狀態(tài)經(jīng)電解液向處于正極的金屬聚集，使處于負(fù)電位的金屬逐漸損失破壞，形成電化學(xué)腐蝕。兩種金屬的電極電位差越大，電化學(xué)的腐蝕就越強(qiáng)烈，溫度越高，濕度越大，金屬的腐蝕一般也越嚴(yán)重。

(3)縫隙腐蝕。指導(dǎo)線由于存在著間隙，大氣中存在的腐蝕性氣氛和雨水等的電介質(zhì)通過縫隙滲入導(dǎo)線內(nèi)部引起的腐蝕，其本質(zhì)上仍屬于化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕的范疇。表1列出最常用金屬的電極電位。

表1 常用金屬的電極電位

電極電位負(fù)值越大的金屬，轉(zhuǎn)入電解中成為離子的趨勢越強(qiáng)，即越容易受到腐蝕。鋁的電極電位的負(fù)值雖較大，但由于其表面經(jīng)常有一層氧化膜保護(hù)層，能改善其耐腐蝕性能。

架設(shè)于空中的輸電線路用導(dǎo)線，特別是架設(shè)在沿海、海島、工業(yè)地區(qū)的導(dǎo)線，長期經(jīng)受大氣、風(fēng)雨和鹽霧的侵蝕，很容易受到腐蝕，這是由于大氣中的氯離子半徑很小，能自由地穿透金屬表面的水膜和鈍化膜(金屬氧化膜，結(jié)構(gòu)緊密，覆蓋在金屬表面)，排擠氧離子并取而代之，成為可溶性氯化物，使金屬加速腐蝕。大氣中的SO2、H2S、NH3和NO2以及其他懸浮粒子和灰塵也都能促進(jìn)金屬的腐蝕。腐蝕后使金屬表面產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力又會促進(jìn)腐蝕，腐蝕又加速了表面缺陷的擴(kuò)展，使抗疲勞能力下降，從而大大降低了導(dǎo)線的壽命。

1.2 導(dǎo)線抵抗腐蝕的解決方法

為了防止導(dǎo)線的腐蝕，可以采取如下方法:

(1)改善承力件鋼絞線的表面質(zhì)量，即采用鍍鋅、鍍鋁或鍍帶有稀土成分的鋁鋅合金，最為優(yōu)良的是鋁包鋼線。鋁包鋼線的外表面是一層鋁，它和導(dǎo)體材料鋁具有相同的電極電位，因而在導(dǎo)線內(nèi)部不會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，減輕了導(dǎo)線腐蝕的可能。

提高鋁導(dǎo)體的化學(xué)品位或采用品位較低，鋁中硅含量較高，當(dāng)高過0.08%時(shí)，可采用稀土優(yōu)化處理的技術(shù)，提高導(dǎo)體材料的抗腐蝕性能。

在導(dǎo)線絞制時(shí)，在股線之間涂防腐油脂，它可以分為輕防腐、中防腐和重防腐三種。輕防腐是指油脂涂于鋼芯與鋁層間，重點(diǎn)是保護(hù)鋼芯;中防腐則除了導(dǎo)線最外層表面外，各層之間都應(yīng)涂有油脂，它既保護(hù)鋼芯又保護(hù)除外層以外的各層鋁導(dǎo)體;重防腐是指在導(dǎo)線的各層都應(yīng)涂油脂包括最外層表面，對導(dǎo)線作全面保護(hù)。油脂的質(zhì)量十分重要，其滴點(diǎn)應(yīng)大于110℃(隨導(dǎo)線的允許使用溫度提高，甚至達(dá)到150℃，油脂的滴點(diǎn)溫度就應(yīng)大于180℃)，而且長期使用不應(yīng)出現(xiàn)“砂化”現(xiàn)象。此外，還可以在鋼絞線上擠上一層樹脂作保護(hù)，再繞上鋁導(dǎo)體，但它明顯增加了導(dǎo)線的重量，樹脂老化后對鋼芯的保護(hù)將逐步減弱，以致最終失效。

(2)改善導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。導(dǎo)線絕大部分都采用圓線同心絞的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)層間和單線間均存在著縫隙，使電化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕的可能性提高。以型線同心絞加以替換，便大大減少了導(dǎo)線層間和單線的縫隙，降低了腐蝕的可能性。型線同心絞的型線可以是S、Z、T的形狀，以S、Z型線絞成的導(dǎo)線最為緊密，層間和單線縫隙形成迷宮狀，由于水固有的表面張力，絞制緊密的導(dǎo)線很難讓水分滲入，也就減少了電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的可能。

