變電站接地網(wǎng)腐蝕行為的實驗室快速測定

張利庭張元龍李汝彪魏狀

(1,浙江嘉興電力局,浙江 嘉興314033;2,浙江省電力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江杭州310032)

變電站接地網(wǎng)腐蝕行為的實驗室快速測定

張利庭1張元龍1李汝彪2魏狀3

(1,浙江嘉興電力局,浙江 嘉興314033;2,浙江省電力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江杭州310032)

根據(jù)變電站接地網(wǎng)腐蝕行為的研究現(xiàn)狀，在實驗室建立了一個模擬金屬土壤腐蝕行為的裝置。工作中以A3鋼為測試金屬，以嘉興地區(qū)兩個110 kV變電站的土壤為目標(biāo)土樣，利用試片失重法和電化學(xué)測試技術(shù)對模擬裝置的有效性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，在電化學(xué)活化控制條件下，所建的土壤模擬腐蝕裝置能有效地反應(yīng)變電站現(xiàn)場A3鋼的腐蝕情況，兩者的實驗誤差在20%以內(nèi)。以上研究成果對指導(dǎo)接地網(wǎng)運行具有重要的意義。

土壤腐蝕；接地網(wǎng)；腐蝕電流；極化曲線；失重

變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)電氣裝置為防止雷擊或接地短路電流危及人身和設(shè)備安全而采取的安全措施，其對電網(wǎng)的安全運行具有重要的意義。目前，國內(nèi)在進(jìn)行變電站接地網(wǎng)建設(shè)時，一般先查閱相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)手冊，然后根據(jù)熱穩(wěn)定性要求再決定接地網(wǎng)的尺寸大小。手冊上數(shù)據(jù)一般來源于特定地區(qū)和特定試樣的填埋試驗，由于氣候條件和土壤理化性質(zhì)的差異性，所查數(shù)據(jù)對各個特定的變電站往往僅具參考價值，對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)性并不是很強(qiáng)。因此，相應(yīng)氣候條件下如何有效測定不同土壤中常規(guī)金屬材料的腐蝕速度對電力系統(tǒng)接地網(wǎng)的建設(shè)具有重要的實際意義[1-3]。

為了有效測定相關(guān)金屬材料在目標(biāo)土壤中的腐蝕速度，在實驗室內(nèi)建立能有效模擬各種常見金屬材料在不同種類土壤中的腐蝕行為是問題的關(guān)鍵。一般地，為了使模擬裝置的測試結(jié)果與實際現(xiàn)場的腐蝕速率有很好的相關(guān)性，建立的模擬裝置至少應(yīng)滿足以下兩個基本條件：（1）表觀實驗條件下的模擬；（2）特定條件下金屬腐蝕動力學(xué)特性的模擬[4]。另外，由于模擬測試裝置得到的結(jié)果為瞬時腐蝕電流的大小，因此，如何確定一個相應(yīng)較為完整的測試周期也是保證測試結(jié)果具有實際指導(dǎo)意義的重要保證。

本工作中研究了A3鋼在嘉興地區(qū)2個變電站的腐蝕行為（桐鄉(xiāng)110 KV的龍翔變電站和平湖110 KV的東方變電站）。根據(jù)現(xiàn)場分析及土壤理化性質(zhì)的測試，我們在實驗室建立并優(yōu)化了相應(yīng)的模擬測試裝置，模擬裝置的有效性通過現(xiàn)場填埋試片的失重進(jìn)行核證。

1 實驗方法與儀器

1.1 電化學(xué)測試及模擬裝置圖

電化學(xué)測試裝置采用三電極體系，恒電位儀為上海華辰的CHI660C。A3鋼模擬腐蝕裝置如圖1所示，模擬腐蝕裝置土樣的具體填埋要求如下：（1）土樣填埋深度要求大于12 cm，一般為16 cm左右；（2）兩片金屬試片平行放置，間距保證在2 cm以上；（3）夯土要求，首先在腐蝕模擬體系底部填埋約2 cm厚度的泥土，夯實之后，再添加2 cm厚度的泥土，再夯實，直到達(dá)到測試要求的規(guī)定為止；（4）在建好的測試裝置中添加適量的蒸餾水并放入恒溫恒濕箱內(nèi)保存，加水頻率取決于現(xiàn)場土壤氧化還原電位的高低。

1.2 土樣理化性質(zhì)的測定[5]

在2007年年初，我們按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)分別對這2個變電站進(jìn)行了土壤樣品的采取、失重試片和測試件的現(xiàn)場填埋等工作。變電站的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場測試，而其他指標(biāo)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)程序在實驗室分析，兩個變電站土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1-2 個變電站土壤的理化指標(biāo)

1.3 動力學(xué)特性的分析及數(shù)據(jù)處理方法[4,6]

