不同腐蝕性下電力接地材料的選擇

李 博，陳國(guó)龍，盧 毅，高 靖，呂忠華

（1.營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；3.國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

不同腐蝕性下電力接地材料的選擇

李 博1，陳國(guó)龍2，盧 毅3，高 靖2，呂忠華2

（1.營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；3.國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

為合理經(jīng)濟(jì)地選擇電力系統(tǒng)接地材料，必須研究土壤、地下水對(duì)不同種類金屬的腐蝕性。文中系統(tǒng)地分析前人的研究成果，明晰不同酸堿性下金屬材料選擇規(guī)律。依據(jù)國(guó)家已有的規(guī)范，按照地勘報(bào)告提供的土壤、地下水的pH值、鹽化物離子濃度等參數(shù)，判斷出接地網(wǎng)所處位置的腐蝕性，合理選擇接地材料，提高了工程設(shè)計(jì)過程中接地材料選擇的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

金屬腐蝕；接地網(wǎng)；土壤

1 接地材料選擇概述

接地裝置在電力系統(tǒng)中具有重要的保護(hù)作用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路、遭受雷擊時(shí)，通過接地網(wǎng)提供電流安全泄漏通道，能夠?qū)⒍搪?、雷擊電流及時(shí)導(dǎo)入大地，使事故處的過電壓控制在規(guī)程允許范圍內(nèi)，確保人身安全、設(shè)備正常運(yùn)行。

電力系統(tǒng)接地裝置主要指變電站、輸電桿塔敷設(shè)在地面0.8 m及以下的接地網(wǎng)及設(shè)備引上線，接地網(wǎng)分為以水平接地帶為主的水平地網(wǎng)和垂直接地極為主的垂直地網(wǎng)，以及二者聯(lián)合使用的復(fù)合接地網(wǎng)。

電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)常規(guī)采用金屬材料，主要用鋼和銅。由于敷設(shè)于地下土壤中，因此會(huì)受到腐蝕，必須考慮所使用金屬接地材料的正常使用壽命周期。不同的金屬材料在同一種環(huán)境下受腐蝕的影響程度不一樣，同一種金屬材料不同截面尺寸使用壽命周期也不一樣，鋼的造價(jià)要遠(yuǎn)低于銅。選擇接地材料時(shí)，要根據(jù)使用環(huán)境對(duì)不同金屬的腐蝕性加以選擇，以達(dá)到盡量選擇造價(jià)低的材料，減少接地材料使用量，延長(zhǎng)地網(wǎng)使用壽命的目的。

2 金屬受腐蝕的相關(guān)研究

金屬埋于土壤中，土壤中發(fā)生的化學(xué)腐蝕非常復(fù)雜，土壤是由氣、液、固3種成分組成的復(fù)雜體系，土壤的含氣量、含水量、鹽分等因素都對(duì)土壤的腐蝕性有影響，影響因素互相交叉作用，隨著時(shí)間的變化，這些因素相互之間的作用也發(fā)生變化。

金屬在土壤介質(zhì)中主要受到電化學(xué)腐蝕，鹽類水解后形成電解質(zhì)溶液，金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生原電池反應(yīng)而導(dǎo)致腐蝕，土壤中含有Cl－、、、O2等，都會(huì)對(duì)金屬材料造成腐蝕，土壤中的鐵會(huì)與、O2反應(yīng)生成Fe2O3、FeSO4，銅會(huì)與Cl－、、O2反應(yīng)生成CuCl2、Cu2O、CuSO4，并且多種生成物成分并存。土壤中地下水含水層，對(duì)金屬的腐蝕性與地下水的pH值，Cl－、濃度密切相關(guān)，尤其在土壤與地下水位交界的位置，腐蝕更加嚴(yán)重。

