高壓電纜中間接頭鉛封段電化學(xué)腐蝕及進(jìn)水缺陷診斷

徐忠林，馮 陽，楊永鵬，茍 楊，趙 琦，周 凱

（1. 國網(wǎng)四川省電力有限公司成都供電公司，四川 成都 610041；2. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

高壓電纜在電纜系統(tǒng)中承擔(dān)輸電任務(wù)，其安全運行對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。近年來，電纜中間接頭作為電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到輸電系統(tǒng)的安全性[1-5]。

在110 kV 及以上電壓等級的中間接頭制作中，鉛封是連接鋁護(hù)套斷口與中間接頭接地銅殼的關(guān)鍵部件，具有提供護(hù)套環(huán)流泄放通道、耐熱密封性和防水保護(hù)的作用，其機(jī)械強(qiáng)度高，性能可靠[6]。但鉛封在出現(xiàn)裂紋或完全斷開時將會在接頭中發(fā)生進(jìn)水等情況，進(jìn)而引起局部放電致使中間接頭擊穿[7-9]?，F(xiàn)有研究認(rèn)為鉛封的缺陷或者裂紋主要來自制作工藝以及機(jī)械應(yīng)力變化。鉛封制作工藝不良情況包括鉛封厚度不足、鉛封與鋁護(hù)套假焊、鉛封處開裂、鉛封時過熱等[10]。這些制作問題將在鉛封中留下氣孔、裂紋等缺陷，對鉛封的機(jī)械強(qiáng)度造成惡劣的影響。此外，電纜運行中由于受到外部振動、地面沉降以及電纜負(fù)荷變化時引起的熱脹冷縮產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會使鉛封出現(xiàn)裂紋等缺陷[11]。從實際電纜運行中來看，除制作工藝以及機(jī)械應(yīng)力之外，中間接頭鉛封處的電化學(xué)腐蝕也是引起鉛封粉化甚至斷裂的原因之一。但目前針對中間接頭鉛封處出現(xiàn)的電化學(xué)腐蝕鮮有報道，缺乏對高壓電纜中間接頭鉛封段電化學(xué)腐蝕的系統(tǒng)性研究。

為了確定中間接頭鉛封的狀態(tài)，現(xiàn)有的鉛封狀態(tài)檢測方法主要包括回路阻抗法、X射線檢測、超聲檢測、渦流探傷法?；芈纷杩狗ㄖ饕峭ㄟ^測量相鄰接頭間的阻抗判斷鉛封的狀態(tài)，但此方式只能檢測出鉛封完全斷裂時的狀況[12]。X 射線檢測法使用X 射線穿透被檢測物體，經(jīng)過平板探測器轉(zhuǎn)換為電信號，通過計算機(jī)形成數(shù)字圖像，實現(xiàn)對鉛封狀態(tài)的檢測。文獻(xiàn)[13]指出使用X 射線檢測會受制于原理及空間，需要多次調(diào)整射線源以及平板探測器角度才能對鉛封實現(xiàn)全面檢測，檢測圖像往往需要進(jìn)一步圖像處理才能獲取缺陷信息。文獻(xiàn)[12-13]通過COMSOL 模擬和實驗驗證了渦流技術(shù)對于鉛封開裂進(jìn)行檢測的可能性以及運行工況下電磁干擾對鉛封渦流探傷檢測結(jié)果的影響，研究表明鉛封開裂越嚴(yán)重，探頭線圈阻抗幅值和相位變化越明顯，并且渦流檢測具有抗電磁干擾的特點，但渦流僅能對鉛封表面缺陷進(jìn)行檢測[14]。文獻(xiàn)[14]通過有限元軟件對高壓電纜終端鉛封典型缺陷進(jìn)行仿真，研究了超聲波在缺陷中的傳播特性，結(jié)果表明超聲波會在氣孔缺陷處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，缺陷回波時間和幅值可以反映缺陷的位置，但在實際運行環(huán)境中容易受到高頻噪聲的干擾。因此，現(xiàn)有鉛封狀態(tài)檢測方式均存在一定的局限性，對實現(xiàn)在線監(jiān)測具有一定的難度。

