架空輸電導(dǎo)線的腐蝕與防護(hù)

陳保安,徐中凱,鄭 薇,陳 新,陳 云,祝志祥

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209； 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 電工新材料研究所,北京 102209； 3. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司營(yíng)口供電公司，營(yíng)口 115000)

目前國(guó)內(nèi)外架空輸電導(dǎo)線主要以鋼芯鋁絞線為主，擔(dān)負(fù)著從電源向電力負(fù)荷中心傳遞電能的作用，在輸電線路中占有極其重要的位置。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)化進(jìn)程的加速，架空輸電導(dǎo)線的服役環(huán)境日趨復(fù)雜且惡化[1-2]，如：在風(fēng)、冰凍以及其他惡劣環(huán)境因素影響下架空輸電導(dǎo)線會(huì)擺晃，產(chǎn)生微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞[3-5]；受大氣中水分、化學(xué)氣體、塵埃和鹽類物質(zhì)等侵蝕性介質(zhì)的作用，架空輸電導(dǎo)線發(fā)生腐蝕，明顯變脆，抗拉強(qiáng)度大幅降低[1]。因此，由腐蝕造成的架空輸電導(dǎo)線事故時(shí)有發(fā)生[6-10]。

架空輸電導(dǎo)線的腐蝕對(duì)電網(wǎng)的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為線路自身的腐蝕是導(dǎo)致其斷股的主要原因。美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI) 、加拿大電力技術(shù)研究機(jī)構(gòu)(Power ech Lab)等已把輸電網(wǎng)的腐蝕評(píng)估、控制與防護(hù)等腐蝕管理問題列為輸電網(wǎng)管理的重要研究課題，我國(guó)也正在對(duì)輸電線路的腐蝕評(píng)估和防護(hù)等問題不斷開展研究[11]。本工作結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)，對(duì)架空輸電導(dǎo)線腐蝕與防護(hù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

1 架空輸電導(dǎo)線的腐蝕行為

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對(duì)架空輸電導(dǎo)線的腐蝕行為進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。

1987年，LYON等[12]利用周期性間歇式的鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cl-和SO42-是影響鋼芯鋁絞線腐蝕速率的最大因素。于萍等[13]利用全浸腐蝕試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)等對(duì)比研究了正常鋼芯鋁絞線與表面長(zhǎng)有不均勻黑斑鋼芯鋁絞線的腐蝕特性，發(fā)現(xiàn)前者呈“晶間腐蝕”，后者呈“孔蝕(點(diǎn)蝕)”。張建堃等[14-15]通過分析干/濕NaCl鹽霧環(huán)境中鋼芯鋁絞線的腐蝕層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)腐蝕前期(≤168 h)外層鋁線的腐蝕速率大于內(nèi)層鋁線的，腐蝕后期則內(nèi)層鋁線的腐蝕速率較大。宗慶彬[11]研究了鋼芯鋁絞線的電化學(xué)腐蝕行為，指出：隨腐蝕氣氛含量的增加，鋼芯鋁絞線的腐蝕速率增大；應(yīng)力環(huán)境中，隨應(yīng)力增大，腐蝕速率增大。安寧[2]對(duì)大氣環(huán)境中鋼芯鋁絞線的腐蝕行為進(jìn)行了研究，并指出：服役條件下鋼芯鋁絞線在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕是多種因素共同作用的結(jié)果。夏開全等[16]對(duì)在役鋼芯鋁絞線各組成部分在典型氣候下的腐蝕情況進(jìn)行了宏觀和微觀研究，并結(jié)合其運(yùn)行環(huán)境分析了腐蝕原因，結(jié)果表明：外層鋁絞線腐蝕較為嚴(yán)重，局部已出現(xiàn)腐蝕坑，鋼芯基體未發(fā)生明顯腐蝕；腐蝕產(chǎn)物可以降低鋁絞線的腐蝕速率，但對(duì)鋼芯的腐蝕速率有提高作用。陳云翔等[17]對(duì)福建省某海島上失效35 kV鋼芯鋁絞線進(jìn)行表面和斷口形貌觀察和成分分析，發(fā)現(xiàn)：海洋大氣、CO2和塵埃等腐蝕介質(zhì)導(dǎo)致內(nèi)層鋁股線嚴(yán)重腐蝕，大量腐蝕產(chǎn)物黏附在基體上，基體表面有以腐蝕區(qū)域?yàn)楹诵牡陌l(fā)散裂紋，在腐蝕、振動(dòng)和線張力的作用下，疲勞裂紋擴(kuò)展帶呈現(xiàn)半橢圓輪廓線，裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致材料斷裂。YADAV等[18]等研究了鍍鋅過程中形成的鐵鋅合金層對(duì)鍍鋅鋼腐蝕行為的影響，結(jié)果表明：與鍍鋅鋼相比，合金層具有相似的陰極極化行為，但陽(yáng)極極化行為不同；在干濕循環(huán)條件下，合金層的腐蝕速率比鍍鋅鋼的低。KREISLOVA等[19]評(píng)價(jià)了某鍍鋅鋼芯鋁絞線在大氣中服役40 a后的腐蝕狀況，并對(duì)其壽命進(jìn)行了估計(jì)。SERI等[20]通過極化曲線和極化阻抗系統(tǒng)地研究了腐蝕環(huán)境對(duì)輸電線鋁股線腐蝕行為的影響。 ISOZAKI等[21]在海鹽環(huán)境和酸性環(huán)境中對(duì)各種涂層鋁線的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，確定了提高耐腐蝕性能的可能性。

