架空輸電導線的腐蝕與防護

陳保安,徐中凱,鄭 薇,陳 新,陳 云,祝志祥

(1. 全球能源互聯網研究院有限公司 先進輸電技術國家重點實驗室，北京 102209； 2. 全球能源互聯網研究院有限公司 電工新材料研究所,北京 102209； 3. 國網遼寧省電力有限公司營口供電公司，營口 115000)

目前國內外架空輸電導線主要以鋼芯鋁絞線為主，擔負著從電源向電力負荷中心傳遞電能的作用，在輸電線路中占有極其重要的位置。隨著我國經濟的快速發展以及工業化進程的加速，架空輸電導線的服役環境日趨復雜且惡化[1-2]，如：在風、冰凍以及其他惡劣環境因素影響下架空輸電導線會擺晃，產生微動磨損和微動疲勞[3-5]；受大氣中水分、化學氣體、塵埃和鹽類物質等侵蝕性介質的作用，架空輸電導線發生腐蝕，明顯變脆，抗拉強度大幅降低[1]。因此，由腐蝕造成的架空輸電導線事故時有發生[6-10]。

架空輸電導線的腐蝕對電網的長期、安全、穩定運行提出了嚴峻的挑戰。國內外普遍認為線路自身的腐蝕是導致其斷股的主要原因。美國電力科學研究院(EPRI) 、加拿大電力技術研究機構(Power ech Lab)等已把輸電網的腐蝕評估、控制與防護等腐蝕管理問題列為輸電網管理的重要研究課題，我國也正在對輸電線路的腐蝕評估和防護等問題不斷開展研究[11]。本工作結合當前研究熱點，對架空輸電導線腐蝕與防護研究現狀進行了介紹。

1 架空輸電導線的腐蝕行為

國內外眾多學者及研究機構對架空輸電導線的腐蝕行為進行了全面、系統的研究。

1987年，LYON等[12]利用周期性間歇式的鹽霧加速腐蝕試驗發現，Cl-和SO42-是影響鋼芯鋁絞線腐蝕速率的最大因素。于萍等[13]利用全浸腐蝕試驗和電化學試驗等對比研究了正常鋼芯鋁絞線與表面長有不均勻黑斑鋼芯鋁絞線的腐蝕特性，發現前者呈“晶間腐蝕”，后者呈“孔蝕(點蝕)”。張建堃等[14-15]通過分析干/濕NaCl鹽霧環境中鋼芯鋁絞線的腐蝕層結構，發現腐蝕前期(≤168 h)外層鋁線的腐蝕速率大于內層鋁線的，腐蝕后期則內層鋁線的腐蝕速率較大。宗慶彬[11]研究了鋼芯鋁絞線的電化學腐蝕行為，指出：隨腐蝕氣氛含量的增加，鋼芯鋁絞線的腐蝕速率增大；應力環境中，隨應力增大，腐蝕速率增大。安寧[2]對大氣環境中鋼芯鋁絞線的腐蝕行為進行了研究，并指出：服役條件下鋼芯鋁絞線在工業大氣環境中的腐蝕是多種因素共同作用的結果。夏開全等[16]對在役鋼芯鋁絞線各組成部分在典型氣候下的腐蝕情況進行了宏觀和微觀研究，并結合其運行環境分析了腐蝕原因，結果表明：外層鋁絞線腐蝕較為嚴重，局部已出現腐蝕坑，鋼芯基體未發生明顯腐蝕；腐蝕產物可以降低鋁絞線的腐蝕速率，但對鋼芯的腐蝕速率有提高作用。陳云翔等[17]對福建省某海島上失效35 kV鋼芯鋁絞線進行表面和斷口形貌觀察和成分分析，發現：海洋大氣、CO2和塵埃等腐蝕介質導致內層鋁股線嚴重腐蝕，大量腐蝕產物黏附在基體上，基體表面有以腐蝕區域為核心的發散裂紋，在腐蝕、振動和線張力的作用下，疲勞裂紋擴展帶呈現半橢圓輪廓線，裂紋擴展最終導致材料斷裂。YADAV等[18]等研究了鍍鋅過程中形成的鐵鋅合金層對鍍鋅鋼腐蝕行為的影響，結果表明：與鍍鋅鋼相比，合金層具有相似的陰極極化行為，但陽極極化行為不同；在干濕循環條件下，合金層的腐蝕速率比鍍鋅鋼的低。KREISLOVA等[19]評價了某鍍鋅鋼芯鋁絞線在大氣中服役40 a后的腐蝕狀況，并對其壽命進行了估計。SERI等[20]通過極化曲線和極化阻抗系統地研究了腐蝕環境對輸電線鋁股線腐蝕行為的影響。 ISOZAKI等[21]在海鹽環境和酸性環境中對各種涂層鋁線的耐腐蝕性能進行了研究，確定了提高耐腐蝕性能的可能性。

