超耐腐蝕型導線及其在平潭島輸電線路上的應用

黃豪士， 江建華， 陸國欽， 喻國寶， 施海峰

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100;3.福州電力設計院有限公司，福建福州350009)

0 引言

我國位于亞洲東部，南起南海的曾海暗沙，北至黑龍江漠河，大陸海岸線長18000余km，跨熱帶、亞熱帶和溫帶，還有無數的島嶼。隨著我國經濟的高速發展，沿海及海島地區架設了很多的輸電線路，然而在帶有腐蝕性鹽霧氣氛和濕熱的氣象條件下，輸電線路用導線極易被腐蝕而損壞，使線路的安全運行受到嚴重威脅。

以福建省平潭島的輸電線路為例，建于1995年的110 kV高山—北厝輸電線路，經6年運行后，導線表面發黑，內部嚴重腐蝕，見圖1。

從圖1可見，a導線表面嚴重發黑并斷股;b導線因腐蝕內部已斷股。平潭島位于福建東部，是我國的第五大島，受地理及氣候條件的影響，架空輸電線路長期受鹽霧侵蝕，特別是導、地線受鹽霧的腐蝕極為嚴重。鋼芯鋁絞線在該地區的運行壽命不足6年，普通的防腐型導線在該地區應用效果也不理想，故該地區導、地線因腐蝕造成斷股斷線的情況時有發生。據了解，國內其他高鹽霧地區如浙江、廣東等省的海島上，輸電線路導、地線都面臨與此相似的問題。而桿塔及基礎的使用壽命約為30年，因此該地區導線是線路壽命中的“短板”。

1 導線的腐蝕形式及其解決方法

輸電線路用導線的主要失效形式為:導線腐蝕后壽命縮短進而失效;導線因振動或舞動引起的失效;因導線腐蝕嚴重，往往兼之出現振動或舞動而斷線。

圖1 架設于平潭島輸電線路上使用6年時的導線的腐蝕情況狀態圖

1.1 導線的腐蝕形式

架空線路導線，從架設之日起，便暴露于所架設的環境中，線路周圍的腐蝕氣體、濕度和溫度的狀態都將影響導線的腐蝕程度和壽命。導線的腐蝕可歸納為化學腐蝕、電化學腐蝕和縫隙腐蝕。在大多數情況下這三種腐蝕會同時存在。

(1)化學腐蝕。指金屬在大氣中與氧、氯、二氧化硫等氣體作用下發生的腐蝕。金屬表面與氧發生作用后，生成不同的金屬氧化物。鋁的氧化物能構成致密的有一定硬度的表面保護膜。鐵的氧化物結構疏松，易脫落，并繼續不斷地向金屬內部滲入、擴散，使材料破壞。大氣中的其他有害氣體或離子，如氯離子、碳酸根離子、游離堿或硫酸等，容易與金屬或其他氧化物發生化學反應，使金屬加速腐蝕。

(2)電化學腐蝕。指由金屬和介質組成原電池后，形成了金屬的腐蝕過程。當兩種不同電極電位的金屬相接觸，其間又有水或其它電介質時，兩種金屬之間就會產生電流，形成一個原電池，其中一種金屬處于正電位，另一種金屬處于負電位。處于負電位的金屬就不斷以離子狀態經電解液向處于正極的金屬聚集，使處于負電位的金屬逐漸損失破壞，形成電化學腐蝕。兩種金屬的電極電位差越大，電化學的腐蝕就越強烈，溫度越高，濕度越大，金屬的腐蝕一般也越嚴重。

(3)縫隙腐蝕。指導線由于存在著間隙，大氣中存在的腐蝕性氣氛和雨水等的電介質通過縫隙滲入導線內部引起的腐蝕，其本質上仍屬于化學腐蝕、電化學腐蝕的范疇。表1列出最常用金屬的電極電位。

