刘 洋,陈 杰,王凌志,周文俊,曹京荥,李陈莹

(1. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211103； 2. 国网泉州供电公司,泉州 362000; 3. 武汉大学 电气与自动化学院，武汉 430072)

电力电缆因可靠性高，不占地上空间等原因广泛应用于我国城市输配电网[1]。金属护套电缆的阻水性能好，可有效避免和减少XLPE(交联聚乙烯)材料产生水树。相对于铅护套电缆，波纹铝护套电缆价格便宜，质量轻，易于敷设，是应用最广泛的一类陆地用高压电缆。东部沿海地区使用电缆较早，近年来，多地出现了电缆外护套破损进而引发铝护套高压电缆的护套腐蚀案例[2-3]。对于敷设方式为直埋、管埋、沟埋等的高压电缆，外护套破损可能会导致多点接地。电缆线芯交变电流产生的磁场与铝护套交链形成的交变感应电动势直接作用于护套与大地之间，有可能会进一步导致电缆铝护套腐蚀[4]。

过去的研究主要针对铁磁材料构成的金属管道[5]，如城市地下水管[6]、输油[7]、输气管道等[8-9]，鲜见关于铝材交流腐蚀过程的研究报道。铝的化学性质活泼，且在交变感应电动势的激励下，在湿润土壤环境中易发生交流电化学反应。虽然已有关于平板铝材的腐蚀研究报道[10]，但其采用的电压激励为直流[11]，且环境与地下电缆的实际运行环境相差很大[12]。交流电流可以导致或加速金属材料的腐蚀[13-14]，因而有必要采用实际应用的电缆铝护套进行交流腐蚀研究。

为了得到电缆外护套破损后，铝护套腐蚀速率与流出铝护套表面交流电流之间的关系，探究铝护套的交流腐蚀过程，本工作在110 kV电缆外护套上开孔，将其浸泡于3.5% (质量分数，下同)NaCl溶液(模拟海水)中，模拟沿海城市电缆直接浸泡于海水中，且外护套破损的情况。改变铝护套表面流出交流电流的大小，得到不同电流作用下，铝护套的穿孔时间，并记录不同腐蚀时间条件下，铝护套的表面形貌，以期为电缆铝护套交流腐蚀评价提供参考。

1 交流电化学腐蚀条件和机理

金属在交流电流作用下会发生交流电化学腐蚀[15]，交流腐蚀是金属电场大小和方向均变化的条件下发生的电化学腐蚀[16]，这个外施电场比自然极化电场大得多。交流电化学腐蚀的必要条件如下[17-18]：

(a) 必须有两个电极；

(b) 两电极必须在同一电解质溶液中；

(c) 两电极之间存在交流电流。

由法拉第电解定律可知，金属腐蚀速率与流出金属表面电流成正比。故金属腐蚀速率可用阳极腐蚀电流密度表征。假设金属腐蚀过程遵循塔菲尔方程，则在金属未受到交流电作用时[19]：

(1)

式中：Jcorr为金属自腐蚀电流密度；J0,a为金属阳极腐蚀反应交换电流密度；Ecorr为自腐蚀电位；Ee,a为阳极腐蚀反应平衡电位；βa为阳极塔菲尔斜率。

当金属电位偏离自腐蚀电位ΔE时，阳极腐蚀电流密度为：

(2)

假设ΔE是幅值为V，角频率为ω的交流电，则金属阳极腐蚀电流密度为：

(3)

由式(2)可知：金属阳极腐蚀电流密度与金属偏离自腐蚀电位ΔE之间为非线性关系。Ja与Ecorr-Ee,a+ΔE之间为指数函数关系。在交流电正半周时，电位最高点为Ecorr-Ee,a+V，金属腐蚀速率增大；在交流电负半周时，电位最低点为Ecorr-Ee,a-V，金属腐蚀速率减小，甚至出现金属沉积现象。但在交流电正半周内金属的腐蚀速率增加量较负半轴内可能出现的金属沉淀量更大，最终引起金属的阳极腐蚀速率增大。

但是，有研究表明交流电对金属腐蚀加速的影响不止于此，交流电甚至会改变塔菲尔斜率[20-23]，即交流电可能会影响金属的腐蚀反应动力学过程。

通过测量腐蚀电位、塔菲尔斜率来判断电缆铝护套腐蚀速率相对复杂，为此本工作设计了一组试验，用铝护套腐蚀穿孔时间来表征金属的腐蚀速率。

2 试验

试验材料选用截面积为800 mm2的110 kV电缆铝护套，铝护套厚2.5 mm。将电缆裁成长200 mm小段，如图1所示在外护套上开一直径22 mm圆孔，试样暴露面积为380 mm2。采用酒精、无纺布将暴露面沥青清洗干净。电缆段一端用硅橡胶将非工作面铝护套密封；另一端开一小口，便于试验时连接导线，见图2。将制备好的电缆段置于干燥环境中备用。电解质为3.5% NaCl溶液，模拟沿海地区电缆浸没于海水中的极端情况。

