输变电系统中钢筋混凝土结构的劣化及其危害

王 斌,于金山,吴 东,贺 春,赵 鹏,张俊喜

(1.国网天津市电力公司，天津 300010； 2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；3.上海电力大学电力材料防护与先进材料上海市重点实验室，上海 200090)

钢筋混凝土结构具有承载力强、结构稳定、施工性好等优点，在许多工业设施和民用建筑中广泛应用。然而，随着服役时间的增长和服役环境的恶化，在役钢筋混凝土结构劣化现象日益严重，己成为一种灾害。由于受大气中酸性气体和土壤中侵蚀性物质(如二氧化碳，工业排放气体、氯化物和硫酸盐等)的作用，混凝土结构中的钢筋发生锈蚀，混凝土保护层出现胀裂、剥落等现象，这类现象已成为影响全球钢筋混凝土结构耐久性的重要因素。钢筋混凝土结构破坏给世界各国造成了严重的经济损失和社会影响。Meltla教授在20世纪90年代就指出，当今全球钢筋混凝土结构破坏因素按严重性来排序的话，钢筋腐蚀排在首位[1]。工业生产的快速发展使水、土壤、大气环境的污染日益严重，钢筋混凝土结构的耐久性问题被广泛关注，钢筋混凝土结构在服役环境中受侵蚀性物质作用而发生破坏的各种事故、灾难不断出现。

我国电力工程中使用钢筋混凝土结构已有半个世纪之久[2-3]。高压输变电网架中大量使用了钢筋混凝土结构。这类钢筋混凝土结构与钢结构相比具有投资少、耐腐蚀等优势。但是，其长期暴露在自然环境中，受到大气和土壤环境中侵蚀性物质的作用以及各种外部和内部的力的作用。随着服役时间的延长，钢筋混凝土结构容易发生碳化、侵蚀，出现横向、纵向、网状裂缝和内部钢筋锈蚀等劣化现象。处于沿海及盐渍土地区和工业区等恶劣环境中的钢筋混凝土结构，即便设计合理、施工规范，如不采取相应的防护措施，其耐久性也会由于服役环境中各种侵蚀性物质的作用而降低，服役寿命大幅低于预期寿命。钢筋混凝土结构破损后，其承载力明显降低且疲劳性能减弱，服役寿命缩短，这严重影响了结构的安全，给电网运行带来较大隐患[4]。

本工作结合在役输变电系统中钢筋混凝土结构出现的劣化现象，从服役环境特征和钢筋混凝土结构特征入手，分析了钢筋混凝土结构的劣化特征和可能产生的危害，为输变电系统中钢筋混凝土结构的运维提供支持。

1 输电系统钢筋混凝土结构的劣化及危害

架空电力线路是最常见的电能传输设施，具有施工时间短、适用范围广、成本低、载流量大、故障查找容易等特点，已成为电力系统长距离输电的主要形式。但架空电力线路主要输电部件长期暴露于野外环境中，导线、杆塔、绝缘子以及电力线路杆塔基础(塔基)等直接与空气和土壤接触，容易遭受侵蚀性物质的作用，出现故障的几率较高。其中，作为输电系统中基础部件的钢筋混凝土结构，在服役过程中与大气和土壤环境中侵蚀性介质交互作用，使得混凝土和钢筋的组成结构发生变化，导致钢筋混凝土结构的性能发生劣化。

1.1 塔基

目前，塔基普遍采用钢筋混凝土结构，其强度大、刚性强，能够支撑输电线路中杆塔的搭设。塔基需承受的荷载来自多方面，如杆塔自重、各种设备的重量、风力振动等，且受多种变形因素的影响，如外界温度变化、受力不均、材料收缩或徐变等。塔基需要保证杆塔在正常服役过程中不出现沉降、开裂等现象，从而保证输电线路整体的功能性和可靠性，同时它还需要确保在受到外力作用之后不会发生形变从而导致杆塔工作异常[5-6]。因此，钢筋混凝土的塔基是关系到输电线路安全运行的重要部件。

目前，塔基存在的问题主要包括两个方面：一方面是由于设计和施工不合理导致塔基出现缺陷；另一方面则是由于服役环境和工况的影响使塔基产生劣化。这些都会影响到钢筋混凝土塔基后续的服役性能。