表1 常用金屬的電極電位

電極電位負值越大的金屬，轉入電解中成為離子的趨勢越強，即越容易受到腐蝕。鋁的電極電位的負值雖較大，但由于其表面經常有一層氧化膜保護層，能改善其耐腐蝕性能。

架設于空中的輸電線路用導線，特別是架設在沿海、海島、工業地區的導線，長期經受大氣、風雨和鹽霧的侵蝕，很容易受到腐蝕，這是由于大氣中的氯離子半徑很小，能自由地穿透金屬表面的水膜和鈍化膜(金屬氧化膜，結構緊密，覆蓋在金屬表面)，排擠氧離子并取而代之，成為可溶性氯化物，使金屬加速腐蝕。大氣中的SO2、H2S、NH3和NO2以及其他懸浮粒子和灰塵也都能促進金屬的腐蝕。腐蝕后使金屬表面產生缺陷，導致應力集中，應力又會促進腐蝕，腐蝕又加速了表面缺陷的擴展，使抗疲勞能力下降，從而大大降低了導線的壽命。

1.2 導線抵抗腐蝕的解決方法

為了防止導線的腐蝕，可以采取如下方法:

(1)改善承力件鋼絞線的表面質量，即采用鍍鋅、鍍鋁或鍍帶有稀土成分的鋁鋅合金，最為優良的是鋁包鋼線。鋁包鋼線的外表面是一層鋁，它和導體材料鋁具有相同的電極電位，因而在導線內部不會產生電化學腐蝕，減輕了導線腐蝕的可能。

提高鋁導體的化學品位或采用品位較低，鋁中硅含量較高，當高過0.08%時，可采用稀土優化處理的技術，提高導體材料的抗腐蝕性能。

在導線絞制時，在股線之間涂防腐油脂，它可以分為輕防腐、中防腐和重防腐三種。輕防腐是指油脂涂于鋼芯與鋁層間，重點是保護鋼芯;中防腐則除了導線最外層表面外，各層之間都應涂有油脂，它既保護鋼芯又保護除外層以外的各層鋁導體;重防腐是指在導線的各層都應涂油脂包括最外層表面，對導線作全面保護。油脂的質量十分重要，其滴點應大于110℃(隨導線的允許使用溫度提高，甚至達到150℃，油脂的滴點溫度就應大于180℃)，而且長期使用不應出現“砂化”現象。此外，還可以在鋼絞線上擠上一層樹脂作保護，再繞上鋁導體，但它明顯增加了導線的重量，樹脂老化后對鋼芯的保護將逐步減弱，以致最終失效。

(2)改善導線結構。導線絕大部分都采用圓線同心絞的結構，這種結構層間和單線間均存在著縫隙，使電化學腐蝕、縫隙腐蝕的可能性提高。以型線同心絞加以替換，便大大減少了導線層間和單線的縫隙，降低了腐蝕的可能性。型線同心絞的型線可以是S、Z、T的形狀，以S、Z型線絞成的導線最為緊密，層間和單線縫隙形成迷宮狀，由于水固有的表面張力，絞制緊密的導線很難讓水分滲入，也就減少了電化學腐蝕產生的可能。

如上所述，一個新型結構的導線具有極良好的耐腐蝕性能，用鋁包鋼絞線作為承力件，外層絞有優良品位的電工鋁或經過稀土優化處理的導體材料，拉制成S、Z型線絞線，除最外層的鋁表面外，層間和股線間涂有滴點高過180℃的油脂。這種導線能阻擋有害氣體進入導線內層，更阻擋了雨水、霧等水分的侵入，大大提高了導線的抗腐蝕能力，它在歐洲被稱為零腐蝕導線。這種導線還具有極為良好的自阻尼性能，有良好的抗臺風、抗振動特性，延長了導線使用壽命，使線路更為安全。圖2為典型的超耐腐蝕性導線的截面圖。

圖2 超耐腐蝕性導線截面

2 平潭島采用的超耐腐蝕導線的輸電線路

2.1 工程概況

平潭前進—北厝線路為110 kV架空輸電線路工程，起點為平潭縣110 kV前進變，終點為北厝變，路徑總長為5.2 km，沿線主地形為山地和丘陵;主要設計氣象條件:最大風速40 m/s(離地15 m高處)，最高氣溫40℃，最低氣溫－5℃，無覆冰，沿線污穢等級為e級。本工程為2009年國家電網公司“兩型三新”線路建設試點項目。本試點項目的主要內容是應用耐腐蝕等綜合性能較好的新型導線及其配套金具，延長本地區導線壽命，改善性能較差這一“短板”。