基于現(xiàn)有的研究，本文首先對某市3 只在中間接頭銅尾管內(nèi)部發(fā)生過擊穿事故的高壓電纜中間接頭進(jìn)行解剖，并分析事故原因。然后使用電化學(xué)工作站對鉛封處銅尾管、鋁護(hù)套、鉛封焊料3種材料的開路電位（open circuit potential，OCP）、電化學(xué)阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、塔菲爾曲線（Tafel）進(jìn)行測試，以確定3種材料的抗腐蝕能力。結(jié)合事故分析與電化學(xué)工作站實驗結(jié)果，對鉛封處的電化學(xué)腐蝕進(jìn)行歸納總結(jié)。最后，根據(jù)電化學(xué)腐蝕分析結(jié)果，將H2選作特征氣體，用H2的濃度表征鉛封受損以及中間接頭進(jìn)水缺陷的嚴(yán)重程度，并對在運電纜以及退運電纜進(jìn)行現(xiàn)場測試，驗證以H2濃度反映鉛封腐蝕狀態(tài)及中間接頭進(jìn)水的有效性。

1 事故簡介

近年來，某市發(fā)生了三起較為典型的110 kV 高壓電纜中間接頭擊穿事故，事故中間接頭擊穿點均位于中間接頭的接地銅尾管內(nèi)部，并在銅尾管表面留下?lián)舸┛住Ｈ鹗鹿实暮喴榻B如下：

（1）2011年6月，110 kV 某支線C相單相接地故障跳閘，故障相接地電流達(dá)9 kA 以上。去除接頭表面防水膠及絕緣層，發(fā)現(xiàn)在接頭銅管上有1 處徑向貫穿性的擊穿孔，擊穿中心點距離應(yīng)力錐尾部2 cm，擊穿區(qū)域范圍為40 mm×40 mm。

（2）2020年6月，110 kV 某支線C 相故障跳閘。故障原因為3#C 中間接頭擊穿，故障擊穿點距離擊穿側(cè)應(yīng)力錐端部7 cm 處，事故發(fā)生前此接頭已運行18年。故障前110 kV支線負(fù)荷為324 A。

（3）2020年7月，110 kV某支線A相接頭故障擊穿，線路跳閘。擊穿點距離擊穿側(cè)鋁護(hù)套斷口20 cm，事故發(fā)生前接頭已運行17年。故障前110 kV線路負(fù)荷為290.44 A。

三起事故中的電纜本體型號均為YJLW03-64/110-1×500，接頭型號為YJJJZ164/110 kV-1×500。

2 接頭解剖及事故分析

三起事故中的接頭型號一致，解剖流程一致，在解剖流程中出現(xiàn)的特征也表現(xiàn)出相似性。因此，本文僅對2020年7月事故接頭解剖過程中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行說明及分析。中間接頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 110 kV中間接頭結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of 110 kV intermediate joint

2.1 接頭解剖及樣本制作

110 kV 高壓電纜中間接頭主體外部由瀝青以及防爆盒包裹。去除防爆盒之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的瀝青并未良好固化，在瀝青的縫隙中可見明顯的水跡。

在清理防水膠及表面防水膠帶后，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧絕緣體表面涂敷的導(dǎo)電銀漆未見異常，上部繞包的銅網(wǎng)表面已經(jīng)氧化。去除瀝青后在銅尾管表面發(fā)現(xiàn)一個明顯的擊穿孔，擊穿孔附近的銅網(wǎng)已經(jīng)缺失。擊穿孔如圖2所示。

圖2 銅尾管上的擊穿孔Fig.2 Hole in copper tailpipe

去除銅尾管段表面半導(dǎo)電帶之后發(fā)現(xiàn)靠近鉛封根部的電纜鋁護(hù)套已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕斷口?；U封之后，可見鋁護(hù)套已經(jīng)完全腐蝕，并在斷口處發(fā)現(xiàn)聚集的白色粉末。鋁護(hù)套斷口腐蝕如圖3所示。

