外加電流陰極保護技術(shù)在變電站接地網(wǎng)防腐中的應(yīng)用研究

劉 欣，張正華，裴 鋒，賈蕗路

（1.國網(wǎng)江西省電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國家電投江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

外加電流陰極保護是防腐領(lǐng)域最常用的技術(shù)之一，在石油、船舶、橋梁等行業(yè)已廣泛應(yīng)用，能夠搶在腐蝕發(fā)生之前杜絕隱患發(fā)生，充分證明了其有效性。但是，由于不同行業(yè)的專業(yè)關(guān)注點不同，外加電流陰極保護技術(shù)在國內(nèi)電網(wǎng)中的應(yīng)用較少。近年來，電網(wǎng)對材料防腐的要求日益提升，本文結(jié)合相關(guān)科研項目和示范工程，提出了此技術(shù)在變電站地網(wǎng)防腐中的應(yīng)用方法。

1 外加電流陰極保護防腐技術(shù)原理

接地網(wǎng)防腐的各種方法從根本上講都是防止或抑制Fe（扁鋼）失去電子。外加電流陰極保護防腐技術(shù)的原理如圖1所示。整個系統(tǒng)主要由外加直流電源、輔助陽極、參比電極和測試樁組成。接地網(wǎng)與直流電源的負極相連，輔助陽極與正極相連，形成電源-接地網(wǎng)-土壤-輔助陽極回路，從而向接地網(wǎng)供應(yīng)大量電子，使之陰極極化，抑制腐蝕的發(fā)生。參比電極和測試樁用來監(jiān)測陰保系統(tǒng)的運行參數(shù)。由于保護電流由外加電源驅(qū)動，所以只要電源的功率達標，就可以保護大面積的接地網(wǎng)，且僅需進行陽極和供電電纜的施工，適合變電站使用。

圖1 外加電流陰極保護原理

2 參考標準和適用范圍

2.1 參考標準

應(yīng)用外加電流陰極保護技術(shù)可參照以下標準執(zhí)行：Q/GDW1781-2013、DL/T5394-2007、DL 475-2006、DL/T621-1997、GB/T21246-2007、GB/T21448-2008、SY/T0036-2000、NACERP－0572－85、NACERP－0169－83。

2.2 技術(shù)適用范圍

根據(jù)DL/T 5394-2007、Q/GDW 1781-2013規(guī)定和建議，土壤的腐蝕性為強時，接地裝置防腐措施應(yīng)采用陰極保護方法；接地裝置面積較小時（如桿塔接地裝置）宜采用犧牲陽極陰極保護，接地裝置面積較大時（如變電站接地網(wǎng)）宜采用外加電流陰極保護。此外，變電站接地網(wǎng)外加電流陰極保護改造的造價與接地網(wǎng)整體重做的價格大體相當。因此，外加電流陰極保護技術(shù)適用于土壤腐蝕性強且接地網(wǎng)腐蝕速度過快的變電站。

2.3 變電站土壤腐蝕性評價方法

在電網(wǎng)生產(chǎn)工作中，運維人員可從接地網(wǎng)腐蝕情況和土壤腐蝕性評價結(jié)果兩個方面判斷變電站是否適合采用此技術(shù)。

接地網(wǎng)常年埋在地下，難以直接觀察其腐蝕情況?，F(xiàn)有的導通測試手段往往只能在接地網(wǎng)已發(fā)生斷裂的情況下發(fā)現(xiàn)問題。根據(jù)電化學腐蝕理論，接地引下線埋地部分是整個接地網(wǎng)最容易腐蝕的地方，可從一定程度上反映接地網(wǎng)的腐蝕趨勢。變電站運維人員在巡檢過程中，可重點查看接地引下線埋地部分的腐蝕情況，適當?shù)陌情_表層土壤對引下線進行檢查。若發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴重的情況，需結(jié)合引下線運行年限初步判斷其腐蝕速度，若運行年限較短就出現(xiàn)嚴重腐蝕甚至斷裂的情況，則應(yīng)取變電站土壤樣品進行土壤腐蝕性評價。土壤腐蝕性評價可按DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013、DL/T248-2012、SY/T0087.1-2006、SY/T 0087.3-2010進行。若發(fā)現(xiàn)土壤腐蝕性評級為強的變電站，且現(xiàn)場腐蝕情況嚴重，可考慮采用外加電流陰極保護技術(shù)對接地網(wǎng)進行防腐改造。