2.2 導線選型

腐蝕是本地區導線失效最重要的原因。當大量的鹽霧或海鹽粒子在鋁導線之間的夾塞中濃縮形成強腐蝕性介質的情況下，鋁導線和鋼芯之間構成腐蝕原電池，鋁金屬導線成了犧牲的陽極而被腐蝕，所以內層鋁導線大片剝落。越遠離鋼芯，腐蝕程度呈減弱之勢。

國內其他沿海(海島)高鹽霧地區的輸電線路導線防腐，如廣東南澳島的主要措施有，采用鋼芯銅絞線和絕緣鋼芯鋁絞線。前者價格很貴且鋼芯仍嚴重腐蝕，后者是在鋼芯鋁絞線外加厚度大于3 mm的塑料護套，有一定延長壽命的效果，但外徑增大導致桿塔受力增加和散熱性能差載流量受限制，且價格較高。

有的觀點認為，鋼芯鋁絞線的鋼鋁間有電化學腐蝕要填充油脂，而同種金屬相接觸無電位差不需填充油脂，事實證明該觀點是片面的。即使是同種材料，由于“縫隙腐蝕”仍存在，需要填充適用的防腐油脂。對圓線同心絞的標準絞線，因空隙太大，防腐油脂也會在較短時間里“丟失”，如在ACSR外加裝護套，有把油脂“關”起來之意，但導線變得散熱性較差，影響其性能。

經過對國內多種新型導線的綜合比較，最終本工程選用江蘇通光強能輸電線科技有限公司生產的型號為AF(SZ)g+AS20－250+40型鋁包鋼芯型鋁絞線。該導線的承力部分采用鋁包鋼線，導線的導體采用經處理的優質鋁制成，這種導線的承力部分因為是相同的材質，不存在電極電位的差異，所以不會形成原電池，不會發生電化學腐蝕;導體為兩層結構，單線的形狀分別為S形和Z形，緊密的結構，極小的隙縫，大大降低了縫隙腐蝕的可能性;在導體與承力元件間和層間的縫隙，填滿了防腐油膏，這種可能引起化學腐蝕的因素也被消除。導線除了外層導體的表面仍然裸露之外，已經幾乎不會產生可以發生腐蝕的根源。這是一種超耐腐蝕的導線，它將大大延長使用壽命。

由于結構上的原因，導線各單線間的接觸面積明顯比普通導線大得多，它有良好的自阻尼特性，特別適合于海島或沿海等地方架設運行。導線的導體采用經處理的優質鋁制成，具有優良的導電性能，與相同的導線相比約減少損耗3%，是節能的。

導線的計算拉斷力78500 N，安全系數取2.5(新線系數取0.95)，最大設計應力為102.86 MPa，平均運行應力64.28 MPa。其機械特性和LGJX-240/30型導線相似，不需要單獨設計鐵塔。導線的特性參數見表2，圖3是其外觀圖。

2.3 金具

本線路使用的金具，包括耐張線夾、中間接續管和懸垂線夾，其中耐張線夾和接續管需選用與導線配合的超耐腐蝕導線專用金具型號。該系列金具采用特殊結構，經過特殊加工工藝處理后能保證金具本身的防腐，提供金具與導線間良好密封，能更好地防止導線與金具之間的縫隙腐蝕，保證了導線與金具連接的可靠性，從而保證金具的使用壽命。懸垂線夾選用預絞絲式，其主要特點為導線懸垂線夾掛點上應力分布均勻，無應力集點，同時具有較好的動態應力承受能力，且其結構簡單、耐振可靠、安裝容易，綜合性能較傳統的懸垂線夾有較大的提高。

表2 導線特性參數表

圖3 超耐腐蝕導線外觀圖

2.4 施工及運行情況

本工程于2009年開始施工建設，2009年12月進行導、地線架設及附件安裝，導線采用張力放線施工，其架線施工方法、工藝和普通鋼芯鋁線基本相同，施工過程沒有出現因導線結構和材料原因產生的返工和浪費情況。本工程折合單根約16 km長的超耐腐蝕型導線于2009年底一次架線成功，并于2010年元月投產送電。線路投運將近一年來，導線的防腐、防振性能良好，線路的輸電損耗較普通導線線路的損耗有一定降低，是一種節能型導線。新型導線的綜合性能較傳統導線有較大的提高。

