變電站接地網(wǎng)腐蝕及防腐措施

朱文強

（福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 永安 366000）

變電所的接地系統(tǒng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設備安全的根本保證和重要措施。當電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障或其他大電流入地時，如果接地電阻值比較大，就會造成地網(wǎng)電位異常升高；而接地系統(tǒng)由于腐蝕導致接地電阻增加，還會導致接地系統(tǒng)本身局部電位差超過安全值。這樣，除給運行人員安全帶來威脅外，還很有可能因反擊或電纜皮環(huán)流使得二次設備的絕緣遭到破壞，高壓竄入控制室，輕則導致監(jiān)測或控制設備發(fā)生誤動或拒動，重則破壞監(jiān)測設備而擴大事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

1 接地網(wǎng)腐蝕機理與影響因素

接地裝置的腐蝕環(huán)境主要有兩種即大氣腐蝕及土壤腐蝕。大氣腐蝕主要是對接地引下線和電纜溝的均壓帶的腐蝕；土壤腐蝕主要是對各處垂直和水平接地體的腐蝕。

埋設于土壤中的接地網(wǎng)發(fā)生的腐蝕屬于電化學范疇，腐蝕原電池是其最基本的形式。當腐蝕電池工作時，在介質中有離子的遷移，而在外電路中，陰、陽極之間有電流流過，稱為腐蝕電流。腐蝕電流的大小反映了金屬的腐蝕速度，電流越大，腐蝕越快。

由于土壤環(huán)境中金屬構筑物的腐蝕屬于電化學腐蝕范疇，所以土壤的理化性能如土壤電阻率、土壤的氧化還原電位、pH值、土壤含水量、土壤的透氣性、土壤的溫度等都是影響土壤腐蝕的因素。一般來說，土壤電阻率比較低地區(qū)，腐蝕會比較嚴重；含水量較大的土壤腐蝕相對來說要嚴重一些。

2 腐蝕原因分析

腐蝕就是由于環(huán)境的作用而導致的金屬物質的變質。大部分的環(huán)境都有不同程度的腐蝕性。土壤也具有腐蝕性，因為它其中存在著水分，可溶解得金屬鹽和細菌。特別是低電阻率的土壤，都有高腐蝕性的趨勢。在許多金屬的表面，存在著陰極和陽極區(qū)域。這些帶正，負電的區(qū)域通過金屬本身產(chǎn)生電氣連接。金屬表面總是不可避免的存在物理和化學性質的微觀不均勻性，導致金屬表面各處電位存在差異，形成大量微陽極區(qū)和微陰極區(qū)，在土壤中構成腐蝕微電池，使金屬不斷受到腐蝕。

兩種不同電位的金屬在同一種電解質如水、土壤等環(huán)境中形成電連接就構成宏電池效應腐蝕。電位較負的金屬為陽極，電位較正的金屬為陰極，作為陽極的金屬將受到腐蝕。而銅由于電位相對較高，一般情況下難以腐蝕。

此外，還有由于土壤不均勻性造成滲透腐蝕、土壤中微生物腐蝕、雜散電流腐蝕等造成接地網(wǎng)的腐蝕。

3 接地網(wǎng)防腐蝕方法簡介

防止腐蝕一般有兩條途徑，一是改變腐蝕環(huán)境，降低環(huán)境的腐蝕性，另一是改變腐蝕主體的材質，提高其耐蝕性。對變電站而言，一旦其地點確定，接地網(wǎng)所處的土壤環(huán)境就隨之確定了，想改變是很困難的。所以解決接地網(wǎng)腐蝕問題主要從增強接地網(wǎng)本身的耐蝕性方面著手。目前，常用的防止接地網(wǎng)銹蝕的方法有：采用在鋼表面鍍鋅處理、采用在鋼表面涂覆防腐層、采用陰極保護、鍍銅鋼材料等方法。