目前，在沿海、重工業(yè)污染等地區(qū)的強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，架空輸電導(dǎo)線使用的鋼芯鋁絞線一般4～8 a后發(fā)生明顯銹蝕[22]，對(duì)輸電線路運(yùn)行造成安全隱患，需要及時(shí)更換導(dǎo)線。因此，如何提高架空輸電導(dǎo)線的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)鋼芯鋁絞線的使用壽命，滿足架空輸電導(dǎo)線在腐蝕地區(qū)的服役要求，受到了線纜制造企業(yè)和電力運(yùn)行部門的廣泛關(guān)注。

2 架空輸電導(dǎo)線的防護(hù)措施

針對(duì)架空輸電導(dǎo)線的防腐蝕措施主要有涂覆防腐蝕油脂、合金鍍層、鋁包鋼、采用新材料與新工藝、采用新型導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

2.1 涂覆防腐蝕油脂

架空輸電導(dǎo)線最早采用的防腐蝕措施是涂覆防腐蝕油脂(防腐脂)，在美國(guó)、日本以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，防腐脂產(chǎn)品的研究起步較早。早在1927年美國(guó)第一次將凡士林涂覆在導(dǎo)線接頭上，之后歐洲一些國(guó)家及日本使用瀝青混合物、羊毛脂混合物、潤(rùn)滑脂混合物、特制金屬皂基潤(rùn)滑脂混合物等做為防腐蝕材料[11]。自20世紀(jì)60年代起，伴隨工業(yè)發(fā)展，涂油絞線的使用量逐漸增多，在歐洲、北美及南美的重工業(yè)區(qū)及沿海地區(qū)，新建線路基本上全部采用涂油絞線。防腐脂有效阻止了腐蝕介質(zhì)滲入絞線內(nèi)部，在鋁線和鋼線之間形成物理隔絕，研究表明涂覆防腐脂可使鋼芯鋁絞線的壽命延長(zhǎng)10 a[23]。目前，按防腐脂涂覆方式可將涂油絞線分為輕、中和重防腐蝕絞線[24]。涂防腐脂鋼芯鋁絞線的截面形貌如圖1所示[22]。在GB/T 36292-2018標(biāo)準(zhǔn)[25]頒布前，我國(guó)沒有架空輸電導(dǎo)線用防腐脂標(biāo)準(zhǔn)，所以防腐脂質(zhì)量良莠不齊，大部分油脂具有極易滴落、抗水淋性能差、油脂固化等缺點(diǎn),不符合架空輸電導(dǎo)線的服役條件。GB/T 36292-2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)架空輸電導(dǎo)線用防腐脂進(jìn)行了規(guī)范，推動(dòng)我國(guó)防腐脂質(zhì)量提升，并進(jìn)一步推動(dòng)防腐蝕導(dǎo)線的應(yīng)用。