聶新輝等測(cè)試不同水土比制成的土壤溶液［1］，結(jié)果表明按1∶1制成的土壤溶液最能保持土壤特性，酸性土壤中，銅質(zhì)接地材料的耐腐蝕性不如鋼。鄭敏聰?shù)戎赋鏊嵝酝寥乐秀~的耐腐蝕性幾乎降低至與鋼材相當(dāng)?shù)乃剑?］。楊明等研究指出堿性土壤對(duì)鍍鋅層呈高腐蝕性［3］，對(duì)鋼不具有保護(hù)性，在堿性土壤中，銅的耐腐蝕性明顯好于鍍鋅鋼。龔曉明等研究表明土壤配置液對(duì)鋼、銅兩種金屬的腐蝕性與pH值之間有直接關(guān)系［4］，弱酸土壤配置液對(duì)銅、鋼2種材料的腐蝕性明顯強(qiáng)于弱堿土壤配置液。

前人的研究成果表明，無(wú)論是酸性還是堿性土壤都對(duì)銅、鋼有腐蝕性，在酸性土壤中銅的耐腐蝕性不如鐵，在堿性土壤中銅的耐腐蝕性明顯好于鋼。鋼接地體接頭和本身腐蝕過程會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，點(diǎn)腐蝕的速度是均勻腐蝕速度的4～60倍［5］，銅不存在點(diǎn)蝕。

采用傳統(tǒng)接地材料（如角鋼、扁鋼），單位材料的價(jià)格便宜，使用年限短，維護(hù)和改造頻繁。銅材料價(jià)格較高，使用年限長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合比較選擇材料，以獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案［6］。

3 工程設(shè)計(jì)面臨的問題

3.1 規(guī)范支撐問題

土壤的腐蝕性與氣、液、固態(tài)腐蝕介質(zhì)的濃度有直接關(guān)系，接地網(wǎng)埋于地下，因此必須考慮固態(tài)（土壤）介質(zhì)、液態(tài)（地下水）介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕。目前在工程設(shè)計(jì)階段，土壤對(duì)金屬的腐蝕性判斷，有《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［7］、《巖土工程勘察規(guī)范》［8］相關(guān)條款可供執(zhí)行?！稁r土工程勘察規(guī)范》規(guī)定腐蝕性分為強(qiáng)腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕、微腐蝕4個(gè)等級(jí)。2種規(guī)范中前一種明確了地下對(duì)鋼材腐蝕性判斷標(biāo)準(zhǔn)，后一種明確了土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性判斷標(biāo)準(zhǔn)。如何按照Cl－、離子濃度含量、pH值判斷土壤、地下水對(duì)鋼材的腐蝕性，2種規(guī)范給出了部分pH值范圍內(nèi)對(duì)鋼的腐蝕性，不足之處在于：側(cè)重于酸性條件下土壤、水對(duì)鋼材的腐蝕性判斷，對(duì)堿性條件腐蝕性論述不足或無(wú)論述；都缺少土壤、水對(duì)銅的腐蝕性判斷標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)目前缺少土壤、水對(duì)銅腐蝕性的相關(guān)規(guī)程，判定對(duì)銅腐蝕性只能參考前人相關(guān)研究成果。

3.2 地勘報(bào)告問題

電力工程設(shè)計(jì)過程中，初步設(shè)計(jì)階段，需要明確接地材料選擇。目前判定土壤對(duì)金屬的腐蝕性可依據(jù)的地質(zhì)支撐文件來(lái)源于巖土工程勘察報(bào)告（簡(jiǎn)稱地勘報(bào)告）。事實(shí)上，絕大多數(shù)的地勘報(bào)告?zhèn)戎赜诮Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的需要，主要提供工程力學(xué)方面的數(shù)據(jù)，涉及到土壤腐蝕性的數(shù)據(jù)不全面。存在以下問題：普遍沒有分層土壤的腐蝕性數(shù)據(jù)；簡(jiǎn)單地將勘察深度無(wú)地下水認(rèn)定為土壤對(duì)鋼無(wú)腐蝕；有地下水，僅給出地下水對(duì)金屬的腐蝕性；有的報(bào)告提供Cl－、離子濃度，有的不提供；地勘報(bào)告論述的腐蝕性更多的是基于對(duì)鋼材的腐蝕性，普遍缺少土壤對(duì)銅的腐蝕性數(shù)據(jù)。

