耐蝕性金屬接地材料研究綜述

周佩朋，王 森，李志忠，張 波，曾 嶸

（1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系），北京市，100084；2.陜西電力科學研究院，西安市，710048）

0 引言

電力系統(tǒng)接地的目的是提供故障電流及雷電流的泄流通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參考點及降低絕緣水平。接地系統(tǒng)是確保電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的安全運行，確保運行人員及其他人員的人身安全的重要措施[1]。

由于銅材的短缺，我國主要以鍍鋅鋼作為接地裝置材料。在很多地區(qū)，接地網(wǎng)腐蝕已構(gòu)成影響電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。在我國，因接地網(wǎng)腐蝕而引起的電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生，每次事故都會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。

為了抑制接地網(wǎng)的腐蝕，國際上通常使用銅材為接地材料，但是銅材的價格昂貴，為此，在國內(nèi)外市場上，出現(xiàn)了一些新型接地材料，如銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼等材料。銅鍍鋼已在國外獲得較多的使用，而其他材料尚無可以依據(jù)的使用標準或經(jīng)驗，因此在生產(chǎn)及使用中存在一定的盲目性。針對上述問題，本文通過調(diào)研相關(guān)文獻、標準，收集數(shù)據(jù)，對部分接地金屬材料從耐腐蝕性、金屬截面積選擇、技術(shù)經(jīng)濟比較3方面進行綜合分析，以供工程參考。

1 國內(nèi)外各種新型接地材料調(diào)研

目前國內(nèi)各種接地材料眾多，本文首先對國內(nèi)外已使用和可能使用的材料進行匯總。

銅鍍鋼在國外獲得了較多的應(yīng)用，美國、英國等國家都制訂了相關(guān)標準[2-4]。該種材料還有銅鑄鋼、銅包鋼等不同生產(chǎn)工藝[5]；市場上另有一種熱浸錫銅鍍鋼，即在銅鍍鋼的外邊鍍1層錫，其防腐性能更好。

近些年，鋅包鋼、不銹鋼接地棒逐漸出現(xiàn)在市場上。鋅包鋼是用擠壓包覆的工藝[6]將較厚的鋅層包覆在鋼表面，克服了熱浸鍍鋅鋼鍍層太薄的弊端，從而起到防腐的目的，這種材料在實際工程中應(yīng)用不多，也沒有相關(guān)標準可以依據(jù)。不銹鋼的防腐性能是顯而易見的，但目前在接地工程中很少采用。有人提出過不銹鋼包鋼的想法，但是目前尚無成型產(chǎn)品。

在下面的分析中，本文將針對鍍鋅鋼、銅、銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼等材料進行詳細的比較。

2 金屬的耐腐蝕性

金屬的耐腐蝕性很大程度上決定了其在接地工程中的應(yīng)用前景，在國內(nèi)外曾進行過大量的相關(guān)實驗。

2.1 國外開展的相關(guān)實驗

美國和波蘭針對接地材料腐蝕特性進行了深入研究。美國國家標準局在1910—1955年開展了為期45年的“地下腐蝕”研究項目[7]；美國加利福尼亞國家海軍土木工程試驗室在20世紀60年代早期與美國國家腐蝕工程師協(xié)會合作開展了為期7年的“接地棒現(xiàn)場測試”研究項目[8]；美國國家接地研究計劃從1992年開始在國際電氣監(jiān)察協(xié)會的南內(nèi)華達州分部研究不同接地極材料的長期性能，該項目現(xiàn)在由防火研究基金會繼續(xù)進行試驗[9]。波蘭華沙技術(shù)大學材料科學工程系實驗室也進行了電鍍銅與鍍鋅鋼的腐蝕實驗[10]研究。

2.2 國外實驗結(jié)果

美國國家標準局“地下腐蝕”研究項目的主要研究成果如下：

（1）銅和銅鍍鋼。包括管狀和板狀樣品，其中銅鍍鋼的銅層厚度為0.254 mm。在14個不同場地埋入地中13年，根據(jù)重量測量，得到平均腐蝕深度為12.7×10-6mm。埋置在另外29個不同試驗場地8年的樣品的平均腐蝕深度為22.86×10-6mm。

（2）鍍鋅鋼。測試了208個鍍鋅鋼管，鍍層厚度約為0.121 mm，樣品埋入地中10年。10年后鍍鋅層的平均腐蝕厚度達0.063 5 mm。鍍鋅層下的鋼出現(xiàn)了點蝕。

（3）對軋制鋅材和鍍鋅鋼（平均鍍層厚度0.13 mm）在美國不同地點的50種土壤中進行了腐蝕性能的評定。數(shù)據(jù)顯示，鍍鋅鋼件的平均腐蝕速率與鋅基本一致，但是點蝕穿透率明顯低于鋅；而且當大部分鍍層被腐蝕后，腐蝕速率降低[11]。