图1 试验用电缆段Fig. 1 Test cable

图2 电缆段两端Fig. 2 Two ends of the cable

试验装置如图3所示，将电缆段与石墨板置于NaCl溶液中，分别与交流电源两极连接。电缆段中间圆孔完全浸没在电解液中，使交流电流从圆孔处流出，通过石墨板流回交流电源，试验装置实物图如图4所示。试验时，交流电源固定输出电流大小，开始计时。每隔一段时间断开电路停止计时，将电缆段取出观察圆孔处是否穿孔。当铝护套表面出现贯穿性孔洞，通过铝护套孔洞可以观察到内部黑色缓冲层时，认为铝护套已经腐蚀穿孔。未穿孔则将电缆段放回，继续通电并计时，重复上述操作，直至电缆段圆孔处出现穿孔，停止试验，记录穿孔时间。

图3 腐蚀试验装置Fig. 3 Corrosion test device

图4 试验装置实物图Fig. 4 Physical object of test equipment

3 结果与讨论

3.1 腐蚀速率

由图5和表1可见：随着流出圆孔处交流电流的增大，铝护套穿孔时间减小。对于2.5 mm厚皱纹铝护套，从φ22 mm圆孔处连续流出1 A交流电流，10 h后铝护套出现穿孔。增大交流电流，穿孔时间下降，当电流增大到5 A时，穿孔时间缩短为2 h；电流为10 A时，穿孔时间不足1 h。当铝护套表面没有电流流出时，将电缆连续浸泡于溶液中1个月，铝护套表面仍未发生改变，可以认为此条件下铝护套的腐蚀较缓慢，与铝护套表面流出电流时的情况相比，腐蚀几乎可以忽略。

表1 不同电流条件下的腐蚀试验结果Tab. 1 Corrosion test results under different current conditions

图5 铝护套腐蚀穿孔时间与表面流出电流的关系Fig. 5 Relationship between the corrosion perforation time of aluminum sheath and the current flowing out of the surface

根据法拉第电解定律：在电解过程中，阳极上金属腐蚀的量与所通过的电流强度和通电时间成正比，见式(4)。且文献[19]给出了当电流密度较大时，铝在交流电作用下腐蚀量与在直流作用下腐蚀量的比值趋近于常数。因此，在交流电流较大时，腐蚀速率与电流大小应成正比例关系。

M=KQ=KIt

(4)

式中：M为金属腐蚀质量；K为比例常数；Q为通过的电量；I为电流大小；t为通电时间。

因穿孔时间与腐蚀速率成反比关系，采用反比例函数对试验结果进行拟合，拟合结果如图5中曲线所示，拟合得到圆孔处穿孔时间与电流大小之间的关系见式(5)：

T=10.06/I

(5)

式中：T为圆孔处穿孔时间，h；I为交流电流，A。

将表1中腐蚀速率与电流密度进行线性拟合，因腐蚀环境为3.5% NaCl溶液，而铝表面有一层氧化铝，当铝表面没有电流流出时，腐蚀可以忽略，因此，选取过原点直线对数据进行拟合，拟合曲线如图6所示。

图6 腐蚀速率与电流密度的关系Fig. 6 The relationship between corrosion rate and current density

拟合直线函数为：

V=1.06×J

(6)

式中：V为腐蚀速率，mm/h；J为交流电流密度，A/cm2。

由上式可知，当电缆外护套破损后，铝护套表面每流出1 A/cm2电流密度，腐蚀速率增加1.06 mm/h。因实际土壤环境较为复杂，当土壤较为干燥时外护套破损点流出电流相对较小，腐蚀速率较小，一旦外护套破损点出现浸水现象，该处铝护套表面流出电流密度将大幅增大，甚至到“A/cm2”级别，此条件下铝护套将很快腐蚀穿孔，最终伤及电缆主绝缘，甚至导致电缆本体绝缘失效。

3.2 腐蚀形貌

由图7可见:铝护套腐蚀初期呈现点蚀形貌，圆孔边缘明显分布有许多单个点蚀坑，靠近圆孔中心位置点蚀坑更加密集，且点蚀坑连成一片。这是因为铝护套为皱纹形状，试验时将圆孔开在皱纹铝护套凸起部位，这导致圆孔中间相对于边缘更靠近石墨电极，电流更容易从圆孔中间流出，因此圆孔中间腐蚀程度较边缘更加严重。随着时间的延长，腐蚀严重区域向边缘扩散。腐蚀时间为2 h时,边缘还能看出单个点蚀痕迹;腐蚀时间增至4h，整个圆孔内蚀孔连成一片;腐蚀10 h，铝护套表面出现孔洞。

图7 1 A交流电流作用不同时间后圆孔处铝护套的表面形貌Fig. 7 Surface morphology of the aluminum sheath at the round hole after 1 A AC current applied for different times

4 结论

(1) 电流为1～10A条件下，铝护套穿孔时间与铝护套表面流出电流成反比例关系，拟合结果为T=10.06/I，电流越大腐蚀穿孔时间越短；铝护套腐蚀速率与铝护套表面所流出电流密度成线性关系，拟合结果为V=1.06×J，电流密度越大,腐蚀速率越大。

(2) 铝护套交流腐蚀初期呈点蚀形貌，靠近圆孔中心位置点蚀坑更加密集，随着腐蚀时间的延长，腐蚀严重区域向边缘扩散。