3 設(shè)計計算

3.1 資料收集和現(xiàn)場勘查

在變電站外加電流陰極保護設(shè)計工作開始之前，應(yīng)先進行資料收集和現(xiàn)場勘查工作。所需的資料包括但不限于變電站接地網(wǎng)設(shè)計圖紙、接地網(wǎng)材料規(guī)格和用量、變電站現(xiàn)有電纜溝分布情況等；現(xiàn)場勘查需確定變電站土壤電阻率、地面是否可挖電纜溝、變電站接地網(wǎng)外沿是否具有吊車施工的條件、控制室是否可安置陰保恒電位儀控制柜等。

3.2 工程設(shè)計計算

外加電流陰極保護系統(tǒng)主要由直流電源（恒電位儀）、輔助陽極、參比電極、監(jiān)控設(shè)備和電纜組成，其設(shè)計計算主要包括保護電流、恒電位儀選型、輔助陽極選型、輔助陽極接地電阻估算、輔助陽極井數(shù)量設(shè)計、輔助陽極井數(shù)量、輔助陽極壽命、外加電流方案、監(jiān)測方案設(shè)計等。

3.2.1 保護電流設(shè)計

保護電流即為外加電源供給接地網(wǎng)的直流電流，為使接地網(wǎng)得到充分的陰極保護，并指導設(shè)備和材料選型，首先要估算保護電流的大小。

依據(jù)DL/T 5394-2007，變電站接地網(wǎng)所需保護電流大小為：

其中：

i—保護電流密度，mA/m2（依據(jù)DL/T 5394-2007相關(guān)經(jīng)驗值，及現(xiàn)場試驗情況選取，此值選取有一定難度且非常關(guān)鍵，有時需根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果反復(fù)修正，建議咨詢有經(jīng)驗的設(shè)計單位）；

S—保護面積，m2（地網(wǎng)材料總表面積+裕量，注意此值非地網(wǎng)占地面積，而是根據(jù)設(shè)計圖紙和接地材料規(guī)格用量估算出的接地網(wǎng)材料總的外表面積）。

3.2.2 恒電位儀選型

依據(jù)計算得出的保護電流值，結(jié)合恒電位儀的最大輸出電流和最大輸出電壓，可進行恒電位儀選型。此外，恒電位儀宜置于變電站控制室，尺寸應(yīng)盡量接近原有控制柜的規(guī)格以方便安裝。常用的恒電位儀技術(shù)參數(shù)如下：輸入電源AC380/50 Hz；最大輸出電流DC50 A，最大輸出電壓60 V；保護電位-0.30～-3.00 V連續(xù)可調(diào)。當單臺恒電位儀功率難以滿足需求時，可購置多臺恒電位儀并聯(lián)使用。

3.2.3 輔助陽極選型

根據(jù)DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013的建議，輔助陽極應(yīng)采用性能穩(wěn)定、使用壽命長、消耗率低的成熟產(chǎn)品；對于腐蝕性較高的土壤區(qū)域，宜采用貴金屬氧化物陽極或含鉻高硅鑄鐵陽極。現(xiàn)市場上的陽極多為預(yù)組裝成套裝置，可根據(jù)后面的陽極接地電阻估算、陽極數(shù)量設(shè)計和陽極壽命估算情況綜合推敲后選用。

3.2.4 輔助陽極接地電阻估算

由于大多數(shù)變電站接地網(wǎng)的接地電阻值較低，因此陽極接地電阻是整個陰?；芈分凶钪匾慕M成部分，預(yù)估單口陽極井的接地電阻可指導陽極和恒電位儀的選型。依據(jù)DL/T 5394-2007垂直輔助陽極接地電阻公式，單口陽極井的接地電阻：

其中：

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，現(xiàn)場實測值，Ω·m；

L—陽極長度（含填料），m；

D——陽極直徑（含填料），m。

3.2.5 輔助陽極井數(shù)量設(shè)計

為盡量使陰保電流沿地網(wǎng)均勻分布，輔助陽極井應(yīng)沿變電站地網(wǎng)四周盡量均勻布置，因此為方便設(shè)計調(diào)整陽極井數(shù)量：