1.1.1 施工和设计引起的塔基缺陷

1.1.1.1 案例一

2019年6月，某电力公司输电运检分中心发现某1 000 kV线路Ⅱ线212号塔基立柱存在明显裂缝。该塔基顶部裂缝呈放射状，从保护帽内部向表面延伸，裂缝分布比较均匀。杆塔A腿塔基为开挖板式基础，其4个侧立面有12条裂缝。其中一条裂缝较为严重，该裂缝从侧面延伸至顶面以下1.5 m处，其余裂缝延伸较浅，如图1所示。

图1 杆塔A腿塔基裂缝位置Fig.1 Crack location in substructure of leg A of a pylon

该段电力线路位于沙漠腹地，由于交通条件较差且距离搅拌站较远(约80 km)，混凝土拌合物需要经过2～3 h运输才能到达浇灌现场，因此混凝土拌合物的质量难以保证，容易产生离析、凝固等问题。入模混凝土材料配合比不当、骨料(砂子)级配和规格不符合要求、基础细骨料粒径偏小、水泥含量较高，都会使塔基易产生收缩裂纹。另外，养护不当如洒水保湿不及时、温度过低或过高、成品保护不到位等均会导致混凝土表面产生收缩裂缝，也会影响水泥水化从而导致混凝土强度降低。

1.1.1.2 案例二

某电力公司在现场检查中发现某110 kV变电站附近输电线路钢筋混凝土结构的保护帽呈蜂窝状、无排水倾角，如图2所示。经检测，该钢筋混凝土结构的强度等级为C8，不满足标准要求[7]。根据GB/T 50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》规定，素混凝土结构应满足混凝土耐久性要求的最低强度等级，一般环境中应不低于C15。混凝土结构强度测试可排查保护帽内是否存在严重的缺陷如内部掺土、大量石块孔洞等；无排水倾角会导致保护帽上表面积水，加快塔脚钢材在混凝土与大气界面处的腐蚀。劣质保护帽不能对地脚螺栓、塔脚起到保护作用，使塔脚易发生腐蚀、减薄现象，甚至发生倒塔事故，严重影响电力安全。

1.1.1.3 案例三

500 kV斗黄Ⅱ回路为1998年设计施工，1999年投运。在对其巡视时发现，服役15 a的5268斗熟线 44号杆塔4个腿的基础均出现不同程度的开裂。其中，1号腿基础开裂最严重，见图3(a)，裂缝宽度达到4 cm，裂缝沿立柱方向呈竖向分布。对1号腿基础立柱进行开挖，查看其4个面，发现纵向裂缝向底板方向延伸，长度约110 cm，但底板没有出现裂缝。从立柱上裂缝的开裂方向可知，裂缝主要出现在保护帽部位，自主材外侧的加筋板开始沿水平和垂直方向呈45°方向发展，一直到立柱的顶面向外侧。2号腿基础外侧主筋因混凝土开裂已经外露，箍筋锈蚀较严重，立柱外侧露出的主筋距顶面有10 cm，与混凝土之间发生滑移，见图3(b)[8-9]。

图2 塔基保护帽的现场照片Fig.2 Photo of protective cap for substructure from the scene

(a) 1号腿基础(b) 2号腿基础图3 44号杆塔塔基现场照片Fig.3 Photos of substructure of pylon No.44 from the scene: (a) substructure of leg No.1; (2) substructure of leg No.2

经检查，脱落的混凝土块颜色呈灰白色，比重小、强度低，表明混凝土中胶砂比较少，且发现引入的石子中有部分石灰石。骨料中的石灰石可促进碱骨料反应，导致混凝土膨胀、开裂。基础带着裂缝工作，在荷载作用下，随着时间延长，裂缝进一步发展。

在电力线路杆塔基础建设中要注重施工质量监控，避免形成结构隐患，需严格按设计规范和施工验收规范进行施工，严格执行GB 50164-2011《混凝土质量控制标准 》规定的质量控制要求，包括初步控制、生产控制和合格控制。基于钢筋混凝土结构的质量要求，硬化前的混凝土应有合格的可施工性，在输运、浇筑等环节满足施工要求；硬化后的混凝土应满足相关技术指标，确保在荷载、环境侵蚀作用等方面达到相应指标。在施工中应严格控制施工条件，遵守施工规范。在服役过程中，做好检查、维护，避免钢筋混凝土结构在服役过程中发生劣化等。