圖3 鉛封及鋁護(hù)套貫穿性腐蝕缺陷Fig.3 Penetrating corrosion defects of lead sealing and aluminum sheath

拆除銅尾管之后發(fā)現(xiàn)XLPE 上擊穿點距離鋁護(hù)套斷口處20 cm，銅尾管內(nèi)有明顯長期浸水的痕跡。應(yīng)力錐的尾部有嚴(yán)重的灼燒痕跡，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力錐尾部的灼燒痕跡Fig.4 Burn marks at the tail of stress cone

非擊穿側(cè)的鉛封及鋁護(hù)套同樣存在不同程度的腐蝕，并且接地銅尾管內(nèi)部存在水跡。接頭內(nèi)部XLPE 并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的色澤改變，表面依舊存在硅脂。灼燒段應(yīng)力錐包裹的XLPE 表面出現(xiàn)了輕微的發(fā)黃跡象。

接頭完全拆解后，對發(fā)黃段主絕緣以及鉛封斷口處的白色粉末進(jìn)行采樣，并分別進(jìn)行傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）測試以及X射線衍射分析（X-ray diffraction，XRD）。FTIR 測試結(jié)果如圖5 所示，XRD 測試結(jié)果如表1所示。

表1 白色粉末XRD測試結(jié)果Tab.1 XRD test results of white powder

圖5 FTIR測試結(jié)果Fig.5 FTIR test results

從表1 可以看出，鉛封粉化產(chǎn)生的主要產(chǎn)物為Al(OH)3，測試結(jié)果與接頭中嚴(yán)重的鋁護(hù)套腐蝕相符合。推測晶相SiO2是隨水一同進(jìn)入接頭內(nèi)部的雜質(zhì)。通過對比新電纜中XLPE 以及變色段XLPE 的FTIR 結(jié)果來看，相較于新電纜，發(fā)黃絕緣中出現(xiàn)了兩個較為明顯的含氧基團(tuán)，分別是1 085 cm-1處的C-O 以及1 659 cm-1處的C=O[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[16]研究顯示，XLPE 在經(jīng)過熱氧老化后分子鏈中將出現(xiàn)含氧基團(tuán)，在可見光的照射下，含羰基材料會展現(xiàn)出特定的顏色。由此可推測，鉛封失效后水分進(jìn)入接頭內(nèi)部，使得XLPE 在電、熱以及水分的共同作用下發(fā)生了輕微的氧化，并在主絕緣交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入含氧基團(tuán)，使部分XLPE呈現(xiàn)淡黃色。

2.2 擊穿事故分析

根據(jù)近年來相關(guān)高壓電纜附件失效相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電纜失效的主要原因包括電纜中出現(xiàn)的局部放電以及大電流[17]。因此，本文從主要電場以及電流兩方面對接頭擊穿事故原因進(jìn)行分析。

為了研究鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)部電場強(qiáng)度變化，本文按照電纜的實際尺寸，在COMSOL 中建立了銅尾管段的二維軸對稱模型，并利用軟件中的AC/DC 模塊對鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)電場進(jìn)行仿真。纜芯施加50 Hz、89.6×103V 的電勢，鋁護(hù)套以及銅尾管設(shè)置為接地。

在本模型中將皺紋鋁護(hù)套等效為平滑鋁護(hù)套。銅尾管與鋁護(hù)套搭接4 cm，模型整體的長度為500 mm。模型的尺寸以及相關(guān)參數(shù)如表2～3所示。

