龔嘴電站220kV線路鋼芯鋁絞線斷股原因淺析

馬建軍，孟憲寬

(國電大渡河流域水電開發有限公司檢修安裝分公司，四川樂山614900)

1 概述

2010年3月，四川大渡河龔嘴水電站上廠220kV線路龔永二線1E停電檢修，檢修人員發現G2212至G2262間鋼芯鋁絞線出現4股斷線情況，隨即組織人員對斷股鋼芯鋁絞線和T型夾進行了更換檢查。

龔嘴水力發電總廠是隸屬于國電大渡河公司的發電企業，位于四川省樂山市境內的大渡河下游，管理著龔嘴、銅街子兩座大型水電站，總裝機容量為1320MW。其中龔嘴水電站共有7臺機組，總裝機容量720MW，設計年發電量34.18億kW·h，于1966年3月開工建設，1971年12月第一臺機組發電，1978年全部投產。銅街子水電站位于龔嘴水電站下游33km處，是大渡河流域梯級開發規劃建設的最末一級電站，共有4臺機組，總裝機容量為600MW，設計年發電量32.1億kW·h，于1985年正式動工，1992年10月第一臺機組發電，1994年12月全部建成投產。從1971年12月首臺機組發電至2007年12月31日，龔電總廠已累計發電1391.3億kW·h，為四川省的國民經濟發展做出了重大貢獻。

2 龔永二線運行情況

2.1 龔嘴電站上廠電氣主接線

龔嘴電站上廠共有4條220kV線路，電氣主接線為四角形接線(圖1)。角形接線就是將斷路器和隔離開關相互連接，且每一臺斷路器兩側都有隔離開關，由隔離開關之間送出線路。多角形接線所用設備少，投資省，運行的靈活性和可靠性較好。正常情況下為雙重連接，任何一臺斷路器檢修都不影響送電。由于沒有母線，在連接的任一部分出現故障時，對電網的運行影響都較小。其最主要的缺點是回路數受到限制。因為當環形接線中有一臺斷路器檢修時就要開環運行，此時，當其它回路發生故障就要造成兩個回路停電，從而擴大了故障停電范圍，且開環運行的時間愈長，這一缺點就愈大;環中的斷路器數量越多，開環檢修的機會就越大。故一般只采用四角(邊)形接線和五角形接線。

圖1 龔嘴電站上廠開關站電氣主接線示意圖

該故障點位于G2212至G2262間的一鋼鋅鋁絞線與T型夾壓接處(圖2)。

2.2 實際載流情況

龔嘴電站上廠線路除檢修期外均為閉環運行，四角形載流母線采用鋼芯鋁絞線，線路實際最大負荷電流為220A左右，平均負荷電流為150A左右。

圖2 1E線路電氣主接線示意圖

3 鋼芯鋁絞線斷股原因分析

3.1 鋼芯鋁絞線

220kV線路龔永二線所采用的鋼芯鋁絞線規格見表1。

表1 220kV線路龔永二線鋼芯鋁絞線規格表

由表1可見，載流量滿足要求。

該鋼芯鋁絞線共分3層(由外向內):第一層為24根鋁線，第二層為18根鋁線，第三層為12根鋁線，中間為19根鋼芯線。

從外觀上看，第一層鋁線表面由外向內為:一層較厚的附著物——氧化層(黑膜)，鋁線表面有凹坑(圖3)，將鋁線表面打磨后凹坑更明顯(圖4)。

圖3 打磨前

圖4 打磨后

從第二層鋁線到中間的鋼芯線附著物明顯減少，但表面仍有不同程度的氧化現象。

T型線夾左側(靠大壩側)斷股4根，T型線夾右側(載流側)斷股3根(圖5)。

3.2 電腐蝕

電化學腐蝕是指不純的金屬或合金與電解質溶液接觸發生原電池反應而引起的腐蝕。其中較活潑的金屬失去電子而被氧化。能夠發生電化學腐蝕的必須是不純的金屬或合金，同時要存在電解質溶液，電化學腐蝕過程中有電流生成。金屬的腐蝕往往同時發生化學腐蝕和電化學腐蝕，但以電化學腐蝕為主。