3.1 采用在鋼表面鍍鋅來防腐

目前，變電站普遍采用鍍鋅鋼作接地網(wǎng)材料，試驗表明，熱鍍鋅鋼在沒有泄流電流影響時耐腐蝕性能尚好，但是在輸變電設備接地網(wǎng)有泄流電流的電解腐蝕時，其耐腐蝕性能與普通碳鋼相比，提高極少，不能明顯改善接地網(wǎng)的防蝕性能。

3.2 采用在鋼表面涂覆防腐層方法

目前在中國有些地方采用在鋼表面涂覆防腐涂料方法來防止金屬腐蝕，但效果并不明顯。變電站接地網(wǎng)的接地電阻要有一個很低的阻值，才能有效瀉放故障電流，如果接地材料采用絕緣涂層或導電性能不好的涂層，則接觸電阻和土壤的散流電阻則非常大，導致整個接地電阻增大。因此如果接地導體采用涂覆防腐層，就會增大接地電阻，導致接地網(wǎng)瀉放故障電流能力下降，產(chǎn)生很多問題。在實際應用中發(fā)現(xiàn)大量防腐涂料并不能有效防腐，往往每隔3～4年就必須再涂覆一次，造成人力物力的大量浪費。另外，這種方法由于對導電涂料的導電性能和理化性能要求高，并且施工困難，難以在大規(guī)模的新建接地網(wǎng)上應用；對于使用多年的老接地網(wǎng)使用導電涂料防腐蝕，更是價格昂貴，施工困難，而且導電涂料的使用壽命有限；除此之外，一旦涂覆層有針孔、破損等缺陷，還會發(fā)生大陰極小陽極現(xiàn)象，使地網(wǎng)遭到嚴重的局部腐蝕，造成地網(wǎng)穿孔或斷裂。因此，在較強的腐蝕性土壤中，涂覆層很難使接地網(wǎng)得到長期有效地保護。

3.3 采用陰極保護法

變電站接地網(wǎng)采用陰極保護是基于金屬腐蝕的電化學理論，是由外部向地下腐蝕的接地網(wǎng)金屬材料提供陰極直流電流的方法，使金屬電位降低（陰極極化），從根本上降低金屬的腐蝕傾向和腐蝕速率，達到抑制接地網(wǎng)金屬（碳鋼）材料的土壤腐蝕的效果。

但由于各種各樣原因，過去安裝的許多陰極保護均發(fā)生過過早失效或無效的問題，陰極保護系統(tǒng)不能持久有效地運作。另外陰極保護還存在維護困難，維護管理費用昂貴導致總體費用非常貴，而且需要長期監(jiān)控其整體情況等缺點，導致在變電站接地網(wǎng)中很難采取陰極保護方法來防腐。

3.4 鍍銅鋼材料接地網(wǎng)

國家電網(wǎng)公司“25項重大反措”中明文規(guī)定，“在腐蝕性比較嚴重的樞紐變電站宜采用銅材接地網(wǎng)”，有些地區(qū)還制定了相關的技術政策。由于銅的價格較為昂貴，在國際上（除中國，印度和前蘇聯(lián)部分國家以外），普遍選用鍍銅鋼材料或鋼材來防止腐蝕增加接地網(wǎng)壽命，而且被相關的國際標準（如：IEEE和IEC）推薦為主要接地材料。如IEEE80－2000在導體的選擇方面，明確指出：“銅材為最主要的水平接地導體材料，30%和40%的鍍銅鋼材料也作為水平導體材料，垂直接地體的材料則主要為鍍銅層不小于0.25mm厚度的鍍銅鋼接地棒?！?/p>

