電力工程接地網(wǎng)設(shè)計選型分析

蘇興鋒

【摘 要】隨著用電量不斷增加，電力工程也成為人們關(guān)注的重要方面。但是從電力工程現(xiàn)狀來看，依然存在各種技術(shù)問題影響正常供電，給人們工作、生活造成一定影響。本文結(jié)合某電廠的現(xiàn)場實際情況，分析了土壤腐蝕的機理及防止接地網(wǎng)腐蝕的各種措施，并對增加金屬厚度和犧牲陽極的陰極保護兩種防止腐蝕的方法進行了技術(shù)經(jīng)濟選型分析。

【關(guān)鍵詞】接地網(wǎng) 犧牲陽極 陰極保護

1 概述

電力工程接地網(wǎng)是用于工作接地、防雷接地、保護接地的重要設(shè)施，是確保人身、設(shè)備、系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)事故出現(xiàn)時，如接地網(wǎng)有缺陷，短路電流無法在土壤中充分?jǐn)U散，導(dǎo)致接地網(wǎng)電位升高，使接地的設(shè)備金屬外殼帶高電壓而危及人身安全和擊穿二次保護裝置絕緣，甚至破壞設(shè)備，擴大事故，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定。實際應(yīng)用中，鐵質(zhì)接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致接地線截面減小、熱穩(wěn)定性不夠、接地電阻增大。因而必須采取一定的措施防止接地網(wǎng)的腐蝕。

2 腐蝕機理

腐蝕是指金屬與環(huán)境間的物理—化學(xué)的相互作用，由此造成金屬性能的改變，導(dǎo)致金屬、環(huán)境或由其構(gòu)成的一部分技術(shù)體系功能的損壞。以腐蝕的機理來劃分，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指金屬和非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的金屬損耗。電化學(xué)腐蝕是指金屬和電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的金屬損耗。在電化學(xué)腐蝕過程中，同時存在著兩個相互獨立的反應(yīng)過程，陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，并有電流產(chǎn)生，如鋼鐵在水溶液中的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是最普遍的腐蝕現(xiàn)象。

2.1 土壤腐蝕機理

從外觀上看，金屬的材質(zhì)是均一的，但是，當(dāng)它浸入電解質(zhì)中時，由于不同材料或金屬材料本身組織結(jié)構(gòu)及表面物理狀態(tài)的不均勻性，在金屬表面上形成許多宏觀的或微觀的陽極區(qū)和陰極區(qū)，陰、陽極之間通過介質(zhì)產(chǎn)生微電流。電子從陽極區(qū)向陰極區(qū)移動，陽極區(qū)金屬失去電子，一部分金屬就會成為離子溶于電解質(zhì)中，使得陽極區(qū)金屬受到腐蝕。根據(jù)這一機理，以鋼為例，鐵離子在電解質(zhì)中的流動形成電流，電流的方向與電子移動的方向相反，進而鐵離子與水中的氫氧根離子OH-反應(yīng)生成氫氧化亞鐵Fe（OH）2，而后又變成沉積在鋼表面的氫氧化鐵Fe（OH）3，形成銹層。

2.2 影響土壤腐蝕性的因素

由于土壤是由固、氣、液三相構(gòu)成的不均一多相體系，較之水介質(zhì)的腐蝕要復(fù)雜，因此任何能夠影響土壤理化性能的因素都能左右土壤的腐蝕性。土壤的腐蝕性是由其物理、化學(xué)特性所決定的。影響土壤腐蝕性的因素很多，包括土壤的電阻率、pH值、氧化還原電位、含水量、含鹽量及鹽的種類、土壤溫度、土壤質(zhì)地，透氣性等。由于土壤電阻率直接受到土壤質(zhì)地、松緊度、含水量、含鹽量、有機質(zhì)等性質(zhì)的影響，是土壤導(dǎo)電能力的綜合表征。因此在實際中常常用土壤電阻率作為土壤腐蝕性的評價指標(biāo)。