4 接地材料選擇方法步驟

4.1 材料選擇原則

選擇接地網(wǎng)材料的，首先要借助規(guī)范中土壤、地下水腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)土壤對(duì)鋼的腐蝕性時(shí)，按《巖土工程勘察規(guī)范》中“表12.2.5”規(guī)定執(zhí)行，如表1所示。

表1 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)地下水對(duì)鋼材的腐蝕性時(shí)，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中“表L.0.4”規(guī)定執(zhí)行，如表2所示。

表2 地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)

確定腐蝕性時(shí)，如果整個(gè)地網(wǎng)處于地下水位以上時(shí)，應(yīng)按土的腐蝕性選擇；如果地網(wǎng)處于地下水位以下時(shí)，應(yīng)按地下水的腐蝕性選擇；如果地網(wǎng)部分處于水位以上，部分處于水位以下，應(yīng)分別考慮地下水、土的腐蝕性，按兩者之間最嚴(yán)重的腐蝕性進(jìn)行選擇。

4.2 材料選擇方法

4.2.1 對(duì)地勘報(bào)告的要求

各設(shè)計(jì)單位在自己或委托做巖土勘測(cè)時(shí)，地勘報(bào)告中需要增加地網(wǎng)埋置層土壤的pH值，地下水的pH值、離子濃度等數(shù)據(jù)。

4.2.2 腐蝕性等級(jí)判斷

目前巖土工程地勘鉆探范圍包括從地面開始往下的4個(gè)土層，深度根據(jù)需要確定。電力系統(tǒng)變電站一般采用水平接地網(wǎng)為主、垂直接地網(wǎng)為輔的復(fù)合接地網(wǎng)，埋于0.8 m深，接地極長(zhǎng)2.5 m。首先判斷地面下接地極埋深處（地面下3.3 m左右）有無(wú)地下水，如果整個(gè)接地網(wǎng)所處區(qū)域含水量小于3%，則可以認(rèn)為是干燥土層，可認(rèn)為是微腐蝕性。接地網(wǎng)在地下水以下，在地下水以上，部分在地下水以上、部分在地下水下可相應(yīng)的依據(jù)pH值、離子含量，參照4.1判斷出土壤、地下水對(duì)鋼的腐蝕性等級(jí)。

4.2.3 材料選擇過程

通過對(duì)前人研究成果的總結(jié)，結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、《巖土工程勘察規(guī)范》，在接地材料選擇過程中建議按照以下幾個(gè)主要原則。

接地網(wǎng)位于地下水位以上時(shí)，按照土壤腐蝕性考慮，當(dāng)pH≈7時(shí)，微腐蝕性可按無(wú)腐蝕性考慮，選擇銅、鋼做接地材料皆可，從節(jié)省造價(jià)和材料使用年限角度考慮，戶外變電站建議選擇鋼，全戶內(nèi)變電站建議選擇銅；當(dāng)土壤呈酸性，5.5＜pH＜7時(shí)，對(duì)鋼材為微腐蝕性，4.5＜pH＜5.5時(shí)，對(duì)鋼材為弱腐蝕性，此時(shí)可以建議接地材料考慮采用鋼，當(dāng)pH＜4.5時(shí)，對(duì)鋼材為中、強(qiáng)腐蝕性，建議在接地材料選擇鋼的同時(shí)，考慮采用埋置陰極金屬補(bǔ)償?shù)却胧┙档徒拥鼐W(wǎng)材料的腐蝕；pH＞7時(shí)，土壤呈堿性，建議選擇銅作為接地材料。