鍍銅鋼接地網(wǎng)具有如下優(yōu)越性。

1）導電性能

以銅的導電率為100%， 標準1020鋼的導電率僅為10.8%，因此銅的導電率是鋼的10倍左右。中國電力科學研究院曾對鍍銅鋼棒（CCS20）-φ8.0mm、鍍銅鋼絞線單絲（CCS30）-φ4.1mm、鍍銅鋼絞線單絲（CCS40）-φ3.7mm，銅層厚度 0.25mm 的試樣進行試驗，三者的導電率分別為24.05%、31.92%、41.28%，滿足產(chǎn)品標定的 20%、30%、40%的最低導電率要求，均遠較鋼接地體好。尤其是在集膚效應下，高頻時鍍銅鋼絞線導電性能遠遠優(yōu)于鋼材。

經(jīng)故障電流試驗后，三者的表面銅層發(fā)生少量氧化，未出現(xiàn)裂痕、鼓泡、熔化等缺陷，銅層保持完好，電阻變化率僅為0.1%～0.7%，導電性能相當穩(wěn)定。

2）熱穩(wěn)定性

以試樣開始變形時的溫度作為判斷材料熔化溫度的辦法得出鍍銅鋼棒（CCS20）-φ8.0mm、鍍銅鋼絞線單絲（CCS30）-φ4.1mm、鍍銅鋼絞線單絲（CCS40）-φ3.7mm 三種試樣的熔化溫度分別為1115℃、1109℃、1107℃，與銅的熔點1083℃非常接近，而鋼的熔點則高達1510℃。經(jīng)推算，上述三種試樣的熱穩(wěn)定系數(shù)分別為 136、165、190，而鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)僅為70。鍍銅鋼材料的熱穩(wěn)定系數(shù)至少是鋼材料的兩倍以上。

3）耐腐蝕性能

接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式，在多數(shù)情況下，這兩種腐蝕同時存在。鍍銅鋼材料因其表面覆蓋著銅，而銅的表面會產(chǎn)生附著性極強的氧化物（銅綠），能夠對內部的材料起很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50， 是鍍鋅鋼的耐腐蝕性的3倍以上，而且電氣性能穩(wěn)定。

4）銅或鍍銅鋼接地體的施工

鍍銅鋼材料的連接是采用熱熔焊劑進行連接，其接頭是分子之間高度結合的熔融接頭，沒有氣孔，沒有接觸表面，沒有殘余應力且整個接頭被純銅覆蓋。試驗表明：焊接前后的直流電阻率變化接近于零，連接點的載流能力與導體本身相同，這是任何一種傳統(tǒng)連接方法所無法比擬的。

設計推薦水平主網(wǎng)采用銅或鍍銅鋼絞線。銅或鍍銅鋼絞線柔性好，允許的彎度半徑小，所以拐彎方便，穿管容易。銅線的高機械強度，使其能夠成卷供貨，便于機械化施工。搭接處采用放熱焊接，操作方便，加快施工進度，節(jié)省人工費用，簡化施工工藝，更重要的是保證了銅接地網(wǎng)的連接質量。

設計推薦垂直地網(wǎng)采用銅鍍鋼接地棒，由于接地棒截面大大小于角鋼，在作垂直接地施工方面工作量減小，并能垂直深入土壤，使通過加大垂直接地深度來降低接地電阻成為一種可能。

5）經(jīng)濟比較

以浙江電力公司某兩個典型的500kV和220kV變電所為例的設計中（見表 1），我們可以看出在500kV 變電站中，以傳統(tǒng)鋼接地造價為 100%，則鍍銅鋼接地一次性投資大約為145%，純銅接地造價則為180%。根據(jù)“年費用法”計算（考慮鋼接地系統(tǒng)壽命為15年，鍍銅鋼接地壽命為50年，銅接地壽命為50年），再考慮施工，導通測試等，同樣假設鋼接地年費用為100%的話，則鍍銅鋼接地費用為40%，銅接地為55%。

表1

4 結論

變電站接地裝置的腐蝕是造成接地隱患，產(chǎn)生接地事故的主要原因。對接地裝置的防腐問題應從選材、設計、施工、運行、維護等方面進行把關。鍍銅鋼接地體在導電性能、熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性、接點焊接質量、施工和經(jīng)濟性有顯著的優(yōu)越性。

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