表2 電纜中間接頭材料電氣參數(shù)[17]Tab.2 Electrical parameters of cable intermediate joint

表3 銅尾管段尺寸Tab.3 The size of copper tailpipe

按照物理場控制網(wǎng)格的方式對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計算之后得到銅尾管段接頭回旋幾何如圖6所示，銅尾管內(nèi)部絕緣屏蔽層表面電勢以及電場強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 鉛封失效前后的短端銅尾管回旋幾何Fig.6 Gyratory geometry of end copper tailpipe before and after lead sealing failure

從圖7 可以看出，鉛封失效前后的銅尾管內(nèi)部絕緣屏蔽層表面的電場強(qiáng)度以及電勢均未發(fā)生明顯的變化。仿真數(shù)據(jù)表明，鉛封失效前后表面電勢的最大值為18.677 V，電場強(qiáng)度最大值為0.080 2 kV/mm，遠(yuǎn)小于空氣的電氣強(qiáng)度（3 kV/mm），鉛封失效不足以在銅尾管內(nèi)部引起爬電以及局部放電。這是由高壓電纜中間接頭的特殊連接方式?jīng)Q定的，鉛封在電纜中間接頭處的作用主要是連接接地銅尾管與鋁護(hù)套，為鋁護(hù)套中的環(huán)流提供接地通道，同時承擔(dān)縱向阻水的作用。當(dāng)單端鉛封失效之后，鋁護(hù)套僅從雙端接地轉(zhuǎn)變?yōu)閱味私拥?，因此，鉛封失效并不會對銅尾管內(nèi)部的電勢以及電場強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。

圖7 鉛封失效前后銅尾管內(nèi)部電氣參數(shù)變化Fig.7 Changes of internal electrical parameters of copper tailpipe before and after lead sealing failure

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，事故在運電纜線路的敷設(shè)方式為溝道敷設(shè)，三相電纜排列方式可近似為一字排列，相間距為60 cm，回路間距為200 cm，如圖8所示。圖8 表明在同一電纜溝道中同時敷設(shè)了兩回110 kV 電纜敷設(shè)線路。文獻(xiàn)[18-19]表明電纜敷設(shè)的間距以及回路數(shù)對護(hù)套中的環(huán)流具有較大的影響，雙回線路敷設(shè)會比單回路敷設(shè)下的環(huán)流高30%，并且電纜分段越不均勻環(huán)流會越大[20]?，F(xiàn)場實測到護(hù)套中最大環(huán)流甚至可達(dá)到40 A[21]。

圖8 事故110 kV線路電纜敷設(shè)方式Fig.8 Cable laying mode of accident 110 kV line

當(dāng)電纜中的鉛封出現(xiàn)粉化或斷裂時，電纜鋁護(hù)套中流過的感應(yīng)電流以及泄漏電流將會改變其流入地的通道；其流通路徑將由鋁護(hù)套-鉛封-銅網(wǎng)帶-銅尾管-接地線變?yōu)殇X護(hù)套-繞包帶材（半導(dǎo)電層、銅網(wǎng)帶）-電纜絕緣屏蔽-應(yīng)力錐-銅制固定件-銅尾管-接地線。鉛封失效時，接地線與鋁護(hù)套之間的電阻由電纜繞包帶材電阻、絕緣屏蔽電阻、應(yīng)力錐屏蔽電阻組成。在護(hù)套環(huán)流以及電阻的共同作用下將灼燒銅尾管段的主絕緣，當(dāng)主絕緣出現(xiàn)損傷時發(fā)生擊穿故障[22]。這一解釋也正好與銅尾管段應(yīng)力錐端部燒蝕痕跡相對應(yīng)。

3 鉛封的電化學(xué)腐蝕

根據(jù)事故電纜解剖以及XRD測試結(jié)果，確定在水分進(jìn)入高壓電纜中間接頭內(nèi)部之后會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。組成電化學(xué)腐蝕最主要的3部分為電解質(zhì)溶液（水分以及雜質(zhì)離子）、不同金屬活性的金屬（主要是鋁護(hù)套、銅尾管、鉛封）、電流[23]。