接地網(wǎng)位于地下水位以下時(shí)，按照地下水腐蝕性考慮，地下水pH為3～11、（Cl－＋）濃度＜500 mg／L，對(duì)鋼材為弱腐蝕性，建議選擇鋼；當(dāng)3＜pH＜7、（Cl－＋）濃度≥500 mg／L時(shí)，對(duì)鋼材為中腐蝕性，建議接地材料采用鋼，當(dāng)7＜pH＜11時(shí)，建議接地材料采用銅，考慮采用埋置陰極金屬補(bǔ)償?shù)却胧┙档徒拥鼐W(wǎng)材料的腐蝕；當(dāng)?shù)叵滤畃H＜3時(shí)，建議采用鋼，并考慮采用埋置陰極金屬補(bǔ)償?shù)却胧┙档徒拥鼐W(wǎng)材料的腐蝕。

接地網(wǎng)部分位于地下水位以上、部分位于地下水位以下時(shí)，分別按照土壤、地下水判斷出對(duì)鋼的腐蝕性，并取最嚴(yán)重作為整體的腐蝕性，參照上述2方面論述過程選擇接地材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

土壤、地下水對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕是非常復(fù)雜的，腐蝕成因難以盡述。進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)更要加強(qiáng)土壤、地下水對(duì)金屬腐蝕方面的考察工作。金屬鋼的選擇可以參考規(guī)范的要求，金屬銅的選擇更多是根據(jù)前人的實(shí)踐成果。因此要認(rèn)真掌握規(guī)范對(duì)腐蝕性的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)地勘報(bào)告中關(guān)于土壤、地下水腐蝕性的深度要求。在具體選擇接地材料時(shí)，大致遵照土壤、地下水pH值呈中性情況下，即腐蝕性評(píng)價(jià)為微腐蝕時(shí)，選擇銅、鋼做接地材料皆可；偏酸性土壤，傾向于選擇鋼；偏堿性土壤，傾向于選擇銅。

［1］ 聶新輝，鄭敏聰，李建華.銅質(zhì)接地網(wǎng)材料電化學(xué)腐蝕行為［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33（9）：7－21.

［2］ 鄭敏聰，陳自年，李建華.大型變電站接地裝置腐蝕規(guī)律及防腐［J］.華東電力，2009，37（9）：1 463－1 467.

［3］ 楊 明，程 好.鹽堿環(huán)境中變電站接地體材料的腐蝕行為研究［J］.江蘇電機(jī)工程，2013，32（6）：130－150.

［4］ 龔曉明，葛紅花，劉 蕊，等.碳鋼和純銅在試驗(yàn)土壤中的腐蝕研究［J］.上海電力學(xué)院報(bào)，2009，25（6）：125－129.

［5］ 王東燁，王 勇，譚立佐.鍍銅接地網(wǎng)與鋼、銅接地網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［J］.東北電力技術(shù)，2011，32（1）：18－20.

［6］ 張春華，王雪梅.220 kV變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（5）：38－40.

［7］ 巖土工程勘察規(guī)范：GB50021—2001［S］.

［8］ 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487—2008［S］.

Choice of Earth Material under Different Corrosive Conditions

LI Bo1，CHEN Guo?long2，LU Yi3，GAO Jing2，Lü Zhong?hua2
（1.Yingkou Vocational and Technical College，Yingkou，Liaoning 115000，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；3.State Grid Yingkou Power Supply Company，Yingkou，Liaoning 115000，China）

In order to realize the reasonable and economical choice of earth materials in electric power system，this paper researches the corrosion of different metals.The research results analyses the selection rules of metal materials under different acid and alkaline conditions.On the basis of the existing national standard，the earth grid in the position of the corrosion grade are judged by the geolog?ical exploration report，groundwater pH and salt ion concentration parameter.According to the reasonable choice of earth material，the reliability and economy of earth material selection in engineering design process are improved.

Metallic corrosion；Earth?electrode network；Soil

TM862

A

1004－7913（2016）01－0044－03

李 博（1977—），女，碩士，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)及供配電研究工作。

2015－10－10）