圖5 斷股鋼芯鋁絞線

(1)導線和架空地線的腐蝕分析。

導線和架空地線大量使用鋼芯鋁絞線或鋼絞線，而腐蝕破壞是鋼芯鋁絞線的主要破壞形式之一。導線的腐蝕是一個嚴重的問題，最易引起腐蝕的是鋼芯。就導線架設的地區而言，沿海工業區、工業區、沿海地區和農村地區依次排列，腐蝕逐步減輕。在沿海工業區，鋼絞線只需數年就嚴重腐蝕，鋼芯鋁絞線的鋼芯也會引起嚴重腐蝕。采用鍍鋁鋅合金的鋼絲，壽命可延長1倍左右。然而，它仍不能與稀土電工鋁導體相提并論，稀土電工鋁的壽命至少可延長3～4倍以上。

鋼芯鋁絞線在大氣中受水分、化學氣體和鹽類物質等作用會發生腐蝕，腐蝕程度與導線的材質成分和制造工藝有密切關系。導線的腐蝕形態有化學腐蝕和電化學腐蝕，并以電化學腐蝕為主，而且主要是外層腐蝕。當空氣濕度較大時，導線表面的水分會凝聚成水膜，大氣中的O2、CO2及其它氣體如H2S、NH2、SO2、NO2、Cl2、HCl等和鹽類物質溶解于水膜中，形成電解液薄層。電解液薄層與金屬氧化膜發生反應而產生孔蝕。在導線內部，鋁股與鍍鋅鋼芯接觸層由于金屬電極電位的差異，也會產生接觸腐蝕。鋁股受腐蝕后表面會產生白色粉末并布滿麻點，鋁股與鋼芯接觸層也會產生白色粉末狀物，同時導線明顯變脆，抗拉強度明顯降低，嚴重時會造成斷股、斷線，從而大大縮短了導線的使用壽命。

鋼芯鋁絞線的耐蝕性通常在鋼芯線與鋁絞之間涂上由有機材料制成的防腐蝕油脂，阻擋雨露及腐蝕性氣體對鋼線的腐蝕，以延長鋼線的壽命，使之能與鋁線壽命相匹配，但防腐蝕油脂增加了導線的重量，長期使用會因其老化而失效。

(2)鋁絞導線間的縫隙腐蝕。

纏繞的鋁導線之間存在大量縫隙，滯留其中的強腐蝕介質引起縫隙內的金屬腐蝕。由于鋁合金對縫隙腐蝕較敏感，因此，強腐蝕對鋁材造成了極大的破壞，加之橫向風力下的振蕩張力造成斷股。

3.3 引起電腐蝕現象的原因分析

歷年氣候變化情況:經查閱電站氣候資料，龔嘴電站年降雨量均在1400mm左右，無明顯變化，但電站年均濕度均在70%左右，年均濕度較大，鋼芯鋁絞線表面易形成電化學腐蝕條件。

電站周邊環境:龔嘴電站周邊山區礦產資源豐富，盛產鉀長石，鉀長石的成分為:硅(SiO2)64.91%、鋁(A12O3)18.22%、鐵(Fe2O3)0.25%、鉀(K2O)9.6%、鈉(Na2O)3.5%，礦區開采采用人工和爆破，產生大量粉塵，對電站環境污染加大，線路工作環境逐年惡化。為了提高戶外絕緣子防污閃能力，龔嘴電站從2000年起已經將220 kV線路絕緣子進行更換。可見，環境的污染也是鋼芯鋁絞線表面形成電化學腐蝕的重要原因。

污穢等級逐年變化情況:龔嘴電站從2003年起開始對開關站污穢程度進行測量。通過查閱龔嘴電站上廠開關站等值鹽密測量數據，2003年到2005年，污穢等級均為0級;2006年開始污穢等級上升到I級，且開關站戶外設備表面污穢物取樣測試單位面積含鹽分量呈逐年上升趨勢，可見環境污染對戶外設備的腐蝕正在惡化。