目前，在沿海、重工業污染等地區的強腐蝕環境中，架空輸電導線使用的鋼芯鋁絞線一般4～8 a后發生明顯銹蝕[22]，對輸電線路運行造成安全隱患，需要及時更換導線。因此，如何提高架空輸電導線的耐腐蝕性能，延長鋼芯鋁絞線的使用壽命，滿足架空輸電導線在腐蝕地區的服役要求，受到了線纜制造企業和電力運行部門的廣泛關注。

2 架空輸電導線的防護措施

針對架空輸電導線的防腐蝕措施主要有涂覆防腐蝕油脂、合金鍍層、鋁包鋼、采用新材料與新工藝、采用新型導線結構設計等。

2.1 涂覆防腐蝕油脂

架空輸電導線最早采用的防腐蝕措施是涂覆防腐蝕油脂(防腐脂)，在美國、日本以及歐洲等發達國家，防腐脂產品的研究起步較早。早在1927年美國第一次將凡士林涂覆在導線接頭上，之后歐洲一些國家及日本使用瀝青混合物、羊毛脂混合物、潤滑脂混合物、特制金屬皂基潤滑脂混合物等做為防腐蝕材料[11]。自20世紀60年代起，伴隨工業發展，涂油絞線的使用量逐漸增多，在歐洲、北美及南美的重工業區及沿海地區，新建線路基本上全部采用涂油絞線。防腐脂有效阻止了腐蝕介質滲入絞線內部，在鋁線和鋼線之間形成物理隔絕，研究表明涂覆防腐脂可使鋼芯鋁絞線的壽命延長10 a[23]。目前，按防腐脂涂覆方式可將涂油絞線分為輕、中和重防腐蝕絞線[24]。涂防腐脂鋼芯鋁絞線的截面形貌如圖1所示[22]。在GB/T 36292-2018標準[25]頒布前，我國沒有架空輸電導線用防腐脂標準，所以防腐脂質量良莠不齊，大部分油脂具有極易滴落、抗水淋性能差、油脂固化等缺點,不符合架空輸電導線的服役條件。GB/T 36292-2018標準對架空輸電導線用防腐脂進行了規范，推動我國防腐脂質量提升，并進一步推動防腐蝕導線的應用。

(a) 實物圖 (b) 示意圖 圖1 涂有防腐脂導線的截面形貌Fig. 1 Cross-section morphology of overhead conductor with anti-corrosive greases: (a) image; (b) schematic

2.2 合金鍍層

由于防腐蝕油脂會増加導線所受重力，長期使用會使導線老化失效，因此人們開始采用在鋼芯表面直接鍍鋅的方式防止導線腐蝕。鋼芯表面鍍鋅層的腐蝕程度是判斷整個鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據，當鍍鋅層因腐蝕失去對鋼芯的保護作用時，鋁導線的腐蝕將加速[26]。為了經濟有效地提高鋼芯鋁絞線的耐蝕性，延長產品的使用壽命，將鋼芯表面的鍍層由傳統的純鋅鍍層改為合金鍍層,這是鋼芯鋁絞線防腐蝕技術的主要發展趨勢之一。近30年來國內外已進行了大量相關研究。現已投入商用的合金鍍層主要有Zn-5% Al-RE(Galfan)、Zn-55% Al-1.6Si(Galvalmume)和Zn-10% Al-RE合金鍍層。在工業污染和海洋環境中，Galfan合金鍍層的耐蝕性為純鋅鍍層的2～3倍，在日本Galfan合金鍍層已基本成為鍍鋅鋼絲的升級換代產品，歐美發達國家也已大量應用[22]。Galvalmume合金鍍層的附著性較好，腐蝕產物多為非晶型，在晶間填滿非晶鋁合金化合物和非晶態合金混合物，因此其耐蝕性明顯提高[26-28]。Zn-10% Al-RE合金鍍層是近年來由日本開發的新一代高耐蝕鍍層材料，其耐蝕性為純鋅鍍層的5～10倍，但其制備工藝復雜，設備要求高，國內僅少數企業具備該產品的生產能力[29-31]。隨著國家對環境保護及節能減排要求的提高，鋅及鋅合金熱浸鍍層的生產和使用將受到嚴格控制，其規模化應用必將受到極大的限制和影響。