3.1 鉛封處各結(jié)構(gòu)電化學(xué)測試

為了研究鉛封處3種金屬結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，本文對事故電纜中間接頭鉛封處的銅尾管、鋁護(hù)套以及鉛封處的焊料進(jìn)行取樣，去除表面的雜質(zhì)后制成尺寸為12 mm×6 mm×1 mm 的長方形樣本。實驗裝置為上海辰華儀器有限公司的CHI760E 型電化學(xué)工作站，電解質(zhì)溶液選用蒸餾水，電解池采用常用的三電極結(jié)構(gòu)。其中，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，測試電極分別選取3種樣本，三電極裝置如圖9 所示。OCP 測試時間為400 s，EIS 測試中頻率上下限為0.1～100 000 Hz，Tafel 曲線測試中測量電壓范圍為-1～1 V，測試數(shù)據(jù)在ZView4軟件中進(jìn)行擬合。

圖9 三電極測試系統(tǒng)Fig.9 Three electrode test system

由于OCP 以及EIS 測量為無損測量，而Tafel測試為有損測量，因此同一樣本的測試順序為OCP、EIS 以及Tafel。開路電位測試結(jié)果如圖10 所示。圖10中的測試結(jié)果顯示，銅、鉛封焊料、鋁護(hù)套的開路電位隨著測試時間的增加表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的特點，這是由表面腐蝕產(chǎn)物的積累抑制了陽極反應(yīng)造成的[24]。最終，3種材料的開路電位分別穩(wěn)定在-0.013、-0.389、-0.606 V。文獻(xiàn)[25-26]研究表明，材料的開路電位越低，對應(yīng)的費米能級越高，材料與溶液表面電子偶空穴轉(zhuǎn)移的能力越強(qiáng)，越容易被氧化劑氧化溶解。

圖10 開路電位測試結(jié)果Fig.10 Open circuit potential test results

圖11 為3種材料的電化學(xué)阻抗譜圖（EIS）。在材料的電化學(xué)阻抗譜研究中，任何電路都可以看作電阻與電容的簡單并聯(lián)電路的線性組合，EIS 圖中出現(xiàn)一個圓弧就表明存在一個并聯(lián)支路。圖11 中高頻圓弧與虛軸之間的距離表示電解池內(nèi)部溶液或者固體電解質(zhì)的阻抗，在電路中一般用Rb表示。EIS 圓弧的圓心不在阻抗譜的實軸上意味著在測試過程中存在著阻礙電子移動的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，一般用Rct表示[27]；高頻段的圓弧對應(yīng)著電極材料的初始化學(xué)溶解，中低頻段圓弧對應(yīng)材料表面的鈍化膜。圓弧的直徑越小，代表著電荷傳遞的阻力越小，在電化學(xué)中更加容易被腐蝕[25]，該過程通常使用Rct與雙電層電容CPE 并聯(lián)表示。低頻段的線性部分代表著離子在電極界面和溶液之間來回擴(kuò)散產(chǎn)生的阻抗，使用Warburg 阻抗W表示[28]。因此，設(shè)計了電化學(xué)電荷傳遞過程和傳質(zhì)過程共同控制的電極等效電路圖，如圖12所示。

圖11 EIS譜圖Fig.11 EIS spectrum

圖12 電極的等效電路圖Fig.12 Equivalent circuit diagram of electrodes

圖11 中銅電極的圓弧半徑最大，意味著在電化學(xué)腐蝕中電荷的傳遞阻力最大，在腐蝕中最容易保持穩(wěn)定。相較于銅電極，鋁護(hù)套與鉛封焊料則更加容易發(fā)生電化學(xué)溶解。

圖13為3種電極材料在蒸餾水中的Tafel曲線。Zview 擬合極化曲線獲得的電化學(xué)參數(shù)包括陽極Tafel 斜率ba、陰極Tafel 斜率bc、腐蝕電流密度Jcorr以及腐蝕電位Ecorr，擬合結(jié)果如表4所示。