3 防止接地裝置腐蝕的措施

3.1 增加金屬厚度

目前國內(nèi)的接地裝置設(shè)計中，一般都采用鍍鋅和加大接地導(dǎo)體的截面及厚度來延長接地導(dǎo)體的使用壽命。

（1）涂覆層是防止地下金屬結(jié)構(gòu)腐蝕最為常用的手段之一。但并不能完全有效地解決金屬的腐蝕問題。這是因為涂層，總是不可避免地存在漏涂、針孔、破損等可能，腐蝕將會集中在這樣一些微小區(qū)域，導(dǎo)致金屬腐蝕穿孔。此外，涂層具有老化問題，難以保證在發(fā)電廠壽命期內(nèi)一直起到保護作用。金屬涂覆層有良好的電導(dǎo)性，可用作鋼接地網(wǎng)的防護層，鍍鋅層最為常用的，它不但起隔離層作用，而且起犧牲陽極保護作用。但鍍鋅層在強腐蝕性土壤中很快就會因腐蝕而消耗掉，壽命極短，尤其是當(dāng)鍍鋅層較薄或存在缺陷時更是如此。因此，在強腐蝕性土壤介質(zhì)中，鋼接地網(wǎng)僅靠鍍鋅層來保護是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，很難獲得長期有效的保護效果。（2）加大導(dǎo)體截面不但增加了鋼材的消耗量，增加了工程投資，而且給接地體的焊接和彎、折等施工帶來了很大的困難。

3.2 采用銅接地網(wǎng)

采用裸銅絞線作為接地材料，是一種抗腐蝕的方法。由于銅材料價格高，幾乎是鋼材的兩倍。另一方面電廠內(nèi)許多設(shè)備的外殼，構(gòu)架和埋管都是選用鋼材，特別是循環(huán)水管采用鋼管時更應(yīng)要慎重考慮，銅本身會加速腐蝕與其接觸或在鄰近的其他金屬如鋼材、鋼管等，對鋼質(zhì)循環(huán)水管的防腐蝕帶來了困難。

3.3 陰極保護

（1）陰極保護原理；陰極保護是對被保護金屬結(jié)構(gòu)通以陰極電流，使之陰極極化，從而消除電化學(xué)腐蝕的一種方法。如上所述，在電解質(zhì)中金屬的腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，因此，如能阻止這一電化學(xué)反應(yīng)就可以抑制金屬的電化學(xué)腐蝕。在電解質(zhì)中對被保護金屬進行陰極極化，當(dāng)陰極電流通過鋼表面時，大部分電流優(yōu)先流到陰極區(qū)，從而降低了原有的電位，使之陰極極化。隨著電流的增大，鋼表面陰極區(qū)的負(fù)極化也增大，當(dāng)極化到陰極區(qū)和陽極區(qū)的電位差為零時，腐蝕電流消失，因而抑制了腐蝕過程，達(dá)到了保護的目的。（2）陰極保護的種類及特點；所謂陰極保護就是向被保護金屬通以一定的直流電，使被保護金屬變成陰極而得到保護。根據(jù)所提供電流方法的不同，陰極保護分為外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是用外加可調(diào)直流電源供電，電源的正極接輔助陽極，負(fù)極接被保護的金屬。其優(yōu)點在于輸出雜散電流保護管道，保護范圍大，不受環(huán)境電阻率影響，保護裝置壽命長；缺點在于需要外部電源，對鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大，維護管理工作量大。犧牲陽極法是用一種電位比所要保護的金屬還要負(fù)的金屬或合金與被保護的金屬連接在一起，依靠電位比較負(fù)的金屬不斷地腐蝕溶解所產(chǎn)生的電流來保護其它金屬的方法。其優(yōu)點在于不需要外加電源，對鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小，投產(chǎn)調(diào)試后可不需管理，保護電流分布均勻、利用率高；缺點在于高電阻率環(huán)境不宜使用，保護電流幾乎不可調(diào)，覆蓋層質(zhì)量必須好，消耗有色金屬。