美國加利福尼亞國家海軍土木工程試驗室對9種不同材料的垂直接地棒（長2.4m，直徑16 mm），埋入地下7年，分別在1年后、3年后、7年后從土壤中挖出測量，得到的實驗結(jié)果如下：

（1）7年后，大多數(shù)試品的鍍鋅鋼鍍層腐蝕掉了，鋼芯出現(xiàn)了點蝕。

（2）包不銹鋼的鋼接地棒基本沒有腐蝕，但是鋼芯出現(xiàn)了約25.4 mm深的點蝕。

（3）銅鍍鋼接地棒沒有腐蝕，只是在端部鋼芯出現(xiàn)了約50.8 mm深的點蝕。

美國海軍在其公布的接地體現(xiàn)場測試報告中提供了一些現(xiàn)場測試結(jié)果[8,12]，腐蝕數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單一接地體埋在土壤中的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.1 Corrosion data of single metal buried in soil

美國國家接地研究計劃的試驗材料包括了鍍鋅鋼和電鍍銅材料。5個試驗場地中的4個分別在試驗9年、11年、12年進行了開挖。結(jié)果表明，鍍鋅鋼出現(xiàn)了中等到嚴重的腐蝕，電鍍銅導體只有輕微的腐蝕。

波蘭華沙技術(shù)大學材料科學工程系實驗室的研究表明，在相同腐蝕環(huán)境及波蘭土壤條件下，腐蝕速率是均勻的，并且和暴露的時間成比例。熱鍍鋅棒的平均腐蝕速率為1.1 mm/a，電鍍銅棒的腐蝕速度是它的1/25。

另外，文獻[13]給出了國外某些在接地裝置中可能出現(xiàn)的金屬埋在數(shù)十種土壤中進行腐蝕評估試驗的平均結(jié)果，見表2。從表2中可見，從平均腐蝕率來看，鋼鐵和鋅的腐蝕速度最快，銅和鉛的腐蝕速度要慢很多，僅約為鋼鐵和鋅的1/8；從點蝕速度來看，鋼鐵的最大點蝕速度達到了1.4 mm/a，而銅的最大點蝕速度不到0.2 mm/a，為鋼鐵的1/7。

表2 金屬材料在土壤中的腐蝕速率Tab.2 Corrosion rate of metal materials in soil

2.3 國內(nèi)研究成果

在金屬材料的土壤腐蝕方面，國內(nèi)尚無針對上述幾種金屬材料的全面試驗比較，但也做了大量的相關(guān)研究。

中國科學院金屬腐蝕與防護研究所用原位測試方法對碳鋼、不銹鋼、H62黃銅及金屬鋁在土壤中的腐蝕進行了研究[14-15]，認為1年內(nèi)，鋁、碳鋼、不銹鋼、H62黃銅的平均腐蝕率之比為1：22：0.5：4。該所還研究了1Cr13、1Cr18Ni9Ti兩種不銹鋼在酸性、中性及堿性土壤中經(jīng)過1年、3年、5年3個試驗周期后的腐蝕特征[16]，結(jié)果表明，1Cr18Ni9Ti耐蝕性優(yōu)于1Cr13，2種不銹鋼在酸性及中性土壤中腐蝕輕微，在高鹽堿性土壤中腐蝕嚴重，以點蝕為主。

電信科學技術(shù)第五研究所采用自然埋藏的研究方法，對線纜金屬材料銅、鋁、鉛在我國各種土壤中的腐蝕進行研究[17-18]，結(jié)果表明：銅、鋁、鉛平均腐蝕率隨時間變化規(guī)律基本遵循方程式V=AtB（式中：V為腐蝕速率，g/dm2·a；A、B為常數(shù)；t為時間，a）；銅在內(nèi)陸鹽土，鋁在堿性土壤，鉛在酸性土及潮濕草甸土、紫色土中呈局部斑點腐蝕；局部腐蝕產(chǎn)物不具保護性。

北京科技大學利用汽車鍍鋅板，研究了完整鍍鋅板、基板和鍍鋅層不同程度破損試樣在泥漿和NaC1水溶液中的腐蝕規(guī)律[19]。結(jié)果表明：完整鍍鋅層的腐蝕速率高于基板；鍍鋅層破損試樣的腐蝕失重隨鍍鋅層破損面積的增加而增大。

2.4 綜合討論

依據(jù)美國海軍的試驗結(jié)果，該實驗室的專家認為，只有電鍍銅厚度為0.25 mm的鋼棒以及不銹鋼棒的抗腐蝕速度可以被接受[6]。另外，從8～13年在43種不同土壤中銅試品的測試結(jié)果中的41種計算得到30年的平均點蝕深度為0.17 mm，因此一些國際標準都將電鍍銅鋼棒的銅鍍層的要求確定為至少0.25 mm，包括英國BS7430和美國的UL467[3-4]。