1.1.2 服役环境引起的塔基劣化

1.1.2.1 案例一

河北省电力部门对沿海地区钢筋混凝土结构的电力线路塔基的耐久性现状开展了调研。从调研整体情况看，沿海地区输电线路塔基劣化的主要特征是表面存在裂缝。混凝土表面的劣化按劣化程度由弱到强主要包括表面裂纹、贯穿性裂缝或顺筋开裂、混凝土保护层脱落等。部分塔基表面出现了保护层脱落，内部的钢筋外露，钢筋呈锈蚀状态[10]，如图4所示。

(a) 表面裂缝 (b) 内部锈蚀钢筋 图4 35 kV港长线某塔基Fig.4 Substructure of 35 kV Gangchang line: (a) cracks in surface; (b) corrosion of inner rebars

根据GB 50021—2001(2009版)《岩土工程勘察规范》可知，上述调研中现场取样的试验场地均属于Ⅱ类场地。由钢筋混凝土结构所处环境的腐蚀性评价结果可知，河北沿海地区港长线、临狼线和南滩线的取样位置为强腐蚀，临港线取样位置属于弱腐蚀，南黄线的取样位置属于微腐蚀。从调研结果来看，沿海地区输电线路塔基受氯盐侵蚀，劣化从钢筋锈胀逐步演变为混凝土顺筋开裂。服役时间越长，环境腐蚀性越强，塔基附近水位变化越剧烈，塔基混凝土及内部钢筋腐蚀越严重。

1.1.2.1 案例二

总长70 km的漯淮线(漯河-淮阳)220 kV高压输电线路中有72座输电铁塔。在2000年巡检时发现：服役15 a的26号铁塔塔基中有大量裂缝，宽度最大达3.2 mm，5个月后再检时裂缝宽度已增加到4.5 mm，裂纹深度最大可达400 mm；其他塔基中也存在类似裂纹[11]。分析结果表明，这些裂缝是由碱集料反应所致。碱集料反应会导致集料周围体积膨胀、开裂，钢筋混凝土强度降低甚至完全失效。钢筋混凝土中的碱集料反应需要水、活性集料和较强的碱性介质，三者缺一不可[12]。服役环境中的水可以沿着塔基混凝土表面的裂缝进入内部，且混凝土中碱含量高，混凝土中的集料具有反应活性。这样混凝土中碱组分与石英集料发生碱集料反应，导致混凝土产生网络状裂纹和微裂缝。同时，通过检测发现服役区域的土壤、地下水中SO42-含量较高，硫酸盐会与混凝土中的水化产物反应生钙钒石、硫酸钙，产生膨胀破坏。另外，裂纹的存在使大气中酸性物质容易到达混凝土内部而发生碳化作用。从检测结果来看，混凝土中的碳化深度已达钢筋表面，使得钢筋出现锈蚀，腐蚀产物的膨胀又促进了混凝土中裂缝的形成和发展。

1.1.3 接地工况引起的塔基劣化

目前，有许多关于利用钢筋混凝土塔基作为接地装置的报道[13-17]。利用塔基中的钢筋作为接地体等效于外包混凝土的垂直接地装置，能够立体地分散雷电流等冲击电流。这种接地体的表面积要比水平敷设的接地体大得多，且随服役时间增长，结构中混凝土的电阻率也将明显减小，并趋近一个饱和值。这时混凝土的电阻率小于200 Ω·m。在含水量较多的土壤中，混凝土的电阻率可降至25～45 Ω·m，散流效果更好[18]。JGJ/T 16-2016《民用建筑电气设计规范》第12.9.8条也给出了“钢筋混凝土基础内的钢筋宜作为接地装置”的建议。