如上所述，一個(gè)新型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線具有極良好的耐腐蝕性能，用鋁包鋼絞線作為承力件，外層絞有優(yōu)良品位的電工鋁或經(jīng)過稀土優(yōu)化處理的導(dǎo)體材料，拉制成S、Z型線絞線，除最外層的鋁表面外，層間和股線間涂有滴點(diǎn)高過180℃的油脂。這種導(dǎo)線能阻擋有害氣體進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)層，更阻擋了雨水、霧等水分的侵入，大大提高了導(dǎo)線的抗腐蝕能力，它在歐洲被稱為零腐蝕導(dǎo)線。這種導(dǎo)線還具有極為良好的自阻尼性能，有良好的抗臺風(fēng)、抗振動特性，延長了導(dǎo)線使用壽命，使線路更為安全。圖2為典型的超耐腐蝕性導(dǎo)線的截面圖。

圖2 超耐腐蝕性導(dǎo)線截面

2 平潭島采用的超耐腐蝕導(dǎo)線的輸電線路

2.1 工程概況

平潭前進(jìn)—北厝線路為110 kV架空輸電線路工程，起點(diǎn)為平潭縣110 kV前進(jìn)變，終點(diǎn)為北厝變，路徑總長為5.2 km，沿線主地形為山地和丘陵;主要設(shè)計(jì)氣象條件:最大風(fēng)速40 m/s(離地15 m高處)，最高氣溫40℃，最低氣溫－5℃，無覆冰，沿線污穢等級為e級。本工程為2009年國家電網(wǎng)公司“兩型三新”線路建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目。本試點(diǎn)項(xiàng)目的主要內(nèi)容是應(yīng)用耐腐蝕等綜合性能較好的新型導(dǎo)線及其配套金具，延長本地區(qū)導(dǎo)線壽命，改善性能較差這一“短板”。

2.2 導(dǎo)線選型

腐蝕是本地區(qū)導(dǎo)線失效最重要的原因。當(dāng)大量的鹽霧或海鹽粒子在鋁導(dǎo)線之間的夾塞中濃縮形成強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的情況下，鋁導(dǎo)線和鋼芯之間構(gòu)成腐蝕原電池，鋁金屬導(dǎo)線成了犧牲的陽極而被腐蝕，所以內(nèi)層鋁導(dǎo)線大片剝落。越遠(yuǎn)離鋼芯，腐蝕程度呈減弱之勢。

國內(nèi)其他沿海(海島)高鹽霧地區(qū)的輸電線路導(dǎo)線防腐，如廣東南澳島的主要措施有，采用鋼芯銅絞線和絕緣鋼芯鋁絞線。前者價(jià)格很貴且鋼芯仍嚴(yán)重腐蝕，后者是在鋼芯鋁絞線外加厚度大于3 mm的塑料護(hù)套，有一定延長壽命的效果，但外徑增大導(dǎo)致桿塔受力增加和散熱性能差載流量受限制，且價(jià)格較高。

有的觀點(diǎn)認(rèn)為，鋼芯鋁絞線的鋼鋁間有電化學(xué)腐蝕要填充油脂，而同種金屬相接觸無電位差不需填充油脂，事實(shí)證明該觀點(diǎn)是片面的。即使是同種材料，由于“縫隙腐蝕”仍存在，需要填充適用的防腐油脂。對圓線同心絞的標(biāo)準(zhǔn)絞線，因空隙太大，防腐油脂也會在較短時(shí)間里“丟失”，如在ACSR外加裝護(hù)套，有把油脂“關(guān)”起來之意，但導(dǎo)線變得散熱性較差，影響其性能。

經(jīng)過對國內(nèi)多種新型導(dǎo)線的綜合比較，最終本工程選用江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司生產(chǎn)的型號為AF(SZ)g+AS20－250+40型鋁包鋼芯型鋁絞線。該導(dǎo)線的承力部分采用鋁包鋼線，導(dǎo)線的導(dǎo)體采用經(jīng)處理的優(yōu)質(zhì)鋁制成，這種導(dǎo)線的承力部分因?yàn)槭窍嗤牟馁|(zhì)，不存在電極電位的差異，所以不會形成原電池，不會發(fā)生電化學(xué)腐蝕;導(dǎo)體為兩層結(jié)構(gòu)，單線的形狀分別為S形和Z形，緊密的結(jié)構(gòu)，極小的隙縫，大大降低了縫隙腐蝕的可能性;在導(dǎo)體與承力元件間和層間的縫隙，填滿了防腐油膏，這種可能引起化學(xué)腐蝕的因素也被消除。導(dǎo)線除了外層導(dǎo)體的表面仍然裸露之外，已經(jīng)幾乎不會產(chǎn)生可以發(fā)生腐蝕的根源。這是一種超耐腐蝕的導(dǎo)線，它將大大延長使用壽命。