圖13 3種電極材料的Tafel曲線Fig.13 Tafel curves of three eletrodes

表4 3種電極材料的電化學(xué)參數(shù)Tab.4 Electrochemical parameters of three electrode materials

Ecorr與Jcorr都是反映材料抗腐蝕能力的參數(shù)，腐蝕電位越低，腐蝕電流密度越大，材料越容易被腐蝕或者氧化[25]，表4 結(jié)果與OCP 和EIS 的測試結(jié)果相符合。根據(jù)Tafel 公式，ba與bc越小，電子的傳遞系數(shù)將會越大，表明材料的腐蝕反應(yīng)速率增大，容易被腐蝕。由表4可知，3種材料中鋁護(hù)套的抗腐蝕能力最差，銅抗腐蝕能力最高。

3.2 原電池腐蝕

金屬腐蝕研究表明金屬越活潑，其化學(xué)電位值越小，越容易在反應(yīng)中失去電子成為陽極材料[20]。本文3.1 節(jié)中得到銅尾管、鉛封焊料以及鋁護(hù)套的OCP 分別為-0.013、-0.389、-0.606 V。兩種金屬電位差別最大的材料更加容易構(gòu)成原電池腐蝕，因此在鉛封端最主要的腐蝕為Al-Cu原電池。鉛封的腐蝕作為次要的腐蝕。

當(dāng)電解質(zhì)溶液中含有比鋁金屬化學(xué)電位高的金屬陽離子時，鋁電極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，并在銅電極上發(fā)生貴金屬陽離子析出的反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中貴金屬陽離子的濃度下降，使得原電池反應(yīng)放緩，但隨著電纜接頭持續(xù)進(jìn)水，貴金屬陽離子的補(bǔ)充又會促進(jìn)反應(yīng)的加速。

鋁電極發(fā)生的氧化反應(yīng)如式（1）所示。

當(dāng)電解質(zhì)溶液呈現(xiàn)電中性或堿性，且不含有貴金屬陽離子時，在兩電極發(fā)生吸氧反應(yīng)，如式（2）～（3）所示。

在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的Al(OH)3等沉淀附著在陽極金屬的表面，使得反應(yīng)的接觸面積減小，減緩反應(yīng)的進(jìn)行。

當(dāng)電介質(zhì)溶液中含有大量的H+時，電解質(zhì)溶液呈現(xiàn)出酸性的特征，此時在銅電極上發(fā)生的還原反應(yīng)如式（4）～（5）所示。

3.3 電解池腐蝕

電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，由外加電源、電解質(zhì)溶液、電極構(gòu)成。在電解池反應(yīng)過程中與電源正極相連接的電極定義為陽極，與電源負(fù)極連接的電極定義為陰極。

當(dāng)電源為交流電源時，電解池反應(yīng)可分解為兩階段進(jìn)行分析。將鋁電極為陽極時定義為正半周期，活性金屬Al作為陽極。因此在正半周期的陽極過程為Al 的腐蝕，Al 作為陽極失去電子被氧化，生成的Al3+進(jìn)入到電解質(zhì)溶液中，部分Al3+將會和OH-相結(jié)合，生成白色沉淀。溶液中的陽離子將會依據(jù)氧化性從強(qiáng)到弱的順序，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。在本示例中，溶液中的Cu2+將會在陰極被還原。酸性條件下，H+則會被還原成為H2。

在負(fù)半周期內(nèi)，Cu 作為活性金屬，被強(qiáng)制氧化成為Cu2+進(jìn)入溶液，但在正半周期內(nèi)Cu2+又會被還原。由于被氧化的Al3+氧化性小于水中的H+，在電解池反應(yīng)中始終不能被還原成單質(zhì)附著在電極上。因此，在整個電解池反應(yīng)中，損失量最大的金屬為Al。圖14 為活性電極組成交流電解池反應(yīng)中的電子流向與物質(zhì)生成關(guān)系[23]。