其中：

N—輔助陽極數(shù)量；

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

U—恒電位儀最大輸出電壓，由恒電位儀選型結(jié)果而定，V；

I—保護電流設(shè)計值，A；

R0——接地網(wǎng)接地電阻，實測值，Ω；

一般而言，陽極井數(shù)量在3～4口為宜，當上式計算結(jié)果不理想時，可調(diào)整輔助陽極或恒電位儀的選型，以得到理想的陽極井數(shù)量。

3.2.6 輔助陽極壽命計算

當?shù)鼐W(wǎng)得到充分保護時，扁鋼幾乎不會發(fā)生腐蝕，因此只需考慮輔助陽極的使用壽命即可較大程度的反映整個接地系統(tǒng)的壽命。根據(jù)DL/T 5394-2007中公式，陽極壽命：

其中：

T—陽極使用壽命，a；

G—陽極重量，kg；

K—陽極利用系數(shù)，取0.7～0.85；

g—陽極消耗率，商品參數(shù)或?qū)崪y值，kg/（A·a）；

IW——單陽極電流，保護電流分攤至單陽極，A。

3.2.7 外加電流方案設(shè)計

在司法實踐中，一些職務(wù)犯罪的被指控人聲稱在調(diào)查階段受到了各種非法強迫手段，逼取口供。監(jiān)察機關(guān)辦理的職務(wù)犯罪案件，被調(diào)查人處于留置狀態(tài)時，身處辦案場所，缺乏第三方參與，在實踐中不能排除受到各種手段逼供的可能性。根據(jù)《監(jiān)察法》的規(guī)定，對訊問等取證行為進行全程錄音錄像，這在客觀上使得調(diào)查人員在錄音錄像的情況下取證，可能會對取證行為進行自我約束，從而保障被調(diào)查人的權(quán)利。此外，錄制完成的錄音錄像保留了可能存在的非法取證行為的視聽資料，為被調(diào)查人日后權(quán)利救濟提供了證明。

當確定了恒電位儀、輔助陽極相關(guān)參數(shù)后，即可設(shè)計外加電流的方案，包括保護電流注入點、陽極井布置、電纜布置、恒電位儀安置等。保護電流應(yīng)盡量均勻的分布在地網(wǎng)上，并重點照顧一次設(shè)備區(qū)，一般應(yīng)設(shè)3～4個以上，并偏向一次設(shè)備區(qū)；陽極井應(yīng)盡量均勻的分布在地網(wǎng)外沿，同時應(yīng)盡量安置在地下水位較高或潮濕低洼處，且應(yīng)確保地下無巨石及人工構(gòu)筑物、地上可進行吊車施工；電纜應(yīng)盡量利用變電站原有電纜溝布置，新開挖的電纜溝不應(yīng)影響電網(wǎng)安全運行；恒電位儀宜安裝在控制室內(nèi)。

3.2.8 監(jiān)測方案設(shè)計

變電站外加電流陰極保護監(jiān)測一般由測試樁和參比電極組成，有條件時可設(shè)置遠程無線監(jiān)測裝置。測試樁和參比電極的設(shè)置數(shù)量一般不應(yīng)少于3個，一般安裝于電流注入點附近、陽極中間點附近、重點保護區(qū)域等。參比電極可選用Cu/CuSO4電極或極化探頭，測試樁應(yīng)具有測量保護電位、自然電位、保護電流等參數(shù)的功能，同時為恒電位儀提供控制信號。此外，有條件時可埋設(shè)腐蝕試片對陰保效果進行驗證，腐蝕試片材料應(yīng)與接地網(wǎng)材料相同，試片應(yīng)分兩組，一組與受陰極保護，一組為自然腐蝕狀態(tài)不受保護，定期開挖對比。

4 工程施工

4.1 工程概況

變電站外加電流陰極保護工程建設(shè)包括陽極深井鉆建和陽極吊裝、恒電位儀安裝、測試樁和參比電極安裝、電流注入點施工、配套電纜鋪設(shè)等。整個施工過程不停電，不妨礙電網(wǎng)和現(xiàn)有設(shè)備正常運行。施工應(yīng)嚴格按照事先確定的施工方案進行，施工人員需經(jīng)過安全培訓才可上崗，施工時須有電力公司負責人在場并執(zhí)行相關(guān)規(guī)章制度。