由于結(jié)構(gòu)上的原因，導(dǎo)線各單線間的接觸面積明顯比普通導(dǎo)線大得多，它有良好的自阻尼特性，特別適合于海島或沿海等地方架設(shè)運(yùn)行。導(dǎo)線的導(dǎo)體采用經(jīng)處理的優(yōu)質(zhì)鋁制成，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，與相同的導(dǎo)線相比約減少損耗3%，是節(jié)能的。

導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力78500 N，安全系數(shù)取2.5(新線系數(shù)取0.95)，最大設(shè)計(jì)應(yīng)力為102.86 MPa，平均運(yùn)行應(yīng)力64.28 MPa。其機(jī)械特性和LGJX-240/30型導(dǎo)線相似，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)鐵塔。導(dǎo)線的特性參數(shù)見表2，圖3是其外觀圖。

2.3 金具

本線路使用的金具，包括耐張線夾、中間接續(xù)管和懸垂線夾，其中耐張線夾和接續(xù)管需選用與導(dǎo)線配合的超耐腐蝕導(dǎo)線專用金具型號。該系列金具采用特殊結(jié)構(gòu)，經(jīng)過特殊加工工藝處理后能保證金具本身的防腐，提供金具與導(dǎo)線間良好密封，能更好地防止導(dǎo)線與金具之間的縫隙腐蝕，保證了導(dǎo)線與金具連接的可靠性，從而保證金具的使用壽命。懸垂線夾選用預(yù)絞絲式，其主要特點(diǎn)為導(dǎo)線懸垂線夾掛點(diǎn)上應(yīng)力分布均勻，無應(yīng)力集點(diǎn)，同時(shí)具有較好的動態(tài)應(yīng)力承受能力，且其結(jié)構(gòu)簡單、耐振可靠、安裝容易，綜合性能較傳統(tǒng)的懸垂線夾有較大的提高。

表2 導(dǎo)線特性參數(shù)表

圖3 超耐腐蝕導(dǎo)線外觀圖

2.4 施工及運(yùn)行情況

本工程于2009年開始施工建設(shè)，2009年12月進(jìn)行導(dǎo)、地線架設(shè)及附件安裝，導(dǎo)線采用張力放線施工，其架線施工方法、工藝和普通鋼芯鋁線基本相同，施工過程沒有出現(xiàn)因?qū)Ь€結(jié)構(gòu)和材料原因產(chǎn)生的返工和浪費(fèi)情況。本工程折合單根約16 km長的超耐腐蝕型導(dǎo)線于2009年底一次架線成功，并于2010年元月投產(chǎn)送電。線路投運(yùn)將近一年來，導(dǎo)線的防腐、防振性能良好，線路的輸電損耗較普通導(dǎo)線線路的損耗有一定降低，是一種節(jié)能型導(dǎo)線。新型導(dǎo)線的綜合性能較傳統(tǒng)導(dǎo)線有較大的提高。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以30年為標(biāo)準(zhǔn)周期進(jìn)行比較:在平潭地區(qū)普通LGJX-240/30型導(dǎo)線的平均更換周期為6年，30年內(nèi)需更換5次以上，每次更換費(fèi)用按16萬元/km，線路長度按5.2 km計(jì)算，每次更換導(dǎo)線總費(fèi)用為83.2萬元，由此可算得在30年線路壽命周期內(nèi)，普通導(dǎo)線總更換費(fèi)用為416萬元(靜態(tài)投資)。采用AF(SZ)g+AS20－250+40型超耐腐蝕導(dǎo)線，在平潭高鹽霧地區(qū)的設(shè)計(jì)使用壽命為30年。超耐腐蝕型導(dǎo)線及其配套金具的一次性投資比普通導(dǎo)線增加3.06萬元/公里，線路長度按5.2 km計(jì)算，需增加投資15.9萬元。