圖14 交流電下的電解池反應(yīng)Fig.14 Electrolytic cell reaction under alternating current

此外，當(dāng)惰性電極參與電解池反應(yīng)時，此時發(fā)生的氧化還原反應(yīng)由電解質(zhì)溶液中離子的氧化性以及還原性所決定，反應(yīng)遵循放電順序。為了驗證鋁的電解池反應(yīng)，本文搭建Al-C 電解池并施加50 Hz、15 V 電源，實驗過程中可明顯觀察到Al 電極出現(xiàn)了明顯的腐蝕凹坑以及氣泡。

3.4 鋁的交流電腐蝕

文獻(xiàn)[29]研究表明鋁在水與交流電的作用下也會發(fā)生腐蝕。鋁金屬為活潑金屬，在空氣中表面會形成一層致密但含有缺陷的氧化膜（Al2O3，Al2O3?xH2O）。氧化膜通常由兩層薄膜組成：①致密無孔的阻擋層；②大塊疏松的本征層。鋁金屬截面如圖15所示。

圖15 鋁金屬截面Fig.15 The structure of aluminum section

文獻(xiàn)[29]定義電子遠(yuǎn)離金屬表面缺陷時為正半周期。在正半周期內(nèi)，電解質(zhì)溶液中的H+離子從金屬氧化物表面被拉走。在氧化膜缺陷處，Al3+離子逸出進(jìn)入溶液，與水結(jié)合形成腐蝕產(chǎn)物Al2O3或Al2O3?3H2O，如式（6）所示。溶液中的OH-為了維持局部的電中性會往金屬氧化物薄膜靠近，如圖16(a)所示。

圖16 鋁的交流電腐蝕[29]Fig.16 Alternating current corrosion of aluminum

OH-層的發(fā)展會使得金屬表面pH 值增大。在負(fù)半周期內(nèi)，H+離子被驅(qū)動到氧化物表面，而OH-離子被驅(qū)動離開。H+在此時得到電子，變成H2被釋放，如圖16(b)所示。溶液中H+離子的消耗會使得鋁金屬表面的pH 值進(jìn)一步增大，促使表面氧化膜溶解，如式（7）所示。

氧化物薄膜的溶解導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)更多的缺陷，使得Al被氧化成為Al3+，造成金屬的腐蝕?？傊?，在鋁的交流電腐蝕中最主要的兩方面為Al在正半周期通過氧化成為Al3+進(jìn)入溶液，造成Al 金屬的腐蝕。另一方面則是整個周期內(nèi)的反應(yīng)引起溶液的pH值增大，造成表面金屬氧化物薄膜的破壞。

經(jīng)過后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁金屬表面電流密度小于0.077 5 mA/cm2時，鋁的交流電腐蝕并不會發(fā)生，當(dāng)表面電流密度達(dá)到0.155 mA/cm2時，會發(fā)生較為明顯的氧化層破壞[29]。

根據(jù)上述原電池、電解池、鋁的交流電腐蝕反應(yīng)過程可以得到以下結(jié)論：①鋁在電化學(xué)腐蝕中更容易被腐蝕，且被腐蝕后產(chǎn)生的Al3+不能通過還原反應(yīng)還原。在電流的作用下，3種腐蝕中鋁的電解池腐蝕最為嚴(yán)重，原電池腐蝕反應(yīng)程度最低；②腐蝕產(chǎn)物包括Al(OH)3或Al2O3?xH2O 等白色沉淀以及H2；③銅尾管在反應(yīng)過程中幾乎不會受損。

4 中間接頭進(jìn)水缺陷診斷

在本文第3節(jié)中可以發(fā)現(xiàn)H2會作為鉛封段腐蝕的特別產(chǎn)物出現(xiàn)，因此考慮將H2作為高壓電纜中間接頭的狀態(tài)檢測特征氣體。

