淺談500kV變電站接地網(wǎng)腐蝕與防護

摘要：電力接地網(wǎng)的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運行，是造成大面積停電的事故原因之一。目前普遍采用的普通碳鋼構(gòu)件存在腐蝕速率快、開挖修復(fù)周期短、可靠性差等問題。直接采用純銅作為接地體材料，或加大接地體截面雖然可以大大延長接地網(wǎng)使用壽命，但成本過高。鋼表面鍍鋅或采用陽極犧牲法等存在延壽有限和均勻性差等問題。鋼表面高溫鍍銅和涂覆導(dǎo)電防腐涂料的方法在提高耐土壤腐蝕性能的同時也兼顧了成本，可明顯延長接地網(wǎng)可靠使用壽命至30年以上，是今后接地體構(gòu)件防腐技術(shù)的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng) 腐蝕 防護 耐腐蝕

0 引言

電網(wǎng)的穩(wěn)定運行主要取決于500kV變電站接地網(wǎng)的運行狀態(tài)，而且在某些情況下，大面積停電的事故也是因500kV變電站接地網(wǎng)的故障而造成的。施工單位都在地下埋設(shè)接地網(wǎng)，受地理環(huán)境惡劣和地下土壤不同的影響，土壤腐蝕是造成接地網(wǎng)的首要危害。山西省電力公司檢修公司負責運行維護全省的18座500kV變電站（開閉站），因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易于進行設(shè)備維護，我單位每隔五年要花費很多精力來開挖維護和翻修接地網(wǎng)。采用這種模式進行設(shè)備養(yǎng)護，不僅要注意現(xiàn)場運行情況，而且要盲目地做大量的工作，周期長、進度慢。鑒于此，我單位將接地網(wǎng)腐蝕的診斷和防護方案研究提上了議事日程，并在實踐中著力改進接地網(wǎng)材料的耐腐蝕性能，延長接地網(wǎng)的服務(wù)期限，從而確保500kV電網(wǎng)設(shè)備保持良好的運行狀態(tài)，節(jié)約運營成本。

1 接地網(wǎng)腐蝕機理

在我省500kV變電站中，水平接地體由圓鋼或扁鋼焊接而成，垂直接地體用角鋼或鋼管組成。整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行就要依靠每個元件及其相互配合共同工作。若采用同等的接地裝置，則接地電阻變大，土壤電阻率也將隨之增大。在土壤內(nèi)，特別是在接地引下線的地面和土壤交界處，金屬與介質(zhì)的電化學(xué)不均一，就會形成腐蝕原電池使接地網(wǎng)遭到電化學(xué)腐蝕，而碳鋼則容易發(fā)生吸氧腐蝕。土壤內(nèi)的氧被水溶解會加速擴散。土壤內(nèi)電解質(zhì)和氧的濃度、以及土壤的pH值可被土壤內(nèi)厭氧微生物的新陳代謝產(chǎn)物改變，進而加速電化學(xué)腐蝕的陰極去極化過程，最終促進接地網(wǎng)更快的發(fā)生電化學(xué)腐蝕。接地網(wǎng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，除了土壤電解質(zhì)被改變，陰、陽兩極還會發(fā)生電極反應(yīng)。下文具體說明了電極反應(yīng)的過程。

1.1 陽極反應(yīng)過程 實際上，土壤腐蝕的陽極反應(yīng)過程就是金屬材料的腐蝕過程，具體情況如下：

Fe→Fe2++2e

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

Fe（OH）3→FeOOH+H2O

2Fe（OH）3→Fe2O3·3H2O→Fe2O3+3H2O

土壤中接地網(wǎng)被腐蝕的主要過程主要通過上式反映出來。鐵在酸性土壤內(nèi)以離子形式存在，而鐵離子和氫氧根離子若在堿性土壤或中性土壤內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，就會形成氫氧化亞鐵，該物質(zhì)又與土壤內(nèi)的水、氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鐵，并轉(zhuǎn)化成氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物。

1.2 陰極反應(yīng)過程 土壤內(nèi)金屬所發(fā)生的陰極反應(yīng)實際是氧的還原作用。氧的還原作用就是氧與電子結(jié)合生成氫氧根離子，方程式如下：O2+2H2O+4e→4OH-

若土壤的酸性極強，則會發(fā)生吸氧反應(yīng)：2H++2e→H2

一般來講，陰極反應(yīng)在接地網(wǎng)與土壤中發(fā)生電化學(xué)腐蝕的過程中起主導(dǎo)作用。

2 我省500kV變電站（開閉站）腐蝕現(xiàn)狀

我省500kV變電站分布于全省11個地市，且大多處在海拔高、土壤環(huán)境惡劣的地區(qū)。在這種土壤環(huán)境中埋設(shè)接地網(wǎng)設(shè)備，由于土壤的電化學(xué)腐蝕及運行設(shè)備泄流等引起的雜散電流腐蝕，接地網(wǎng)在投入使用后的兩到六年便可能出現(xiàn)故障，甚至斷裂。山西省500kV變電站地網(wǎng)腐蝕情況統(tǒng)計如下：