(a) 實(shí)物圖 (b) 示意圖 圖1 涂有防腐脂導(dǎo)線的截面形貌Fig. 1 Cross-section morphology of overhead conductor with anti-corrosive greases: (a) image; (b) schematic

2.2 合金鍍層

由于防腐蝕油脂會(huì)増加導(dǎo)線所受重力，長(zhǎng)期使用會(huì)使導(dǎo)線老化失效，因此人們開始采用在鋼芯表面直接鍍鋅的方式防止導(dǎo)線腐蝕。鋼芯表面鍍鋅層的腐蝕程度是判斷整個(gè)鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據(jù)，當(dāng)鍍鋅層因腐蝕失去對(duì)鋼芯的保護(hù)作用時(shí)，鋁導(dǎo)線的腐蝕將加速[26]。為了經(jīng)濟(jì)有效地提高鋼芯鋁絞線的耐蝕性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，將鋼芯表面的鍍層由傳統(tǒng)的純鋅鍍層改為合金鍍層,這是鋼芯鋁絞線防腐蝕技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。近30年來(lái)國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量相關(guān)研究?，F(xiàn)已投入商用的合金鍍層主要有Zn-5% Al-RE(Galfan)、Zn-55% Al-1.6Si(Galvalmume)和Zn-10% Al-RE合金鍍層。在工業(yè)污染和海洋環(huán)境中，Galfan合金鍍層的耐蝕性為純鋅鍍層的2～3倍，在日本Galfan合金鍍層已基本成為鍍鋅鋼絲的升級(jí)換代產(chǎn)品，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也已大量應(yīng)用[22]。Galvalmume合金鍍層的附著性較好，腐蝕產(chǎn)物多為非晶型，在晶間填滿非晶鋁合金化合物和非晶態(tài)合金混合物，因此其耐蝕性明顯提高[26-28]。Zn-10% Al-RE合金鍍層是近年來(lái)由日本開發(fā)的新一代高耐蝕鍍層材料，其耐蝕性為純鋅鍍層的5～10倍，但其制備工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高，國(guó)內(nèi)僅少數(shù)企業(yè)具備該產(chǎn)品的生產(chǎn)能力[29-31]。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)及節(jié)能減排要求的提高，鋅及鋅合金熱浸鍍層的生產(chǎn)和使用將受到嚴(yán)格控制，其規(guī)模化應(yīng)用必將受到極大的限制和影響。

2.3 鋁包鋼芯

鋁包鋼芯是一種高效的復(fù)合材料，通過在高溫、高壓條件下連續(xù)擠壓電工鋁將其包覆在高強(qiáng)度鋼絲表面，使鋁鋼間形成約8 μm厚的鋁鋼結(jié)合滲透層，包覆鋁層的鋼絲再經(jīng)雙金屬同步變形機(jī)多次拉拔，鋼鋁間形成良好的冶金結(jié)合[32-33]。為提高鋼芯鋁絞線在沿海地區(qū)的使用壽命，1956年日本日立公司率先開發(fā)出鋁包鋼芯鋁絞線。不同于普通的鋼芯鋁絞線，鋁包鋼芯鋁絞線所有單線接觸部位均為鋁材，避免了異種金屬接觸造成的電化學(xué)腐蝕，有效減緩了架空輸電導(dǎo)線的腐蝕速率[34]。研究發(fā)現(xiàn)，與普通鋼芯鋁絞線相比，鋁包鋼芯鋁絞線的壽命可提升1倍以上[22]。鋁包鋼芯鋁絞線除了具有良好的耐腐蝕性能，與相同截面積的鋼芯鋁絞線相比，其單位長(zhǎng)度質(zhì)量減少2.26%，絞線直流電阻降低3%～3.7%，能夠有效降低導(dǎo)線弧垂和桿塔負(fù)荷，同時(shí)降低線路損耗并提升載流量[35]。目前，鋁包鋼芯鋁絞線系列產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)外輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[36]。

圖2 鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structural diagram of thermal-resistant aluminium alloy conductor aluminum-clad invar steel reinforced