在常規(guī)實驗條件下，現(xiàn)場測試件典型的極化曲線如圖2和圖3所示，不同條件下對不同極化電位內(nèi)電位-電流關(guān)系的分析結(jié)果顯示。相關(guān)工藝條件研究表明兩個變電站A3鋼的腐蝕過程屬電化學(xué)活化控制。為此，我們可以利用下式來求算A3鋼在上述土壤中的腐蝕速率：

其中ic為腐蝕電流密度，Ec為腐蝕電位，βa和βb為陰、陽極極化過程的塔菲爾斜率。

1.4 腐蝕電流測試結(jié)果與試片失重法的比較

由于電化學(xué)測試法得到的是腐蝕電流，而試片失重法得到的腐蝕速度為某段時間內(nèi)平均的腐蝕速度。為了便于比較，一般要對腐蝕電流進(jìn)行積分以得到年（（或月）平均失重。根據(jù)建立計算模型的需要，結(jié)合查閱到近年來桐鄉(xiāng)和平湖地區(qū)的氣象資料，我們將1年時間簡單地劃分3個時段：10℃以下的2個月，10~25℃的6個月，25℃以上的4個月。在計算出各個時段的平均腐蝕電流后即可求算出A3在研究時間段的平均失重。

1.5 A3鋼填埋試片失重的測定[5]

A3鋼試片失重質(zhì)量與平均腐蝕電流之間的換算公式是：

式子中ic是求算的腐蝕電流大小，單位是mA/cm2；2是腐蝕反應(yīng)中得失的電子數(shù)；F是法拉第常數(shù)，等于96485；m是試片失重質(zhì)量，單位是g；D表示填埋實驗進(jìn)行的天數(shù)；S表示填埋試件的表觀面積。

2 結(jié)果與討論

對附近停用變電站接地網(wǎng)截取樣品的分析表明，桐鄉(xiāng)110KV的龍翔變電站和平湖110KV的東方變電站不存在細(xì)菌腐蝕問題。與從事接地網(wǎng)工作的技術(shù)人員交流得知，在嘉興地區(qū)，接地網(wǎng)的腐蝕以均勻腐蝕為主。排除上述因素后，對這兩個變電站接地網(wǎng)腐蝕行為的研究就可以進(jìn)行簡單化處理。即除了電解腐蝕外，只要求算出A3鋼在目標(biāo)土壤中的均勻腐蝕速度即可，而電解腐蝕通過相應(yīng)的電量給出。在本研究中，失重試片與接地網(wǎng)并未連通，故電解腐蝕可以不用考慮。

2.1 土壤腐蝕裝置的優(yōu)化

在測試初期，土壤模擬腐蝕裝置如圖1（左邊-舊）所示。測試結(jié)果的平均值與試片失重法換算得到的腐蝕電流相比表明（如表2所示），兩者差別過大，該裝置無法很好地模擬現(xiàn)場A3鋼的腐蝕行為。

經(jīng)課題組的仔細(xì)分析討論和驗證，認(rèn)為填埋試片屬均勻腐蝕及過程動力學(xué)特性屬電化學(xué)活化控制這兩個基礎(chǔ)沒有問題。以下幾個因素可能是造成該結(jié)果的主要原因：（1）模擬裝置腐蝕電流的時效性問題沒有考慮；（2）實驗室測試過程所取的點數(shù)不夠多；（3）氧化還原電位的模擬不夠到位（具體表現(xiàn)為加水次上）；（4）所建的電化學(xué)模擬裝置不夠理想。因此工作中有必要對上述幾個因素進(jìn)行分析與優(yōu)化，限于篇幅，本文以模擬裝置的時效性為例進(jìn)行優(yōu)化。

表2 模擬裝置所測得的腐蝕電流與試片失重法算得的腐蝕電流

2.2 模擬測試裝置腐蝕電流的時效性分析

在模擬裝置的測試過程中，由于土樣夯實程度的不同，所測腐蝕電流的大小肯定也會有一定的時效性。因此建好模擬裝置后在什么時間進(jìn)行腐蝕極化曲線的測定有重要的優(yōu)化價值。實驗中以桐鄉(xiāng)110 kV龍翔錢變的測試情況為例進(jìn)行說明（圖4）。圖4結(jié)果表明，模擬裝置在剛建立的幾天內(nèi)腐蝕電流值較大，這可能是剛建立的裝置土壤較松，氧氣的補(bǔ)充速率較快，從而導(dǎo)致體系有較大的腐蝕電流。隨著時間的推移，裝置中土壤的緊密度變好，此時所測腐蝕電流密度值有所下降。重復(fù)試驗表明，模擬裝置在10 d后才能測到較平穩(wěn)的腐蝕電流值。裝置電化學(xué)阻抗譜的分析結(jié)果也有同樣的結(jié)論。