2.1 主地網(wǎng)腐蝕。運行時間較長的變電站，整個接地體都已腐蝕，部分接地體地網(wǎng)變脆、起層、銹層松散易脫落，嚴重時生銹斷裂。

2.2 接地引下線熱容量不夠，接地引下線多為Φ12mm或Φ8mm的圓鋼，而且個別站同一電壓等級設(shè)備的接地引下線規(guī)格不齊，并有多點焊接。

2.3 接地引下線與水平地線截面配合不當。如某個500kV變電站內(nèi)220kV部分接地引下線截面Φ22mm圓鋼，而接地引下線與地網(wǎng)干線相連的地線截面卻為Φ12mm圓鋼，35kV母線接地引下線為Φ10mm的圓鋼，主網(wǎng)為40×4mm扁鐵。

2.4 沒有按照圖紙施工，接地引下線連接不合理。部分設(shè)備接地引下線是經(jīng)過操作機構(gòu)再引到主網(wǎng)的，甚至有部分設(shè)備接地引下線直接引進電纜溝內(nèi)扁鐵上。

2.5 后期工程的接地引下線沒有與一期工程的主地網(wǎng)相連接。

2.6 不同金屬在土壤中腐蝕情況統(tǒng)計

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3 接地網(wǎng)防腐蝕防護措施

3.1 接地網(wǎng)截面的選擇 在接地網(wǎng)截面的選擇上，要綜合考慮施工情況、保護的可靠性等情況，確定短路電流作用的時間，保證選擇要滿足熱穩(wěn)定的要求。規(guī)程規(guī)定，應(yīng)取主保護動作時間加上失靈保護動作時間作為有效接地系統(tǒng)接地裝置的熱穩(wěn)定校驗時間；消弧線圈接地系統(tǒng)接地裝置熱穩(wěn)定校驗時間，也就是第一后備保護動作時間應(yīng)該取2s。

3.2 接地極截面的選擇 從近年來山西省檢修公司維護的500kV變電站（開閉站）的地網(wǎng)開挖檢查結(jié)果來看，由于在相同的導(dǎo)電截面下，圓鋼的表面積相比于扁鋼更小，這使得在同樣潮濕的土壤中，在與土壤接觸的面積上，同樣截面的圓鋼要小于扁鋼，因此圓鋼受潮濕土壤的腐蝕程度要更小，因此，在變電站設(shè)計、施工中建議采用圓鋼。

3.3 設(shè)備接地引下線截面與主網(wǎng)干線截面的配合 在老式的變電站設(shè)計中，相比主地網(wǎng)干線的截面，接地引下線截面更小，這容易造成短路故障的擴大。我省大部分地網(wǎng)事故中，往往就是接地引下線被短路電流燒斷，進而帶來更大的麻煩。其原因就在于，在發(fā)生短路故障時，流過接地引下線的故障電流是主接地網(wǎng)干線的2倍，接地引下線較小的截面很難承受全部的短路電流，因此會出現(xiàn)被燒斷的現(xiàn)象，這也成為地網(wǎng)中的一個薄弱環(huán)節(jié)。因此，在變電站設(shè)計中，接地引下線截面不應(yīng)小于地網(wǎng)干線截面。

3.4 設(shè)備接地引下線的連接 在實際中，很多設(shè)備的接地引下線接到了電纜溝內(nèi)的扁鐵上，這將帶來很大的隱患。因為一旦發(fā)生短路故障，短路電流會通過僅有的幾個電纜溝扁鐵與主網(wǎng)連接的連接點流向主網(wǎng)，倘若故障點與主接地網(wǎng)干線連接點的距離較遠，則會導(dǎo)致故障點的電位被抬高，從而威脅二次回路構(gòu)成。除了要避免上述問題外，還要注意對大電流進行沿途分流，應(yīng)增加電纜溝內(nèi)的扁鐵與地網(wǎng)主網(wǎng)的連接點，并且保證溝內(nèi)電纜支架與接地網(wǎng)的可靠連接，避免電纜兩端出現(xiàn)高電位差。

3.5 涂層防腐 涂層對于接地網(wǎng)防腐蝕防護也有很好的效果。在涂料的選擇上，首先要具有良好的導(dǎo)電性，使主地網(wǎng)短路電流能夠順利通過地網(wǎng)安全導(dǎo)出。另外，還要注意涂料防腐性能必須優(yōu)良。在對主網(wǎng)的保護上，可以采用熱鍍鋅、熱鍍錫鋼做防腐處理。除此之外，可以通過涂刷瀝青等防腐涂料對引下線、電纜溝接地和地下部分的焊接頭進行防腐保護。對地網(wǎng)進行防腐蝕防護的另一種辦法，就是將涂層與陰極保護結(jié)合起來，其優(yōu)點就在于既減少了陰極保護的電能消耗，又彌補了保護層的不足，從而加強了防腐的效果。

4 小結(jié)

電力接地網(wǎng)的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運行，因此，接地網(wǎng)必須具有足夠的熱穩(wěn)定性來承受強大的接地電流，并且能夠保證長期抗耐土壤腐蝕。除此之外，要根據(jù)設(shè)計要求安排接地電阻，將地電位限制在允許范圍內(nèi)，并且保證接地網(wǎng)電位的均衡。選擇合適的接地材料以滿足這些接地網(wǎng)的要求，是確保防腐效果、增強可接地網(wǎng)靠性、延長接地網(wǎng)使用壽命的關(guān)鍵。

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