但是值得注意的是，在文獻[20]中提到，在透氣性較差的土壤中，不銹鋼的耐腐蝕性會減弱，而且不同材質(zhì)的不銹鋼具有不同的耐腐蝕性，因此該文獻建議將不銹鋼接地從有關(guān)標準中移除。

以上大量實驗數(shù)據(jù)表明：

（1）銅、不銹鋼的耐腐蝕性遠遠好于鍍鋅鋼，但是他們在特殊土壤中的腐蝕也是不能忽略的，而且不同材質(zhì)不銹鋼的耐腐蝕性不同。

（2）銅鍍鋼30年的平均腐蝕深度一般不大于0.17 mm。依據(jù)不銹鋼包鋼棒與其他金屬材料的一些試驗結(jié)果，可以認為不銹鋼包鋼也具有與銅鍍鋼類似的耐腐蝕性。

（3）鋅材的腐蝕速率與鍍鋅鋼的腐蝕速度相當，因此鋅包鋼從包覆層的腐蝕速度上來說沒有明顯優(yōu)勢，主要是利用其陰極保護能力犧牲自己來實現(xiàn)保護其他金屬構(gòu)件的目的。

（4）鍍層破壞會減弱鍍鋅鋼的抗腐蝕能力。

因此可以認為，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，銅、不銹鋼、銅鍍鋼的耐腐蝕性要好于鍍鋅鋼，鋅包鋼也能起到一定的陰極保護作用。雖然國內(nèi)外開展了土壤中金屬材料的腐蝕研究，但很多試驗對應(yīng)的環(huán)境條件并不明確。鑒于多種金屬材料仍缺乏足夠的土壤腐蝕試驗數(shù)據(jù)，很難確定其在不同土壤中的腐蝕速率，因此建議多開展此類試驗，積累數(shù)據(jù)，為工程中金屬截面的選取提供參考。

3 金屬截面積選擇

對于接地材料截面積的選取，除了要考慮其耐腐蝕性能外，還要考慮其足夠的通流能力。美國IEEE std.80—2000中推薦式（1）的簡化計算公式：

式中：Akcmil為接地材料截面積，單位為kcmil，1 kcmil＝0.507 mm2；Ig為流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A；te為短路的等效持續(xù)時間，s；Kf為接地導體材料的材料系數(shù)，可從表3中取值[21]，不同材料的Kf是根據(jù)材料最高容許溫度取值的（周圍環(huán)境溫度取40℃時）。該標準還提出，當采用硬拉銅線時，由于機械強度的原因，應(yīng)謹防導體溫度超過250℃，以防止導體淬火，韌性降低。據(jù)此標準，按照250℃計算，硬銅導體的最小截面積分別要在原熱穩(wěn)定計算的截面基礎(chǔ)上，擴大1.67倍。

表3 部分金屬的材料系數(shù)Tab.3 Material coefficients of some metals

我國電力行業(yè)標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》推薦式（2）的簡化公式：

式（2）與式（1）類似，不同之處在于：Ag的單位為mm2；c為熱穩(wěn)定系數(shù)，該標準中只對鋼、鋁、銅的熱穩(wěn)定系數(shù)給出推薦值，鋼、銅的熱穩(wěn)定系數(shù)分別取值70和210，而對于表3中所列其他金屬，沒有給出推薦值[22]。該標準還規(guī)定了按機械強度要求的接地鋼導體的最小尺寸，其中圓鋼的最小直徑為8 mm或10 mm，這里取保守值10 mm，因此銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼、鋅包鋼接地棒按機械強度要求的最小直徑為10 mm，即實際使用的最小截面積為78.54 mm2。

假設(shè)短路時間為0.5 s，入地故障電流Ig為10 kA，按IEEE標準、我國電力行業(yè)標準計算，再考慮機械強度要求得到不同接地線的截面和半徑如表4所示。表4中，銅、銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼均認為沒有腐蝕，只需進行熱穩(wěn)定條件校核，故其截面積比考慮腐蝕的鍍鋅鋼要小的多；表4中鍍鋅鋼接地體截面選擇包含4種情況：不考慮腐蝕、輕度腐蝕（0.05 mm/a）、強腐蝕（0.1 mm/a）、嚴重腐蝕（0.2 mm/a），同時考慮50年的腐蝕量，以及1.2的不均勻腐蝕程度。對于鋅包鋼（包覆層厚3 mm），由于其耐腐蝕性沒有準確的數(shù)據(jù)，而且其部分防腐性能體現(xiàn)在作為犧牲陽極上，所以這里沒有對其截面選擇作計算。

表4 不同金屬接地線的截面選擇Tab.4 Cross-section selection of grounding wires of different metals

