超耐腐蚀型导线及其在平潭岛输电线路上的应用

2012-09-28黄豪士江建华陆国钦喻国宝施海峰

电线电缆 2012年2期

黄豪士，江建华，陆国钦，喻国宝，施海峰

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏海门226100;3.福州电力设计院有限公司，福建福州350009)

0 引言

我国位于亚洲东部，南起南海的曾海暗沙，北至黑龙江漠河，大陆海岸线长18000余km，跨热带、亚热带和温带，还有无数的岛屿。随着我国经济的高速发展，沿海及海岛地区架设了很多的输电线路，然而在带有腐蚀性盐雾气氛和湿热的气象条件下，输电线路用导线极易被腐蚀而损坏，使线路的安全运行受到严重威胁。

以福建省平潭岛的输电线路为例，建于1995年的110 kV高山—北厝输电线路，经6年运行后，导线表面发黑，内部严重腐蚀，见图1。

从图1可见，a导线表面严重发黑并断股;b导线因腐蚀内部已断股。平潭岛位于福建东部，是我国的第五大岛，受地理及气候条件的影响，架空输电线路长期受盐雾侵蚀，特别是导、地线受盐雾的腐蚀极为严重。钢芯铝绞线在该地区的运行寿命不足6年，普通的防腐型导线在该地区应用效果也不理想，故该地区导、地线因腐蚀造成断股断线的情况时有发生。据了解，国内其他高盐雾地区如浙江、广东等省的海岛上，输电线路导、地线都面临与此相似的问题。而杆塔及基础的使用寿命约为30年，因此该地区导线是线路寿命中的“短板”。

1 导线的腐蚀形式及其解决方法

输电线路用导线的主要失效形式为:导线腐蚀后寿命缩短进而失效;导线因振动或舞动引起的失效;因导线腐蚀严重，往往兼之出现振动或舞动而断线。

图1 架设于平潭岛输电线路上使用6年时的导线的腐蚀情况状态图

1.1 导线的腐蚀形式

架空线路导线，从架设之日起，便暴露于所架设的环境中，线路周围的腐蚀气体、湿度和温度的状态都将影响导线的腐蚀程度和寿命。导线的腐蚀可归纳为化学腐蚀、电化学腐蚀和缝隙腐蚀。在大多数情况下这三种腐蚀会同时存在。

(1)化学腐蚀。指金属在大气中与氧、氯、二氧化硫等气体作用下发生的腐蚀。金属表面与氧发生作用后，生成不同的金属氧化物。铝的氧化物能构成致密的有一定硬度的表面保护膜。铁的氧化物结构疏松，易脱落，并继续不断地向金属内部渗入、扩散，使材料破坏。大气中的其他有害气体或离子，如氯离子、碳酸根离子、游离碱或硫酸等，容易与金属或其他氧化物发生化学反应，使金属加速腐蚀。

(2)电化学腐蚀。指由金属和介质组成原电池后，形成了金属的腐蚀过程。当两种不同电极电位的金属相接触，其间又有水或其它电介质时，两种金属之间就会产生电流，形成一个原电池，其中一种金属处于正电位，另一种金属处于负电位。处于负电位的金属就不断以离子状态经电解液向处于正极的金属聚集，使处于负电位的金属逐渐损失破坏，形成电化学腐蚀。两种金属的电极电位差越大，电化学的腐蚀就越强烈，温度越高，湿度越大，金属的腐蚀一般也越严重。

(3)缝隙腐蚀。指导线由于存在着间隙，大气中存在的腐蚀性气氛和雨水等的电介质通过缝隙渗入导线内部引起的腐蚀，其本质上仍属于化学腐蚀、电化学腐蚀的范畴。表1列出最常用金属的电极电位。

表1 常用金属的电极电位

电极电位负值越大的金属，转入电解中成为离子的趋势越强，即越容易受到腐蚀。铝的电极电位的负值虽较大，但由于其表面经常有一层氧化膜保护层，能改善其耐腐蚀性能。

架设于空中的输电线路用导线，特别是架设在沿海、海岛、工业地区的导线，长期经受大气、风雨和盐雾的侵蚀，很容易受到腐蚀，这是由于大气中的氯离子半径很小，能自由地穿透金属表面的水膜和钝化膜(金属氧化膜，结构紧密，覆盖在金属表面)，排挤氧离子并取而代之，成为可溶性氯化物，使金属加速腐蚀。大气中的SO2、H2S、NH3和NO2以及其他悬浮粒子和灰尘也都能促进金属的腐蚀。腐蚀后使金属表面产生缺陷，导致应力集中，应力又会促进腐蚀，腐蚀又加速了表面缺陷的扩展，使抗疲劳能力下降，从而大大降低了导线的寿命。