在線路項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)，本工程采用超耐腐蝕型導(dǎo)線可節(jié)省費(fèi)用400多萬元，以30年計(jì)，平均每年節(jié)省13.3萬元。實(shí)現(xiàn)了對高鹽霧地區(qū)線路各構(gòu)成部分壽命周期的協(xié)調(diào)，進(jìn)一步優(yōu)化該地區(qū)線路的壽命周期成本。同時(shí)考慮更換導(dǎo)線施工停電所帶來的對系統(tǒng)運(yùn)行安全性和供電可靠性的影響，超耐腐蝕鋼芯型鋁導(dǎo)線具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 防腐油脂的性能與對鋁的保護(hù)試驗(yàn)

對于超耐腐蝕導(dǎo)線，在其縫隙中填充合適的防腐油脂，因此油脂的質(zhì)量十分重要。首先它是中性的，對鋁和鋼只起保護(hù)作用，而不會造成不必要的腐蝕;其次油脂本身應(yīng)耐老化，不會引起“砂化”的現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果不開裂。試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3中。

4 超耐腐蝕系列導(dǎo)線

4.1 超耐腐蝕導(dǎo)線的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)優(yōu)良的抗腐蝕性能。因承力件采用鋁包鋼線，與導(dǎo)體材料鋁具有相同的電極電位，導(dǎo)線各元件不發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)線的導(dǎo)體又采用SZ型線絞合，結(jié)構(gòu)緊密，縫隙極小，兼之導(dǎo)線層間涂有油脂，導(dǎo)線內(nèi)部不存在化學(xué)腐蝕和縫隙腐蝕，因此這種導(dǎo)線被譽(yù)為零腐蝕導(dǎo)線，壽命大大延長。

(2)抗風(fēng)振能力強(qiáng)。由于SZ絞線結(jié)構(gòu)緊密，直徑約小10%，因此風(fēng)載較小，兼之單線間接觸面積較大，具有良好的自阻尼性能，抗臺風(fēng)、振動和舞動能力強(qiáng)。

表3 防腐油脂的性能試驗(yàn)

(3)節(jié)能。由于承力件為鋁包鋼線，有較好的導(dǎo)電性能，若導(dǎo)線的導(dǎo)體截面相同時(shí)，總的電阻已較小，若相同的外徑，則可減少25%以上的能耗，或輸送更多的電能。

所以在沿?；蚝u地區(qū)采用超耐腐蝕導(dǎo)線作為輸電線路的首選線種是最合適的，在福建省平潭島采用這種超耐腐蝕導(dǎo)線就收到了良好的效果。

4.2 超耐腐蝕系列導(dǎo)線的主要參數(shù)

超耐腐蝕系列導(dǎo)線的主要參數(shù)見表4。

5 結(jié)束語

(1)采用由鋁包鋼芯SZ型線絞制的導(dǎo)線，導(dǎo)線的內(nèi)部及層間涂有油脂，結(jié)構(gòu)緊密，迷宮式的縫隙極小，耐腐性較傳統(tǒng)導(dǎo)線有質(zhì)的提高。

(2)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)緊湊，直徑較小，自阻尼特性優(yōu)良，有極強(qiáng)的抗振動能力，且較節(jié)能。

(3)導(dǎo)線所配合的金具沒有特殊的要求，架設(shè)施工也與常規(guī)導(dǎo)線相同，易實(shí)現(xiàn)。

(4)鑒于上述原因，超耐腐蝕型導(dǎo)線特別適合用于沿海、海島、有腐蝕氣氛的工礦區(qū)，使壽命大大延長，線路運(yùn)行更安全，是未來重要的輸電線路用線種。

表4 超耐腐蝕系列導(dǎo)線的主要參數(shù)

［1］黃豪士.環(huán)境友好型輸電線路用導(dǎo)線之一——導(dǎo)線的特性［J］.電線電纜，2010(2):13-16.

［2］黃豪士.環(huán)境友好型輸電線路用導(dǎo)線之二——導(dǎo)線的應(yīng)用［J］.電線電纜，2010(3):5-11.

［3］王春江.電線電纜手冊(第一冊)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］Nexans Aero-Z R新型高壓架空電纜導(dǎo)線［Z］.耐克森公司技術(shù)資料.

［5］GB/T 20141—2006型線同心絞架空導(dǎo)線［S］.

［6］GB/T 1179—2008圓線同心絞架空導(dǎo)線［S］.