4 陰極保護及增加金屬厚度的比較

某電廠土壤平均電阻率25Ω？m，PH值為6.3，土壤腐蝕性屬于中等偏強，不考慮采用銅接地網(wǎng)。因為采用銅接地網(wǎng)投資比采用陰極保護高30%左右，而且銅本身可能加速腐蝕與其接觸或在鄰近的其他金屬，如鋼材、鋼管等。對增加金屬厚度和采用犧牲陽極陰極保護兩種方式進行比較。

4.1 增加金屬厚度

根據(jù)《水電工程設(shè)計手冊》中的腐蝕速度估計式和接地線和接地土壤電阻率與腐蝕性的關(guān)系表，當(dāng)土壤電阻率為25Ω？m時，腐蝕率按0.244mm/a考慮，使用壽命按30年考慮。設(shè)計電廠的計算結(jié)果為500kV系統(tǒng)采用70×11熱鍍鋅扁鋼和角鋼∠63×63×10。

4.2 犧牲陽極陰極保護

因為犧牲陽極陰極保護適合于保護鋼接地系統(tǒng)，用銅材做接地系統(tǒng)時，應(yīng)對工程的地下金屬結(jié)構(gòu)物實施統(tǒng)一的陰極保護措施，此時推薦用外加電流法。且犧牲陽極法雖然一次性投資較大，但是運行維護工作量小。外加電流法一次性投資較小，但運行維護工作量較大，運行時需要用電，后期投入較大。所以，本工程如采用陰極保護，推薦采用犧牲陽極法。土壤電阻率為25Ω？m，所以宜采用MUG-2鎂犧牲陽極。陽極規(guī)格尺寸為700×（100+110） ×105mm。陽極與接地網(wǎng)相同深度，與接地網(wǎng)平行，水平埋設(shè)。設(shè)計使用年限按25年考慮（自然腐蝕5年）。保護電流密度i = 18 mA。單只陽極發(fā)生電流可按下式計算：

式中： If 為單只陽極發(fā)生電流量；ΔE為陽極驅(qū)動電壓0.65V；R為陽極接地電阻。

陽極接地電阻R可按下式計算：

式中：L為陽極長度，0.7 m；D為填料層直徑0.25 m；d為陽極等效直徑0.134 m；ρ為土壤電阻率25 Ω？m；ρ1為填料電阻率1.0 Ω？m；t為從地面至陽極中心的埋深0.8m。經(jīng)計算：R =5.235Ω，If = 0.124 A。地網(wǎng)保護電流如下：

全廠埋地接地網(wǎng)，水平接地體材料為熱鍍鋅扁鋼，規(guī)格為50×6mm（考慮5年的自然腐蝕），垂直接地體為熱鍍鋅角鋼∠40×40×5mm。

所需陽極數(shù)量

式中，N為所需陽極數(shù)量；f為備用系數(shù)，取2～3倍；I為所需保護電流；If為單支陽極輸出電流。

經(jīng)計算：1020

取N=1100。

陽極工作壽命

式中。T為陽極工作壽命（a）；W為陽極凈質(zhì)量15400kg；ω為陽極消耗率[kg/（A？a）]，鎂陽極7.96kg/（A？a）；I為陽極平均輸出電流63.36A。

經(jīng)計算，T=25.95>25（a）

滿足要求。

5 結(jié)語

該發(fā)電廠接地裝置在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，增加金屬厚度和犧牲陽極陰極保護均能夠有效的防止其腐蝕。犧牲陽極方案水平接地體采用50×6的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用∠40×40×5熱鍍鋅角鋼，增加金屬厚度方案水平接地體采用70×11熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用∠63×63×10熱鍍鋅角鋼。雖然增加金屬厚度投資費用少，但由于接地材料截面的增加給施工帶來了一定的困難。綜合考慮，該工程的接地網(wǎng)采用犧牲陽極陰極保護的方案更好。

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