4.2 施工步驟

4.2.1 輔助陽極井鉆建和陽極吊裝

陽極井鉆建施工量占整個工程施工量的大半以上。具體步驟如下：

1）地上、地下障礙物都處理完畢，達到“三通一平”，施工用臨時設(shè)施準備就緒；

2）按照施工圖中選定的井位，現(xiàn)場復(fù)查確定后人工開挖1米深坑，確定無地下結(jié)構(gòu)物、管道、電纜后定位開挖；

3）鉆孔機就位：利用吊車安裝好鉆孔機和井架，確保不發(fā)生傾斜、位移。

4）鉆孔：調(diào)整機架挺桿，對好樁位（用對位圈）開動機器鉆進、出土，達到控制深度后停鉆，提鉆。

5）檢查成孔質(zhì)量：①鉆探測定：用測深繩或手提燈測量孔深及虛土厚度，虛土厚度不超過10 cm。②孔徑控制：鉆進遇到有含石塊較多的土層，或含水量較大的軟、塑粘土層時，必須防止鉆桿晃動引起孔徑擴大，致使孔壁附著擾動土和孔底增加回落土。

6）井孔土清理：鉆到預(yù)定的深度后，必需在孔底處進行空轉(zhuǎn)清土，然后停止轉(zhuǎn)動；提鉆桿，不得曲轉(zhuǎn)鉆桿。

7）吊裝陽極體：①將規(guī)定量的填料倒入井內(nèi)作為基底。②將陽極體的電纜打開，吊起第一根陽極體。③吊放陽極體時，要對準孔位吊直扶穩(wěn)，緩慢下沉，避免碰撞孔壁。④第一根陽極體上端到達井口時，利用懸架固定好，把第一根陽極體的電纜線穿入第二根陽極體中心的PVC管中，起吊第二根陽極體對兩根陽極體進行垂直焊接，焊接必須結(jié)實焊縫必須平整。⑤當所有陽極體均安上述步驟焊接完成后，將所有電纜穿入外連PVC管中，并把PVC管和陽極體用二通連接牢靠。⑥邊吊放陽極體，邊加長外連PVC管，直至陽極體放到設(shè)計位置，立即固定，確保陽極體的位置正確。⑦用填料將陽極井回填至地平面下約50 cm。

8）移鉆機到下一井位：填好井位施工記錄，拆除鉆架，移走鉆機到下一井位。

9）用水泥和預(yù)制PVC框架將井口制成檢查井，并蓋好面板

4.2.2 恒電位儀安裝

恒電位儀系統(tǒng)宜置于變電站主控室中，安裝步驟如下：開箱就位、單機檢查；按產(chǎn)品說明書接線，進行外線電氣安裝和陰極保護系統(tǒng)調(diào)試；調(diào)試應(yīng)嚴格按照產(chǎn)品說明書進行，注意用電安全；設(shè)備內(nèi)接線應(yīng)做好標識牌，以備后期檢修。

4.2.3 測試樁和參比電極安裝

測試樁安裝位置不的妨礙其他設(shè)備工作，與道路、設(shè)備、建筑物保持一定距離。測試樁地下埋設(shè)深度不小于0.5 m，安裝完成后夯實。測試樁內(nèi)接線應(yīng)規(guī)整，且留好各參數(shù)的測試頭，各電纜和測試頭應(yīng)有醒目標識。與測試樁配合工作的參比電極應(yīng)盡量接近扁鋼埋設(shè)。

4.2.4 電纜鋪設(shè)

工程所需電纜鋪設(shè)盡量利用變電站原有橋架和電纜溝，無法利用時則采取直埋鋪設(shè)，電纜直埋時均采取穿管保護措施。所有電纜在關(guān)鍵位置均配置標識牌，電纜需排列整齊并留有裕量，防止發(fā)生應(yīng)力破損。

5 工程驗收和運維

5.1 工程驗收

當外加電流陰極保護工程竣工后，應(yīng)至少進行連續(xù)168 h時的通電試驗，并記錄所有參比電極的保護電位和恒電位儀的輸出電流、輸出電壓讀數(shù)，合格后方可進行現(xiàn)場驗收。