从电气角度而言，利用塔基作为接地体可以改善输电线路的接地效果，也可以有效解决空间受限时的接地要求。但是，从钢筋混凝土结构的耐久性来看，用塔基中的钢筋作为接地体会对钢筋混凝土结构的耐久性产生显著影响。作为杆塔接地体，其主要作用是安全接地和防雷接地。在正常的输电工况下，地线受线路感应作用，会产生一定大小的感应电流。这种感应电流会通过接地体流向大地。而在这个过程中，钢筋混凝土结构中的钢筋作为接地体就会与大地形成电流回路，钢筋与钢筋/混凝土界面的孔隙液就构成一个电解池。当感应电流通过时，钢筋就会发生电解腐蚀。随着时间的延长，由于电解腐蚀，钢筋截面积会减小，而且腐蚀产物膨胀也会引发混凝土保护层开裂，最终会导致塔基性能劣化。作为防雷接地体，当遭受雷击时，混凝土中的钢筋会通过大电流排流。当钢筋流过大电流时，会发热，使混凝土和钢筋的结合力显著减小，这也会对钢筋混凝土结构的性能产生不利影响。

目前，关于接地工况下钢筋混凝土结构的劣化还未见报道。但是在地铁系统中关于杂散电流对钢筋混凝土结构影响的研究结果表明，杂散电流对周边的钢筋混凝土结构的耐久性有显著的影响。随着地铁运营时间的增加，由于受到列车荷载反复作用、潮湿环境中水和侵蚀性离子日益渗透等影响，地铁系统中的轨、地先期防护措施失效,绝缘性能降低，使列车在启动和运行时泄漏的杂散电流远超设计允许范围。北京地铁一期工程在投入运行几年后，主体钢筋混凝土结构中的钢筋就出现了严重腐蚀，这主要是由于地铁运行时产生的150～220 A杂散电流作用导致的。同时，隧道内水管出现腐蚀穿孔54处，周围金属管网的腐蚀也明显加快。天津地铁、深圳地铁也存在类似情况[19]；香港也发生过因地铁杂散电流引起煤气管道腐蚀穿孔从而导致煤气泄漏的事故[20]；英国、美国、日本等国的直流牵引回流系统也存在杂散电流泄漏腐蚀问题[21-22]。

BERTOLINI等[23]的研究表明，在交流电和直流电模拟加速腐蚀条件下，氯离子的存在使混凝土中钢筋的杂散电流腐蚀加速。MASUDA[24]，周晓军等[25]也研究了杂散电流对钢筋混凝土结构的作用，以及钢筋混凝土结构腐蚀后的耐久性能特征。大量研究表明，在杂散电流与氯离子耦合作用下，钢筋混凝土中钢筋加速腐蚀，导致混凝土抗压强度和弹性模量的劣化加速[26-27]。在水泥石中，钝化状态的氯离子会在杂散电流作用下转化成活性的氯离子[28-29]。

因此，如果利用钢筋混凝土塔基作为接地体，应保证钢筋和混凝土配筋层的热稳定性，此外还应保证钢筋的化学稳定性。当从钢筋表面流出的电流密度超过允许值时，塔基表面的防护层会加速老化，渗透性增强，同时混凝土中钢筋电化学腐蚀加速，从而降低塔基的使用寿命。前苏联针对混凝土中钢筋流出的电流密度提出了相应的标准：雷电流时，电流密度小于30 kA/m2；短路电流时(连续时间为3 s以下)，电流密度小于1 kA/m2；连续的50 Hz交流电时，电流密度小于1 A/m2；持续的直流及整流电流时，电流密度小于0.06 A/m2[30]。为能保证钢筋表面流出的电流密度降低到安全值以下，施工时要求单个塔基中的钢筋均实现金属性连接。

1.2 杆塔

1.2.1 服役大气和土壤环境引起的杆塔劣化

钢筋混凝土杆塔主要由主杆、叉梁、拉线及横担等组成。主杆有等径和锥形(拨梢)2种。叉梁的主要作用是加强两主杆之间的联系，以抵抗线路受到的横向荷载、振动和风摆。横担主要用于支撑导线和传递来自导线的荷载。在一些地势较为平缓的平原地区，可以优先考虑钢筋混凝土和预应力混凝土两种杆塔设计[31]。

杆塔长期服役在野外环境中，与大气、土壤中的侵蚀性物质发生作用，导致混凝土保护层的组成发生变化。在大气环境中，CO2或酸雨的作用使得混凝土保护层内部的碱性降低，钢筋表面钝化层的稳定性遭到破坏，使得钢筋发生锈蚀，腐蚀产物膨胀也会使混凝土产生应力开裂，导致杆塔的强度降低。

