某輸電線路地線腐蝕情況分析及壽命評估

葉建鋒，鄧德發(fā)，張 明，沈祎儂，熊 宇

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2. 國網(wǎng)荊州供電公司，湖北 荊州434000；3. 湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

架空地線在輸電線路中起到防雷和電磁屏蔽的作用，由于其不承擔輸電功能，目前大部分架空地線都采用鍍鋅鋼絞線［1］。架空地線常見的失效方式有雷擊導致的斷線、金具腐蝕磨損導致的掉線、地線腐蝕導致的斷線以及地線材質(zhì)不合格等原因［2-7］，其中，地線因腐蝕而導致的失效較為普遍，國內(nèi)有大量研究導地線腐蝕行為和腐蝕原因的文獻［8-16］，也有不少關于地線腐蝕監(jiān)控和檢測的相關研究［17-18］。

本文對某輸電線路地線腐蝕情況進行分析，結(jié)合地線所處的腐蝕環(huán)境對地線的剩余壽命進行評估，同時提出了該地線后期的運維建議以及該腐蝕環(huán)境下新建輸電線路的地線選型建議。

1 概況

某110 kV 輸電線路投運于2009 年12 月，全長17.726 km，共66 基桿塔，全線導線型號均為LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，地線型號均為雙GJ-80鍍鋅鋼絞線，地線的生產(chǎn)廠家為A公司。

2019年10月，該地線的運維單位采用無人機對線路排查時發(fā)現(xiàn)［19］，該線路地線普遍存在腐蝕現(xiàn)象，且有多處地線存在斷股。

2 試驗與分析

根據(jù)設計文件，該地線的性能參數(shù)如表1所示，適用標準為《YB/T 5004—2001 鍍鋅鋼絞線》。

查閱該工程的原始資料，發(fā)現(xiàn)地線的抽檢報告為A 公司所在地的質(zhì)量監(jiān)督部門出具的報告，報告顯示該地線的尺寸、鋅層質(zhì)量、力學性能均合格。

表1 GJ-80地線性能參數(shù)Table 1 The parameter of GJ-80 ground wire

2.1 試驗計劃

該地線的運維單位截取了3 段地線，為分析目前該地線的腐蝕程度，計劃對這三段地線進行表2 所示的試驗。

表2 試驗計劃Table 2 Test plans

2.2 絞線直徑測量

使用游標卡尺對絞線直徑進行測量（每段地線取3 個截面進行測量，每個截面在相互垂直的兩個方向各測量1次，取最小值），結(jié)果如表3所示。

表3 絞線直徑測量結(jié)果Table 3 Measurement results of the diameter of stranded wire

從絞線直徑測量結(jié)果可見，絞線直徑的變化值未超過8%，滿足標準DL/T 1424—2015的要求。

2.3 單絲力學性能試驗及絞線力學性能計算

使用游標卡尺對絞線的單絲直徑進行測量，使用50 kN萬能試驗機對絞線的單絲進行拉力試驗（單絲直徑測量方式與絞線測量方式相同），并按照標準YB/T 5004—2001計算絞線的拉斷力，結(jié)果如表4～6所示。

當使用標準DL/T 1424—2015 的9.1.8 條判斷時，需要將目前地線的拉斷力與原始拉斷力進行對比，原始拉斷力參照抽檢報告，為104.70 kN，由此可以計算，該地線第一段的拉斷力為原始狀態(tài)的79.04%，因此，若根據(jù)標準DL/T 1424—2015 判斷，該地線不滿足要求，需更換。

當使用Q/GDW 1168—2013 的5.21.2.5 判斷時，需要將目前地線的拉斷力與額定拉斷力進行對比，額定拉斷力為90.23 kN，由此可以計算，該地線第一段的拉斷力為額定拉斷力的91.72%，因此，該地線滿足Q/GDW 1168—2013的5.21.2.5的要求。