驗收時應(yīng)具備以下資料：

1）體現(xiàn)設(shè)計要求的設(shè)計文件及設(shè)計變更通知書；

2）所用材料、設(shè)備及儀器的產(chǎn)地和材質(zhì)證明書；

3）含有氣候狀況的施工記錄；

4）外加電流陰極保護的調(diào)試記錄和調(diào)試報告。

現(xiàn)場驗收時，需測量陰保系統(tǒng)保護電流、恒電位儀輸出電壓和電流、陽極接地電阻、保護電位、極化電位、接地網(wǎng)接地電阻、遠程監(jiān)控系統(tǒng)（如有）等運行參數(shù)，并與設(shè)計值比對。恒電位儀不應(yīng)有超負荷運行情況出現(xiàn)，且輸出穩(wěn)定可靠，陰保系統(tǒng)有效性可按下文確認。

根據(jù) Q/GDW 1781-2013、GB/T 21448-2008和DL/T 5394-2007，外加電流陰極保護系統(tǒng)的有效性用以下判據(jù)進行評判（達到以下指標之一即可）：

1）保護電位：施加陰極保護電流時，接地網(wǎng)對參比電極（極化探頭）電位不高于-850 mV；

2）極化電位：陰極保護極化形成或衰減過程中，接地網(wǎng)對參比電極（極化探頭）電位變化值不小于100 mV。

5.2 外加電流陰極保護系統(tǒng)運維

工程驗收后，應(yīng)建立變電站接地網(wǎng)外加電流陰極保護系統(tǒng)維護檔案，包括：

1）接地裝置的設(shè)計、施工資料，包括竣工日期和竣工圖紙；

2）陰極保護的設(shè)計、施工資料和竣工圖紙；

3）巡檢記錄，應(yīng)包括工程名稱、檢查方式、日期、環(huán)境條件、發(fā)現(xiàn)異常的部位和程度、處理建議等；

4）陰極保護系統(tǒng)維修的設(shè)計和施工方案、施工記錄和驗收結(jié)論。

外加電流陰極保護系統(tǒng)自投運之日起，應(yīng)每周測量一次保護電位、極化電位、恒電位儀輸出電壓和電流；當數(shù)值穩(wěn)定后，改為半年測試一次。當保護電位不滿足要求時，應(yīng)及時調(diào)整恒電位儀輸出參數(shù)，并于一周后復(fù)測。

6 總結(jié)和建議

外加電流陰極保護技術(shù)適用于土壤腐蝕性強且接地網(wǎng)腐蝕速度過快的變電站接地網(wǎng)防腐，其施工量小、地網(wǎng)防腐效果卓越，能夠搶在腐蝕發(fā)生之前杜絕隱患發(fā)生，有著廣泛的應(yīng)用前景。

變電站運維人員在日常巡檢工作中，應(yīng)關(guān)注接地網(wǎng)特別是接地引下線的腐蝕情況，若發(fā)現(xiàn)運行年限較短就出現(xiàn)嚴重腐蝕甚至斷裂的情況，則應(yīng)取土樣對其進行腐蝕性評價。若發(fā)現(xiàn)土壤腐蝕性評級為強的變電站，且現(xiàn)場腐蝕情況嚴重，可考慮采用外加電流陰極保護技術(shù)對接地網(wǎng)進行防腐改造。

在利用此技術(shù)對變電站接地網(wǎng)改造的過程中，應(yīng)特別注重前期的科學設(shè)計，防止因設(shè)計不周導致保護效果不足；施工過程應(yīng)做好全過程控制，防止出現(xiàn)生產(chǎn)事故；竣工后嚴格驗收并定期檢測，確保陰保系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，保護效果達到標準要求。

[1]Q/GDW1781-2013交流電力工程接地防腐技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DL/T5394-2007電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導則[S].

[3]DL 475-2006接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導則[S].

[4]DL/T621-1997交流電氣裝置的接地[S].

[5]GB/T 21246-2007埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測試方法[S].

[6]GB/T 21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].

[7]SY/T 0036-2000埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范[S].

[8]NACE RP－0572－85外加電流深井陽極地床的設(shè)計、安裝、操作和維護[S].

[9]NACERP－0169－83埋地或浸水金屬管道外部腐蝕控制[S].