2.3 鋁包鋼芯

鋁包鋼芯是一種高效的復合材料，通過在高溫、高壓條件下連續擠壓電工鋁將其包覆在高強度鋼絲表面，使鋁鋼間形成約8 μm厚的鋁鋼結合滲透層，包覆鋁層的鋼絲再經雙金屬同步變形機多次拉拔，鋼鋁間形成良好的冶金結合[32-33]。為提高鋼芯鋁絞線在沿海地區的使用壽命，1956年日本日立公司率先開發出鋁包鋼芯鋁絞線。不同于普通的鋼芯鋁絞線，鋁包鋼芯鋁絞線所有單線接觸部位均為鋁材，避免了異種金屬接觸造成的電化學腐蝕，有效減緩了架空輸電導線的腐蝕速率[34]。研究發現，與普通鋼芯鋁絞線相比，鋁包鋼芯鋁絞線的壽命可提升1倍以上[22]。鋁包鋼芯鋁絞線除了具有良好的耐腐蝕性能，與相同截面積的鋼芯鋁絞線相比，其單位長度質量減少2.26%，絞線直流電阻降低3%～3.7%，能夠有效降低導線弧垂和桿塔負荷，同時降低線路損耗并提升載流量[35]。目前，鋁包鋼芯鋁絞線系列產品已在國內外輸電線路中得到了廣泛應用，其結構如圖2所示[36]。

圖2 鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金絞線結構圖Fig. 2 Structural diagram of thermal-resistant aluminium alloy conductor aluminum-clad invar steel reinforced

2.4 新材料與新工藝

隨著材料科學的不斷進步，人們開始嘗試用有機復合材料來替代金屬材料充當導線芯材。碳纖維復合材料芯架空導線是一類新型電力架空線路用導線，最早由美國復合技術公司于2003年開發并命名，其典型結構如圖3所示，采用直徑5.0～11.0 mm的玻璃纖維包覆碳纖維結構的復合材料芯棒作為承力芯，導線外層與次外層均為梯形鋁型線絞合，以提高緊密系數和通流面積[37]。自2006年起，我國相關研究機構及生產廠家也開展了碳纖維復合材料芯導線的研究與工程應用，并實現了碳纖維復合材料芯的產業化推廣。雖然碳纖維復合材料芯導線的各種性能都比較好，但價格高、施工工藝復雜，長期老化性能還需進一步驗證。

圖3 碳纖維復合材料芯架空導線結構Fig. 3 Structure of overhead conductor carbon fiber composite core reinforced

除了對導線芯材進行研究外，國內外學者還對導體材料的耐腐蝕性能開展了大量研究，發展了電工鋁導體的稀土優化處理技術，制造出了具有較好防腐蝕性能的稀土鋁絞線及鋼芯稀土鋁絞線，將鋼絲壽命延長了3～4倍[11]。李紅英等[38]開發了一種高導耐熱耐蝕的鋁合金導線及其制備工藝，該導線兼顧了導電性、耐熱性及強度，同時具有優良的耐腐蝕性能，可用于沿海地區高鹽濕熱環境以及工業地區酸霧環境中的輸電線路。徐笑梅[39]利用噴丸工藝改善了鋼芯鋁絞線表面的缺陷，并結合低溫加熱預氧化處理進一步消除了材料中的殘余應力，促進了鋁表面氧化膜的重建，提高了鋼芯鋁絞線的耐蝕性。雖然導體材料的耐腐性得到了提升，但是由于生產設備、制備工藝以及生產成本等因素限制，相關技術尚未進行大面積推廣應用。

2.5 導線結構設計

圓形結構導線的結構層之間和單線之間均存在縫隙，容易發生腐蝕。型線結構導線的結構層和單線更加緊密，減少了縫隙，可有效降低腐蝕的發生。型線同心絞線的單線可以是S、Z、T的形狀，以S、Z型單線絞成的導線最為緊密，結構層間和單線縫隙形成迷宮狀，由于水具有表面張力，因此絞制緊密的導線很難讓水分滲入，也就減少了產生電化學腐蝕的可能[40]。

超耐腐蝕性導線，在歐洲又稱為零腐蝕導線，其采用鋁包鋼絞線作為承力件，外層絞有品質優良的電工鋁或經過稀土優化處理的導體材料，拉制成S、Z型絞線，除最外層的鋁表面，層間和股線間有油脂(滴點超過180 ℃)，能阻擋有害氣體進入導線內層，及雨水、霧等水分的侵入，大大提高了導線的耐腐蝕性能。該導線具有優異的自阻尼性能，良好的抗臺風、抗振動特性，這有利于延長導線的使用壽命，使線路更安全，其結構如圖4所示[40]。

圖4 超耐腐蝕性導線結構圖Fig. 4 Structural diagram of super corrosion resistant conductor

3 結論

架空輸電導線的腐蝕對電力安全輸送造成了較大的潛在威脅，經濟有效的防腐蝕措施是電網長期安全運行的保障。因此，需要對架空輸電導線的防腐蝕材料及其制備工藝開展系統深入的研究，開發出低成本、高性能的防腐蝕油脂和耐腐蝕的導體材料產品，獲得先進的合金鍍層及鋁包鋼制備技術，進一步完善防腐蝕導線標準體系，規范產品的生產和質量，從而滿足架空輸電導線在我國惡劣服役環境中安全可靠運行的要求。