表4 第一段絞線試驗結(jié)果Table 4 Results of first stranded wire

表5 第二段絞線試驗結(jié)果Table 5 Results of second stranded wire

當行標和企標的要求不一致的情況下，應執(zhí)行其中較為嚴格的標準，即執(zhí)行DL/T 1424—2015。

2.4 單絲鍍鋅層質(zhì)量

使用稱重法測量單絲鍍鋅層質(zhì)量，由于第二層和第一層鍍鋅層均已消失，因此僅測量中心層的一根單絲的鍍鋅層質(zhì)量，測量結(jié)果如表7所示，原始鍍鋅層質(zhì)量參照抽檢報告，為198 g/m2。

由此可見，該地線的中心層鍍鋅層質(zhì)量相比原始值下降70%以上。

3 地線所處腐蝕環(huán)境及剩余壽命評估

根據(jù)該輸電線路所處的經(jīng)緯度，查閱腐蝕地圖發(fā)現(xiàn)，該輸電線路處于C4 等級的腐蝕環(huán)境。根據(jù)標準《DL/T 1425—2015 變電站金屬材料腐蝕防護技術導則》，C4腐蝕環(huán)境下低碳鋼的腐蝕速率為50～80 μm/a，鋅的腐蝕速率為2.1～4.2 μm/a。

按照鋅在C4環(huán)境下的腐蝕速率［20-23］，該輸電線路地線最外層單絲鍍鋅層完全腐蝕所需的時間為6.6～13.2 a，而該輸電線路運行時間為10 a，因此，出現(xiàn)最外層單絲鍍鋅層完全腐蝕屬于正常情況。

表6 第三段絞線試驗結(jié)果Table 6 Results of third stranded wire

表7 單絲鍍鋅層質(zhì)量測量結(jié)果Table 7 Results of weight measurement of zinc coating

假設該地線在后續(xù)運行中，僅最外層單絲發(fā)生腐蝕（由于最外層單絲與空氣的接觸面較大，且面積均為單絲面積的一半，可以實現(xiàn)計算），計算過程為根據(jù)腐蝕速率計算每根最外層單絲經(jīng)過一定時間后的剩余截面積，從而計算整線的剩余拉斷力，則經(jīng)過計算（最外層單絲已經(jīng)失去鍍鋅層保護，故采用低碳鋼的腐蝕速率進行計算），第一段地線在運行2.7～4.5 a 后，第二段地線在運行5.0～8.0 a 后，第三段地線在運行3.9～6.2 a后，其拉斷將低于額定拉斷力的80%，即不滿足《Q/GDW 1168—2013 輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》的要求。

當使用標準DL/T 1424—2015 評估其剩余壽命時，經(jīng)計算，第二段地線在運行1.8～2.8 a 后，第三段地線在運行0.8～1.3 a 后，其拉斷將低于原始拉斷力的80%。

4 建議

4.1 該輸電線路的運維建議

該輸電線路的地線目前腐蝕嚴重，外層和第二層地線已失去鍍鋅層的保護，部分區(qū)段拉斷力已經(jīng)不滿足標準DL/T 1424—2015 的9.1.8 要求，同時，經(jīng)過估算，最快2.7 a 后，部分區(qū)段的拉斷力將不滿足《Q/GDW 1168—2013 輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》的要求，因此建議盡快對該線路的地線進行更換。

4.2 相同腐蝕環(huán)境區(qū)域的其他地線運維建議

建議對處于該區(qū)域的其他地線進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，收集其型號、運行年限，評估其鍍鋅層腐蝕狀況，并對經(jīng)評估后發(fā)現(xiàn)鍍鋅層可能已經(jīng)全部腐蝕的地線進行無人機巡檢。

4.3 相同腐蝕環(huán)境區(qū)域后續(xù)新建、擴建、改建工程的

地線選型建議

建議在后續(xù)該區(qū)域的新建、擴建、改建工程地線選型時，先評估地線的腐蝕速率，結(jié)合線路設計運行年限，選擇腐蝕壽命滿足要求的地線型號，若鍍鋅鋼絞線無法滿足要求，可選擇鋁包鋼絞線代替［24-30］，根據(jù)標準DL/T 1425—2015，在C4環(huán)境下，鋁的腐蝕速率為鋅的1/3，假設選用GB/T 1179—2017 中鋁層最薄的鋁包鋼絞線型號JLB14-30，其鋁層厚度約等于GJ-80（該地線的型號）鍍鋅層厚度的2倍，因此其使用壽命理論上可以達到GJ-80的6倍。