1.2 导线抵抗腐蚀的解决方法

为了防止导线的腐蚀，可以采取如下方法:

(1)改善承力件钢绞线的表面质量，即采用镀锌、镀铝或镀带有稀土成分的铝锌合金，最为优良的是铝包钢线。铝包钢线的外表面是一层铝，它和导体材料铝具有相同的电极电位，因而在导线内部不会产生电化学腐蚀，减轻了导线腐蚀的可能。

提高铝导体的化学品位或采用品位较低，铝中硅含量较高，当高过0.08%时，可采用稀土优化处理的技术，提高导体材料的抗腐蚀性能。

在导线绞制时，在股线之间涂防腐油脂，它可以分为轻防腐、中防腐和重防腐三种。轻防腐是指油脂涂于钢芯与铝层间，重点是保护钢芯;中防腐则除了导线最外层表面外，各层之间都应涂有油脂，它既保护钢芯又保护除外层以外的各层铝导体;重防腐是指在导线的各层都应涂油脂包括最外层表面，对导线作全面保护。油脂的质量十分重要，其滴点应大于110℃(随导线的允许使用温度提高，甚至达到150℃，油脂的滴点温度就应大于180℃)，而且长期使用不应出现“砂化”现象。此外，还可以在钢绞线上挤上一层树脂作保护，再绕上铝导体，但它明显增加了导线的重量，树脂老化后对钢芯的保护将逐步减弱，以致最终失效。

(2)改善导线结构。导线绝大部分都采用圆线同心绞的结构，这种结构层间和单线间均存在着缝隙，使电化学腐蚀、缝隙腐蚀的可能性提高。以型线同心绞加以替换，便大大减少了导线层间和单线的缝隙，降低了腐蚀的可能性。型线同心绞的型线可以是S、Z、T的形状，以S、Z型线绞成的导线最为紧密，层间和单线缝隙形成迷宫状，由于水固有的表面张力，绞制紧密的导线很难让水分渗入，也就减少了电化学腐蚀产生的可能。

如上所述，一个新型结构的导线具有极良好的耐腐蚀性能，用铝包钢绞线作为承力件，外层绞有优良品位的电工铝或经过稀土优化处理的导体材料，拉制成S、Z型线绞线，除最外层的铝表面外，层间和股线间涂有滴点高过180℃的油脂。这种导线能阻挡有害气体进入导线内层，更阻挡了雨水、雾等水分的侵入，大大提高了导线的抗腐蚀能力，它在欧洲被称为零腐蚀导线。这种导线还具有极为良好的自阻尼性能，有良好的抗台风、抗振动特性，延长了导线使用寿命，使线路更为安全。图2为典型的超耐腐蚀性导线的截面图。

图2 超耐腐蚀性导线截面

2 平潭岛采用的超耐腐蚀导线的输电线路

2.1 工程概况

平潭前进—北厝线路为110 kV架空输电线路工程，起点为平潭县110 kV前进变，终点为北厝变，路径总长为5.2 km，沿线主地形为山地和丘陵;主要设计气象条件:最大风速40 m/s(离地15 m高处)，最高气温40℃，最低气温－5℃，无覆冰，沿线污秽等级为e级。本工程为2009年国家电网公司“两型三新”线路建设试点项目。本试点项目的主要内容是应用耐腐蚀等综合性能较好的新型导线及其配套金具，延长本地区导线寿命，改善性能较差这一“短板”。

2.2 导线选型

腐蚀是本地区导线失效最重要的原因。当大量的盐雾或海盐粒子在铝导线之间的夹塞中浓缩形成强腐蚀性介质的情况下，铝导线和钢芯之间构成腐蚀原电池，铝金属导线成了牺牲的阳极而被腐蚀，所以内层铝导线大片剥落。越远离钢芯，腐蚀程度呈减弱之势。

国内其他沿海(海岛)高盐雾地区的输电线路导线防腐，如广东南澳岛的主要措施有，采用钢芯铜绞线和绝缘钢芯铝绞线。前者价格很贵且钢芯仍严重腐蚀，后者是在钢芯铝绞线外加厚度大于3 mm的塑料护套，有一定延长寿命的效果，但外径增大导致杆塔受力增加和散热性能差载流量受限制，且价格较高。