2.4 新材料與新工藝

隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們開始嘗試用有機(jī)復(fù)合材料來(lái)替代金屬材料充當(dāng)導(dǎo)線芯材。碳纖維復(fù)合材料芯架空導(dǎo)線是一類新型電力架空線路用導(dǎo)線，最早由美國(guó)復(fù)合技術(shù)公司于2003年開發(fā)并命名，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用直徑5.0～11.0 mm的玻璃纖維包覆碳纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料芯棒作為承力芯，導(dǎo)線外層與次外層均為梯形鋁型線絞合，以提高緊密系數(shù)和通流面積[37]。自2006年起，我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠家也開展了碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的研究與工程應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料芯的產(chǎn)業(yè)化推廣。雖然碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線的各種性能都比較好，但價(jià)格高、施工工藝復(fù)雜，長(zhǎng)期老化性能還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 碳纖維復(fù)合材料芯架空導(dǎo)線結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of overhead conductor carbon fiber composite core reinforced

除了對(duì)導(dǎo)線芯材進(jìn)行研究外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)導(dǎo)體材料的耐腐蝕性能開展了大量研究，發(fā)展了電工鋁導(dǎo)體的稀土優(yōu)化處理技術(shù)，制造出了具有較好防腐蝕性能的稀土鋁絞線及鋼芯稀土鋁絞線，將鋼絲壽命延長(zhǎng)了3～4倍[11]。李紅英等[38]開發(fā)了一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線及其制備工藝，該導(dǎo)線兼顧了導(dǎo)電性、耐熱性及強(qiáng)度，同時(shí)具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，可用于沿海地區(qū)高鹽濕熱環(huán)境以及工業(yè)地區(qū)酸霧環(huán)境中的輸電線路。徐笑梅[39]利用噴丸工藝改善了鋼芯鋁絞線表面的缺陷，并結(jié)合低溫加熱預(yù)氧化處理進(jìn)一步消除了材料中的殘余應(yīng)力，促進(jìn)了鋁表面氧化膜的重建，提高了鋼芯鋁絞線的耐蝕性。雖然導(dǎo)體材料的耐腐性得到了提升，但是由于生產(chǎn)設(shè)備、制備工藝以及生產(chǎn)成本等因素限制，相關(guān)技術(shù)尚未進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。

2.5 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓形結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)層之間和單線之間均存在縫隙，容易發(fā)生腐蝕。型線結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)層和單線更加緊密，減少了縫隙，可有效降低腐蝕的發(fā)生。型線同心絞線的單線可以是S、Z、T的形狀，以S、Z型單線絞成的導(dǎo)線最為緊密，結(jié)構(gòu)層間和單線縫隙形成迷宮狀，由于水具有表面張力，因此絞制緊密的導(dǎo)線很難讓水分滲入，也就減少了產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的可能[40]。

超耐腐蝕性導(dǎo)線，在歐洲又稱為零腐蝕導(dǎo)線，其采用鋁包鋼絞線作為承力件，外層絞有品質(zhì)優(yōu)良的電工鋁或經(jīng)過稀土優(yōu)化處理的導(dǎo)體材料，拉制成S、Z型絞線，除最外層的鋁表面，層間和股線間有油脂(滴點(diǎn)超過180 ℃)，能阻擋有害氣體進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)層，及雨水、霧等水分的侵入，大大提高了導(dǎo)線的耐腐蝕性能。該導(dǎo)線具有優(yōu)異的自阻尼性能，良好的抗臺(tái)風(fēng)、抗振動(dòng)特性，這有利于延長(zhǎng)導(dǎo)線的使用壽命，使線路更安全，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[40]。

圖4 超耐腐蝕性導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structural diagram of super corrosion resistant conductor

3 結(jié)論

架空輸電導(dǎo)線的腐蝕對(duì)電力安全輸送造成了較大的潛在威脅，經(jīng)濟(jì)有效的防腐蝕措施是電網(wǎng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的保障。因此，需要對(duì)架空輸電導(dǎo)線的防腐蝕材料及其制備工藝開展系統(tǒng)深入的研究，開發(fā)出低成本、高性能的防腐蝕油脂和耐腐蝕的導(dǎo)體材料產(chǎn)品，獲得先進(jìn)的合金鍍層及鋁包鋼制備技術(shù)，進(jìn)一步完善防腐蝕導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量，從而滿足架空輸電導(dǎo)線在我國(guó)惡劣服役環(huán)境中安全可靠運(yùn)行的要求。