環境溫度變化情況:經查閱電站水工水文觀測資料發現，龔嘴電站環境溫度從2001年起開始出現異常，主要是年平均溫差差異比較大(最大溫差31.7℃，最小溫差21.9℃)。

同時，從2001年起至今，環境溫度為逐年上升趨勢(2009年平均氣溫比1995年平均氣溫上升約1℃)。筆者認為:溫度變化對已投運使用近40年的鋼芯鋁絞線的加速老化是引起斷股的另一原因，氣溫變化趨勢如圖6所示。

3.4 接觸電阻

圖6 龔嘴電站年平均溫度變化趨勢圖

雖然鋼芯鋁絞線的載流量遠大于實際負荷流量，但如果電流流經T型線夾等壓接位置接觸電阻偏大會造成發熱、斷股。接觸電阻偏大的原因可能有:壓接工藝不規范、電腐蝕引起接觸電阻偏大、懸垂度不規范引起運行中受力過大使壓接處松動。

T型夾與鋼芯鋁絞線的壓接工藝標準:壓接前應清除導線表面和T型線管內部污垢，連接部位的鋁質接觸面應涂抹一層電力復合脂，用細鋼絲刷清除表面氧化膜，保留涂料進行壓接，壓口數、壓口深度及壓口位置應符合規范要求。

斷股鋼芯鋁絞線外觀檢查發現，T型線夾管端部松動(圖7)，T型線夾壓緊工藝采用的是老式爆破壓接，壓接質量在當時沒有進行檢測(接觸電阻測試)。

圖7 鋼芯鋁絞線與T型夾壓接端部松動情況

接觸電阻試驗。對斷股鋼芯鋁絞線各層與T型線夾間的接觸電阻進行測試，數據見表2。

表2 斷股鋼芯鋁絞線各層與T型線夾間接觸電阻測試數據表

試驗設備:KDC型接觸電阻測試儀(最大電流120A)。

試驗結果分析:接觸電阻由外向內逐漸增大，表明各層均有氧化膜，從而造成層間接觸不良;經高壓試驗人員對停電檢修的線路相同位置進行測試，T型線夾與鋼芯鋁絞線的壓接處接觸電阻數據為10μΩ左右(相關規程無標準，只能把10 μΩ作為相對的標準值)。以上試驗數據最大值是標準值的419倍，最小為標準值的82.6倍，各測點接觸電阻均嚴重超標，可以判斷實際運行中T型夾與鋼芯鋁絞線接觸部位發熱量較大，從而加速了鋼芯鋁絞線的氧化和電化學腐蝕。

3.5 載流母線懸垂度

根據軟母線架設規范要求，母線張弛度應符合要求，三相母線張弛度應一致。檢修中發現，該相斷股母線懸垂長度比A、B相小約10cm，緊度偏緊，遇外力作用時T型夾處受力加大，這是引起壓接處松動的重要原因。

檢修人員對C相載流母線懸垂度進行了調整，以保持三相一致(圖8)。

圖8 更換并調整懸垂度后的載流母線

4 結語

龔嘴電站220kV線路鋼芯鋁絞線因運行年限近40a，隨著電站周邊工業環境的變化，線路工作環境逐年惡化，電腐蝕情況嚴重。該鋼芯鋁絞線與T型夾接觸電阻嚴重超標，原因是架設線路時T型夾與鋼芯鋁絞線的壓接質量不好、母線懸垂度不符合要求。通過查閱歷年來龔嘴電站上廠開關站污穢等級測試數據，環境溫濕度數據得知:污穢程度加大和溫度上升及變化異常也是引發鋼芯鋁絞線腐蝕進而引發斷股的原因。

建議定期(最好是每2年)對線路T型線夾等壓接處進行接觸電阻測試;引進高靈敏度測溫設備，對線路各T型線夾處運行的實際溫度進行定期測試，及時發現松動過熱情況。因龔嘴電站鋼芯鋁絞線已經投運40a左右，且均未更換，電站應制定檢修計劃，逐年對鋼芯鋁絞線進行更換。