由表4可見，2種標準計算的鋼接地線的尺寸相差很小，對于銅接地線的尺寸，IEEE標準更顯保守一些?？紤]腐蝕后各種接地材料的金屬截面積選擇差異很大，采用純銅、銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼的截面積遠遠小于鍍鋅鋼和鋅包鋼，尤其是鍍鋅鋼在腐蝕較為嚴重時截面會大大增加。

4 不同金屬接地材料的技術(shù)經(jīng)濟比較

由于IEEE標準全面給出了各種金屬的熱穩(wěn)定系數(shù)，因此下面的分析中選擇IEEE標準進行不同金屬的技術(shù)經(jīng)濟比較。

在考慮了材料的耐腐蝕特性、保證材料足夠的通流能力后，最終材料的選取還要看其綜合的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果，包括材料用量、價格、施工難度、維護成本等。這里主要針對銅、銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼4種耐蝕性金屬，與鍍鋅鋼進行比較。各金屬材料的價格見表5，調(diào)查于2009年12月中旬，銅包鋼依據(jù)的是部分市場調(diào)查，其余金屬參考全國市場的報價。由于鋅包鋼是新出現(xiàn)的產(chǎn)品，其市面價格尚不穩(wěn)定，因此在表5中以及后面的技術(shù)經(jīng)濟比較中并未列出。

表5 各金屬材料的價格Tab.5 Prices of different metals

考慮不同腐蝕情況下50年的耐用年限，同時根據(jù)機械強度要求，根據(jù)不同短路電流情況（其幅值分別取值10、15、20、30、50 kA，持續(xù)時間分別取值0.25、0.5、1、2、3 s）計算各耐蝕金屬與鍍鋅鋼的材料費用比，再進行匯總后如表6所示。其中，銅的材料費用按照軟銅考慮，如果是硬拉銅，則費用需乘1.67倍。可見，隨著土壤腐蝕性的增強，使用銅、銅鍍鋼、不銹鋼會顯現(xiàn)出更好的經(jīng)濟性；在產(chǎn)品質(zhì)量有保證的前提下，相對純銅而言，使用銅鍍鋼、不銹鋼大大節(jié)約了材料費用。

表6 考慮不同腐蝕情況下的材料費用比Tab.6 Material cost ratio under different corrosion degrees

值得注意的是，表6的計算是理想的情況，即不考慮不銹鋼和銅的腐蝕等附加因素[22]。在實際應(yīng)用中考慮到上述問題，采取的截面會略大，其材料費用也會增加。

對銅、銅鍍鋼、不銹鋼構(gòu)成的接地網(wǎng)的性能綜合總結(jié)如表7所示。從表7中可以看出，由于這3種金屬的價格要高于鋼材的價格，在一般情況下，一次性投資比建設(shè)鋼接地網(wǎng)時大；但這3種金屬的接地網(wǎng)一般不需要改造，省去了大量的人力、物力和財力進行大規(guī)模開挖檢查。因此，總體來說，耐蝕性金屬接地網(wǎng)雖然一次性投資大，但是省去了接地網(wǎng)改造的費用，更重要的是它使得系統(tǒng)更加可靠，更加穩(wěn)定，消除了產(chǎn)生事故的隱患[24]。

表7 幾種金屬構(gòu)成的接地系統(tǒng)綜合比較Tab.7 Comprehensive comparison of grounding systems of different metals

5 結(jié)論

銅、銅鍍鋼、鋅包鋼、不銹鋼等是可以選擇的潛在耐蝕性金屬接地材料。調(diào)研數(shù)據(jù)表明，銅、鍍銅材料、不銹鋼材料的防腐性能比鍍鋅鋼好得多，鋅包鋼能起到犧牲自己來實現(xiàn)保護其他金屬構(gòu)件的防腐效果?？烧J為，銅、性能較高的不銹鋼、鍍層厚度0.25 mm以上的銅鍍鋼、厚度足夠且包覆較好的鋅包鋼都能維持遠超過鍍鋅鋼的使用壽命。在強腐蝕土壤中采用耐蝕性金屬導體，比采用鋼導體的費用低。從長遠效益看，采用耐腐蝕性金屬材料減少了接地網(wǎng)的腐蝕，減少了維護費用，提高了運行的安全性和可靠性。對于耐蝕性金屬，我國基本沒有相關(guān)標準可依據(jù)，其使用也存在著一些盲目性和爭議，生產(chǎn)工藝水平也有待提高，應(yīng)該多開展這方面的研究和試驗，編制國家標準，將耐蝕性金屬納入接地材料中，使發(fā)變電站接地系統(tǒng)工程的實際施工更具可操作性和規(guī)范性。由于目前的施工工藝下，深長垂直接地極通常仍然使用鋼材，其與以上耐蝕性金屬的連接和防腐也是需要深入研究的課題。

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