有的观点认为，钢芯铝绞线的钢铝间有电化学腐蚀要填充油脂，而同种金属相接触无电位差不需填充油脂，事实证明该观点是片面的。即使是同种材料，由于“缝隙腐蚀”仍存在，需要填充适用的防腐油脂。对圆线同心绞的标准绞线，因空隙太大，防腐油脂也会在较短时间里“丢失”，如在ACSR外加装护套，有把油脂“关”起来之意，但导线变得散热性较差，影响其性能。

经过对国内多种新型导线的综合比较，最终本工程选用江苏通光强能输电线科技有限公司生产的型号为AF(SZ)g+AS20－250+40型铝包钢芯型铝绞线。该导线的承力部分采用铝包钢线，导线的导体采用经处理的优质铝制成，这种导线的承力部分因为是相同的材质，不存在电极电位的差异，所以不会形成原电池，不会发生电化学腐蚀;导体为两层结构，单线的形状分别为S形和Z形，紧密的结构，极小的隙缝，大大降低了缝隙腐蚀的可能性;在导体与承力元件间和层间的缝隙，填满了防腐油膏，这种可能引起化学腐蚀的因素也被消除。导线除了外层导体的表面仍然裸露之外，已经几乎不会产生可以发生腐蚀的根源。这是一种超耐腐蚀的导线，它将大大延长使用寿命。

由于结构上的原因，导线各单线间的接触面积明显比普通导线大得多，它有良好的自阻尼特性，特别适合于海岛或沿海等地方架设运行。导线的导体采用经处理的优质铝制成，具有优良的导电性能，与相同的导线相比约减少损耗3%，是节能的。

导线的计算拉断力78500 N，安全系数取2.5(新线系数取0.95)，最大设计应力为102.86 MPa，平均运行应力64.28 MPa。其机械特性和LGJX-240/30型导线相似，不需要单独设计铁塔。导线的特性参数见表2，图3是其外观图。

2.3 金具

本线路使用的金具，包括耐张线夹、中间接续管和悬垂线夹，其中耐张线夹和接续管需选用与导线配合的超耐腐蚀导线专用金具型号。该系列金具采用特殊结构，经过特殊加工工艺处理后能保证金具本身的防腐，提供金具与导线间良好密封，能更好地防止导线与金具之间的缝隙腐蚀，保证了导线与金具连接的可靠性，从而保证金具的使用寿命。悬垂线夹选用预绞丝式，其主要特点为导线悬垂线夹挂点上应力分布均匀，无应力集点，同时具有较好的动态应力承受能力，且其结构简单、耐振可靠、安装容易，综合性能较传统的悬垂线夹有较大的提高。

表2 导线特性参数表

图3 超耐腐蚀导线外观图

2.4 施工及运行情况

本工程于2009年开始施工建设，2009年12月进行导、地线架设及附件安装，导线采用张力放线施工，其架线施工方法、工艺和普通钢芯铝线基本相同，施工过程没有出现因导线结构和材料原因产生的返工和浪费情况。本工程折合单根约16 km长的超耐腐蚀型导线于2009年底一次架线成功，并于2010年元月投产送电。线路投运将近一年来，导线的防腐、防振性能良好，线路的输电损耗较普通导线线路的损耗有一定降低，是一种节能型导线。新型导线的综合性能较传统导线有较大的提高。

2.5 技术经济分析

以30年为标准周期进行比较:在平潭地区普通LGJX-240/30型导线的平均更换周期为6年，30年内需更换5次以上，每次更换费用按16万元/km，线路长度按5.2 km计算，每次更换导线总费用为83.2万元，由此可算得在30年线路寿命周期内，普通导线总更换费用为416万元(静态投资)。采用AF(SZ)g+AS20－250+40型超耐腐蚀导线，在平潭高盐雾地区的设计使用寿命为30年。超耐腐蚀型导线及其配套金具的一次性投资比普通导线增加3.06万元/公里，线路长度按5.2 km计算，需增加投资15.9万元。

在线路项目全寿命周期内，本工程采用超耐腐蚀型导线可节省费用400多万元，以30年计，平均每年节省13.3万元。实现了对高盐雾地区线路各构成部分寿命周期的协调，进一步优化该地区线路的寿命周期成本。同时考虑更换导线施工停电所带来的对系统运行安全性和供电可靠性的影响，超耐腐蚀钢芯型铝导线具有较大的经济和社会效益。