1.2.1.1 案例一

包头供电局所管辖的包白Ⅰ回(沙河变-白云变)自1958年10月投运，线路已经运行49 a。巴麻线1～311号(原乌麻线1～485号)于1973年10月投运，线路已经运行34 a。这两条线路主要是以带钢筋混凝土叉梁的钢筋混凝土杆塔为主，由于多年的运行，加上两条线路位于多风的高寒地段，大多数杆塔杆身已发生开裂变形，如图5所示。

图5 包白Ⅰ回、巴麻线混凝土杆的劣化情况Fig.5 Deterioration of concrete poles in Baobai line I and Bama line

杆塔的破损形态有以下特征。(1) 杆段产生纵向裂纹问题较为普遍,也最为突出。混凝土杆纵向开裂，且发生在杆的各个部位，纵向裂纹宽度一般为0.1～10 mm，裂缝长度从0.3 m到杆段全长不等。(2) 杆段上还有部分环向或沿四周环向裂纹，这些现象一般发生在下中段。(3) 杆段普遍出现老化、碳化、腐蚀、材质疏松变色，强度下降等现象。靠近地面、地表以下的部位破损最为严重，出现大小不等的块状剥落、空鼓及主钢筋、箍筋严重锈蚀等现象，但冻土层以下的部位一般都完好无损。在北方严寒地区，则会由于冻融作用破坏混凝土保护层的致密性。在低温环境下，混凝土中的孔隙液结冰膨胀，气温升高时结冰融化。随着季节更替，混凝土结构不断经受冻融循环，使得混凝土逐渐发生粉化、剥落等现象。

1.2.1.2 案例二

格尔木市至察尔汗钾肥厂之间的35 kV供电线路，使用不到一年即因钢筋锈蚀，电杆产生纵向裂缝，如图6所示，并逐年加剧，2～3 a后报废。在中性土壤中钢筋混凝土杆塔比较稳定，而在滨海环境或盐渍土环境中，钢筋混凝土杆塔会受到土壤中腐蚀性物质的作用，如硫酸盐侵蚀和氯离子侵蚀，从而发生混凝土层破坏或钢筋锈蚀。在滨海环境或盐渍土环境中，钢筋混凝土杆靠近地面部位的腐蚀、破损较为严重，杆塔下部出现大小不等的块状剥落、空鼓，及主钢筋、箍筋严重锈蚀等现象。

图6 格尔木地区供电线路混凝土杆的劣化情况Fig.6 Deterioration of concrete poles in Germu power supply line

一般情况下，沿海地区盐碱性土壤中氯离子含量较多，环形预应力混凝土杆塔主要受氯离子侵蚀的危害，当钢筋表面氯离子含量较高时，钢筋表面的保护层遭到破坏，进而促进钢筋进一步腐蚀，腐蚀后的钢筋体积发生膨胀，使电杆的混凝土层开裂、剥落，造成电杆的寿命缩短，威胁架空电力线路的安全运行[32-33]。在盐渍土环境中，硫酸盐对混凝土的腐蚀主要是由于SO42-与水泥中的Ca2+产生化学反应生成硫酸钙以及硫酸钙结晶，体积发生膨胀，造成混凝土酥化[34-35]。这种情况严重时将造成杆塔折断、架空电力线路倾覆的后果。

根据GB/T 50476-2019《混凝土耐久性规范》和GB/T 50046-2018《工业建筑防腐蚀设计规范》中的相关要求，对于盐渍土强腐蚀地区的基础，设计时应遵循以下原则：(1) 根据土壤中SO42-和Cl-的含量，在基础混凝土中加入耐腐蚀材料；(2) 根据耐久性要求增加混凝土的腐蚀余量即增加混凝土标号以及钢筋保护层厚度；(3) 在基础表面涂刷防腐蚀涂层。