首先對已經(jīng)切除的電纜中間接頭采取打孔抽氣的方式進(jìn)行測試。氫氣傳感器型號為ADKS-1，可測量體積分?jǐn)?shù)為0～2 000×10-6。測試點位分別為防爆盒遠(yuǎn)端電纜本體A、防爆盒近端電纜本體B、防爆盒C 點。測得H2體積分?jǐn)?shù)分別為13×10-6、2 000×10-6、2 000×10-6。拆除接頭之后可見明顯水跡。

為了進(jìn)一步驗證H2與電纜接頭受潮程度的相關(guān)性，對退運電纜以及在運電纜進(jìn)行H2檢測，檢測方式包括對潛水艇外殼開蓋測量、電纜本體上打孔測量、中間接頭的長端或短端測量。測試儀器為APES-ZH2-ZM 型便攜式氣體檢測儀，可測量體積分?jǐn)?shù)為0～40 000×10-6，測試結(jié)果如表5所示。

表5 接頭氣體檢測部分結(jié)果Tab.5 Partial results of joint gas detection

表5 的測試結(jié)果表明，H2濃度可以有效反應(yīng)電纜鉛封段腐蝕以及中間接頭的進(jìn)水情況。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10 000×10-6時，說明鉛封已經(jīng)出現(xiàn)貫穿裂紋。H2濃度越高，表明鉛封腐蝕以及中間接頭進(jìn)水情況越嚴(yán)重。對在運的電纜線路進(jìn)行氫氣測試之后得到的部分結(jié)果如表6所示。

表6測試結(jié)果表明，在同一接頭中，靠近鉛封位置處的H2濃度要遠(yuǎn)高于防爆盒內(nèi)的濃度，H2濃度分布特點與第3 節(jié)中推測的電化學(xué)腐蝕的位置相對應(yīng)。從整體測試結(jié)果來看，接頭中H2含量能夠反映中間接頭的進(jìn)水程度，并且測得最大的H2體積分?jǐn)?shù)并未超過40 000×10-6。H2體積分?jǐn)?shù)越高，中間接頭進(jìn)水并發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性越高。根據(jù)某市現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)接頭中H2體積分?jǐn)?shù)高于8 000×10-6時可認(rèn)為接頭已經(jīng)發(fā)生了進(jìn)水狀況，需要運行單位對中間接頭進(jìn)行渦流探傷以及X 射線檢測等測試，綜合評估中間接頭的運行狀態(tài)。但這一具體閾值需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐倪\行現(xiàn)狀與實驗結(jié)果來確定?，F(xiàn)有測試結(jié)果表明通過監(jiān)測中間接頭段H2含量有望發(fā)展成為高壓電纜中間接頭進(jìn)水缺陷的新型監(jiān)測方式，并且具有實現(xiàn)在線監(jiān)測的應(yīng)用前景。

表6 部分線路氫氣檢測結(jié)果Tab.6 Hydrogen detection results of some lines

5 結(jié)論

（1）交叉互聯(lián)系統(tǒng)使得鉛封失效不會引起銅尾管內(nèi)部發(fā)生爬電以及局部放電，引起銅尾管段絕緣擊穿的原因在于鉛封失效后護(hù)套環(huán)流熱效應(yīng)灼燒銅尾管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，損傷絕緣引起。

（2）鉛封段主要的腐蝕產(chǎn)物為Al(OH)3，電化學(xué)工作站測得銅尾管、鉛封焊料以及鋁護(hù)套的OCP 分別為-0.013、-0.389、-0.606 V。鉛封段的鋁護(hù)套最容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，包括原電池、電解池以及鋁的交流電腐蝕。腐蝕的結(jié)果是鉛封粉化斷裂。

（3）H2可以作為特征氣體反映中間接頭的進(jìn)水狀態(tài)。接頭中H2濃度越高，則發(fā)生的電化學(xué)腐蝕以及進(jìn)水越嚴(yán)重，需要運行單位對接頭進(jìn)行進(jìn)一步檢測與處理。具體的H2濃度預(yù)警閾值需要結(jié)合當(dāng)?shù)仉娎|的實際運行現(xiàn)狀，在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行選取。