2.3 其他幾個因素的優(yōu)化說明

仔細(xì)對比分析實驗室模擬裝置和現(xiàn)場土壤體系，課題組認(rèn)為圖1（左-舊）的測試裝置還存在以下幾點的不足：（1）模擬裝置中所填金屬試片底部的泥層厚度偏?。唬?）為了模擬實際體系的氧化還原電位，工作中需對裝置進(jìn)行了加水處理，由于圖1（左-舊）模擬裝置并沒有考慮相應(yīng)的排水出口，導(dǎo)致裝置內(nèi)有明顯的積水現(xiàn)象，從而影響測試結(jié)果。針對上述存在的兩個主要缺陷，我們對模擬測試裝置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的模擬測試裝置圖1（右-改進(jìn)后）所示。改進(jìn)后的裝置在底部打了許多小孔，以便所加水的順利排出，另外，金屬試片底部泥土的厚度也明顯加厚（達(dá)10 cm），以便更好地模擬實際土壤腐蝕體系。

由于這兩個目標(biāo)變電站接地網(wǎng)的腐蝕屬電化學(xué)活化控制，故利用加水頻率來控制模擬裝置氧化還原電位的方法對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。

2.4 優(yōu)化后的測試結(jié)果

利用改進(jìn)后的模擬裝置，在優(yōu)化后的測試條件下，對A3鋼在上述兩個變電站的腐蝕行為進(jìn)行了測定。試片的填埋工作從2007年3月開始，到10月份的試片取回共經(jīng)歷了近8個月的時間。模擬裝置優(yōu)化后測得的腐蝕電流與失重法換算得到的腐蝕電流值結(jié)果如表3所示，裝置測得的腐蝕電流與實際試片失重法所換算得到的腐蝕電流較為接近，實驗結(jié)果的相對誤差的20%以內(nèi)。以上對比結(jié)果表明，優(yōu)化后的裝置能有效地反應(yīng)對現(xiàn)場接地網(wǎng)的腐蝕情況，測試結(jié)果對接地網(wǎng)的正常運行有著很好的指導(dǎo)作用。

表3 裝置及工藝條件優(yōu)化后的腐蝕電流測定值

3 結(jié)論

（1）根據(jù)氣候條件和預(yù)研結(jié)果，可以將嘉興地區(qū)一年的氣候條件分為三類，其中氣溫低于10℃的有2個月，10~25℃之間有6個月，25℃以上的有4個月。

（2）建立并優(yōu)化了模擬接地網(wǎng)腐蝕的測試裝置，根據(jù)兩個變電站接地網(wǎng)腐蝕的動力學(xué)特點，通過對氧化還原電位的有效模擬和測試裝置腐蝕電流時效性問題的研究，所測結(jié)果與失重法所得結(jié)果較為接近，兩者的相對誤差在20%以內(nèi)。

[1]電力設(shè)備接地設(shè)計技術(shù)規(guī)程SDJ8-79[M].北京:中國電力出版社，1979.

[2]胡學(xué)文，許崇武，李建華，等.接地網(wǎng)電化學(xué)防蝕保護(hù)若干個問題研究[J].中國電力，2002，35（7）：75-79.

[3]呂承杰，王芷芳.變電站接地網(wǎng)的腐蝕及犧牲陽極的應(yīng)用[J].全面腐蝕控制，2005，19（5）:33-35.

[4]曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:4.

[5]全國土壤腐蝕實驗網(wǎng)站.材料土壤腐蝕實驗方法[M].北京：科學(xué)出版社，1990:3.

[6]查全性.電極過程動力學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2004:1.

Quick Measurement of the Corrosion Rate of Ground Network in Laboratory

ZHANG Li-ting1,ZHANG Yun-long1,LI Ru-biao2,WEI Zhuang3
(1.Zhejiang Jiaxing Electric Power Bureau,314033,China；2.Zhejiang Electric Power Corporation,310007,China; 3.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032, China)

A kind of simulating equipment was set up in our lab to study soil corrosion behavior of general metal on the basis of development of corrosion behavior of network.The validity of simulating equipment was tested in two 110kV transformer substations(Jiaxing,Zhejiang province)through comparing the in situ corrosive speed of A3 steel with that obtained from this simulating equipment.The experimental results show that this simulating equipment can effectively reflect in situ corrosion behavior of A3 steel under control by electrochemical kinetic process,and the error of two corrosive speeds is within 20%.Therefore,this kind of simulating equipment is very significant for effective operation of ground network.

soil corrosion;ground network;corrosion current;polarization curve;loss mass

1006-4184（2010）07-0023-04

2010-03-24

張利庭(1967-)，男，碩士，高級工程師，從事變電所檢修維護(hù)及技術(shù)管理。