1.2.2 外力作用引起的杆塔劣化

钢筋混凝土杆塔出现劣化的另一个原因是外力作用[36-37]。转角杆塔的裂缝往往发生在下段受压一侧，由“竹裂效应”(轴向抗拉强度远大于环向拉抗强度的结构所共有的力学破坏特征)导致纵向开裂、鼓包；直线杆塔受“鞭梢效应”和“竹裂效应”，杆塔的下部侧位产生纵向初裂，还有部分杆塔在下中段位置出现环向裂纹。钢筋混凝土杆塔产生环向开裂的原因是塔根弯矩过大，在受拉侧常常产生结构破损裂缝；在风振及风摆的作用下，杆塔侧面部位也会出现环向破损裂缝。

钢筋混凝土杆塔劣化的原因还包括杆段混凝土保护层偏薄、主筋和箍筋靠近外表面等， 加上混凝土碳化、钢筋腐蚀及腐蚀产物膨胀、保护层开裂三种因素的相互影响，使得杆塔劣化过程恶性循环，最终杆塔加速劣化，服役寿命远低于设计寿命。

对于架空输电线路而言，各个钢筋混凝土部件的状态评价可依据国家电网公司颁发的《110 (66) kV～500 kV架空输电线路评价标准(试行)》和南方电网公司颁发的《输变电设备状态评价标准》进行。钢筋混凝土杆塔的良好状态包括：钢筋混凝土杆塔保护层无腐蚀脱落、无钢筋外露现象，或钢筋混凝土杆塔保护层有轻微腐蚀但无脱落、无钢筋外露现象；杆塔无裂纹或裂纹宽度不超过0.2 mm。钢筋混凝土杆塔的注意状态包括：钢筋混凝土杆塔保护层有腐蚀、轻微脱落，但无钢筋外露现象；杆塔裂纹宽度接近或达到0.2mm。钢筋混凝土杆塔的不良状态包括：钢筋混凝土杆塔保护层有严重腐蚀、脱落或出现钢筋外露现象；杆塔裂纹宽度超过0.2 mm。

2 变电站钢筋混凝土结构的劣化与危害

变电站有许多基础设施均为钢筋混凝土结构，包括构架、支架平台、变压器油坑和事故油池、电缆沟道以及其他钢筋混凝土结构(三通一平，围墙、道路)等。变电站钢筋混凝土结构长期在室外服役，在大气、土壤以及变电站特有的电磁环境作用下，钢筋混凝土结构加速劣化。

2.1 大气和土壤环境引起的劣化

在潮湿、雨雾、工业污染气氛、沿海氯离子侵蚀、应力等服役环境和服役工况的作用下，变电站钢筋混凝土构架普遍存在混凝土碳化深度大，钢筋锈蚀，保护层胀裂、剥落，钢筋外露等劣化现象。其中，牛腿、爬梯等部位的劣化一般会比较严重。劣化会降低构架的可靠性、安全性，缩短构架的服役寿命。

2014年南网广东电力公司对所属变电站的钢筋混凝土构架进行了专项检查，发现湛江、茂名、江门、中山、广州、深圳等地的变电站户外构支架普遍存在严重腐蚀[38-39]。深圳地区诸如梅林、西乡、水贝、简龙、龙塘、坪山、公明等变电站90%的户外构支架在运行6 a以后发生了明显的劣化现象，如图7所示。这些变电站户外构支架的劣化包括混凝土表层的裂缝、钢筋锈蚀、胀裂、剥落等：裂缝宽度在3～300 mm；局部鼓胀面积达30～50 cm2，隆起高度3～5 mm；混凝土剥落面积一般为70 mm×200 mm，严重的达120 mm×350 mm；钢筋锈蚀严重，保护层脱落长度达200～350 mm，钢筋总强度损耗达10%～15%。这些劣化现象已经严重影响到变电站的正常操作和安全运行。

(a) 纵裂缝(b) 横裂缝图7 变电站钢筋混凝土构架上的裂缝Fig.7 Cracks in concrete frame of substation: (a) longitudinal cracks; (b) transversal cracks

图8(a)为茂名泥乔变电站的混凝土保护层胀裂脱落情形。混凝土保护层胀裂脱落将逐步降低其对钢筋的保护能力，甚至造成钢筋外露、锈蚀，进一步劣化钢筋混凝土的性能。图8(b)为大涌变电站钢筋锈蚀情形。它将造成钢筋截面减小、混凝土出现锈胀裂缝、钢筋的黏结锚固性能下降等问题，直接导致钢筋混凝土构件承载力显著降低。