2.5 技術經濟分析

以30年為標準周期進行比較:在平潭地區普通LGJX-240/30型導線的平均更換周期為6年，30年內需更換5次以上，每次更換費用按16萬元/km，線路長度按5.2 km計算，每次更換導線總費用為83.2萬元，由此可算得在30年線路壽命周期內，普通導線總更換費用為416萬元(靜態投資)。采用AF(SZ)g+AS20－250+40型超耐腐蝕導線，在平潭高鹽霧地區的設計使用壽命為30年。超耐腐蝕型導線及其配套金具的一次性投資比普通導線增加3.06萬元/公里，線路長度按5.2 km計算，需增加投資15.9萬元。

在線路項目全壽命周期內，本工程采用超耐腐蝕型導線可節省費用400多萬元，以30年計，平均每年節省13.3萬元。實現了對高鹽霧地區線路各構成部分壽命周期的協調，進一步優化該地區線路的壽命周期成本。同時考慮更換導線施工停電所帶來的對系統運行安全性和供電可靠性的影響，超耐腐蝕鋼芯型鋁導線具有較大的經濟和社會效益。

3 防腐油脂的性能與對鋁的保護試驗

對于超耐腐蝕導線，在其縫隙中填充合適的防腐油脂，因此油脂的質量十分重要。首先它是中性的，對鋁和鋼只起保護作用，而不會造成不必要的腐蝕;其次油脂本身應耐老化，不會引起“砂化”的現象，試驗結果不開裂。試驗結果匯總于表3中。

4 超耐腐蝕系列導線

4.1 超耐腐蝕導線的主要優點

(1)優良的抗腐蝕性能。因承力件采用鋁包鋼線，與導體材料鋁具有相同的電極電位，導線各元件不發生電化學腐蝕，導線的導體又采用SZ型線絞合，結構緊密，縫隙極小，兼之導線層間涂有油脂，導線內部不存在化學腐蝕和縫隙腐蝕，因此這種導線被譽為零腐蝕導線，壽命大大延長。

(2)抗風振能力強。由于SZ絞線結構緊密，直徑約小10%，因此風載較小，兼之單線間接觸面積較大，具有良好的自阻尼性能，抗臺風、振動和舞動能力強。

表3 防腐油脂的性能試驗

(3)節能。由于承力件為鋁包鋼線，有較好的導電性能，若導線的導體截面相同時，總的電阻已較小，若相同的外徑，則可減少25%以上的能耗，或輸送更多的電能。

所以在沿海或海島地區采用超耐腐蝕導線作為輸電線路的首選線種是最合適的，在福建省平潭島采用這種超耐腐蝕導線就收到了良好的效果。

4.2 超耐腐蝕系列導線的主要參數

超耐腐蝕系列導線的主要參數見表4。

5 結束語

(1)采用由鋁包鋼芯SZ型線絞制的導線，導線的內部及層間涂有油脂，結構緊密，迷宮式的縫隙極小，耐腐性較傳統導線有質的提高。

(2)導線的結構緊湊，直徑較小，自阻尼特性優良，有極強的抗振動能力，且較節能。

(3)導線所配合的金具沒有特殊的要求，架設施工也與常規導線相同，易實現。

(4)鑒于上述原因，超耐腐蝕型導線特別適合用于沿海、海島、有腐蝕氣氛的工礦區，使壽命大大延長，線路運行更安全，是未來重要的輸電線路用線種。

表4 超耐腐蝕系列導線的主要參數

［1］黃豪士.環境友好型輸電線路用導線之一——導線的特性［J］.電線電纜，2010(2):13-16.

［2］黃豪士.環境友好型輸電線路用導線之二——導線的應用［J］.電線電纜，2010(3):5-11.

［3］王春江.電線電纜手冊(第一冊)［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［4］Nexans Aero-Z R新型高壓架空電纜導線［Z］.耐克森公司技術資料.

［5］GB/T 20141—2006型線同心絞架空導線［S］.

［6］GB/T 1179—2008圓線同心絞架空導線［S］.