广西地区电力部门在对变电站混凝土结构进行检查时，发现在河池、百色等有色金属矿区附近的变电站钢筋混凝土结构出现劣化现象。变电站支架的横梁、牛腿等部位出现开裂、剥落现象，沿着开裂部位还有大量的细裂纹。

变电站钢筋混凝土构架横梁主要用于悬挂绝缘子和导线。在力学和化学作用下，构架挂钩悬挂点附近的混凝土保护层出现开裂、剥落，导致挂钩与构架横梁之间连接的安全性和可靠性降低，甚至发生挂钩失效脱落，造成绝缘子和导线脱落的现象，影响变电站安全运行。绝缘子吊环和避雷针与构架连接处损伤破损也会导致结构性能劣化、承载力下降，严重时可引发高压线掉落等重大电力安全事故，危及整个电网的安全运行。

(a) 保护层胀裂剥落(b) 钢筋锈蚀 图8 变电站混凝土保护层胀裂剥落和钢筋锈蚀Fig.8 Cracking and spalling of concrete cover (a) and rusting of rebar (b) in substation

2.2 变电站电磁环境引起的劣化

电磁场环境作用会使变电站的钢筋混凝土构架出现不同程度的老化，一些构架表面混凝土还会发生碳化、开裂剥落，钢筋锈蚀外露等劣化现象。

在变电站的输电系统中，高压电缆是由钢筋混凝土构架架立悬空的。随着服役时间的延长，由于绝缘老化、导电粉尘、油污吸附、雨雪潮湿等原因，绝缘子有泄漏电流产生，当绝缘子损伤发展到一定程度，有贯穿性击穿电流产生，即产生了杂散电流[40]。这样在输电导线、钢筋混凝土支撑构件系统和大地间就形成了电流回路，产生导入地面的杂散电流。变电站中发生的电流泄漏通常是不对称泄漏，泄漏电流的波形畸变。泄漏电流对钢筋混凝土结构产生严重的杂散电流腐蚀，加速构件中钢筋腐蚀，导致混凝土构架的性能劣化，降低供电系统运行的稳定性和安全性[41-42]。

钢筋的杂散电流腐蚀与氯离子作用下的腐蚀，本质上均属于电化学腐蚀。但是杂散电流腐蚀比氯离子引发的电化学腐蚀严重得多[43]。杂散电流在混凝土内部形成的电磁场可使氯离子的存在形式发生改变，并加速氯离子向钢筋表面迁移。同时，氯离子的存在会降低混凝土的阻抗，加速杂散电流对钢筋的锈蚀作用，且二者之间存在相互促进的作用[23,44]。

变电站的电磁环境还可能改变周边大气环境的组成，进而对变电站服役的钢筋混凝土结构的耐久性产生影响。董曼玲等[45]调查发现，在变电站使用的同批次电杆均发生不同程度的腐蚀，而在送电线路中使用的相同批次的电杆则几乎没有腐蚀。该地区变电站电压在110～220 kV，存在电力容器绝缘、电缆绝缘、电力变压器、高压电器油纸绝缘、电机绝缘等的局部放电。以上局部放电行为改变了变电站局部环境的磁场，导致空气中的氮和氧起化学反应，如遇潮湿空气、雨天，会加剧腐蚀钢筋。

3 结论

输电线路是电力能源输送的重要载体，输电线路的安全运行是确保电力能源的正常输送与分配的基础。随着我国的输电网络系统的拓展，输电线路不可避免地会遇到各种极端恶劣的服役环境，尤其是在沿海地区和盐渍土地区。在这些复杂的服役环境中，输变电系统中钢筋混凝土的组分由于受到大气与土壤环境中侵蚀性物质作用而发生变化，同时钢筋混凝土还受到力学和电磁场的作用。在这些因素的交互作用下，输变电系统中钢筋混凝土结构的劣化加速，结构的性能降低，给输变电系统的安全带来隐患。目前，关于钢筋混凝土的腐蚀已引起了管理部门的重视，研究人员也开展了一系列的研究，提出了许多相应的防护措施。但在输变电系统特殊服役环境中针对钢筋混凝土结构的劣化及防护措施的研究还有待进一步深入，以提升钢筋混凝土的服役能力。