基于電化學(xué)在接地網(wǎng)接地改造中應(yīng)用

方夢(mèng)鴿，扈海澤，袁雪瓊，趙　軍 ，付　超，宋雅楠，敬亮兵，黃加銳

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底　417000；3. 湖南省長(zhǎng)沙信長(zhǎng)電力科技有限公司,長(zhǎng)沙　410000)

基于電化學(xué)在接地網(wǎng)接地改造中應(yīng)用

方夢(mèng)鴿1，扈海澤1，袁雪瓊1，趙軍1，付超1，宋雅楠1，敬亮兵2，黃加銳3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底417000；3. 湖南省長(zhǎng)沙信長(zhǎng)電力科技有限公司,長(zhǎng)沙410000)

摘要：通過(guò)某變電站接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重這一現(xiàn)狀分析其腐蝕原因，從電化學(xué)的角度分期其腐蝕原理，并針對(duì)電化學(xué)腐蝕原理提出利用電化學(xué)原理采用陽(yáng)極保護(hù)法的原則，并提出在各種土壤環(huán)境下選取不同的陽(yáng)極材質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，并提出一般采用較組成變電站接地網(wǎng)扁鋼更為活潑的金屬與接地網(wǎng)連接，形成無(wú)源電路模型，利用犧牲陽(yáng)極的方法來(lái)保護(hù)陰極的接地網(wǎng)，最后從電化學(xué)的角度得到非常實(shí)用的變電站接地網(wǎng)防腐蝕方案。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；腐蝕；電化學(xué)；陽(yáng)極保護(hù)法；無(wú)源電路

一般接地網(wǎng)都在變電站建設(shè)之前開(kāi)挖鋪設(shè)，變電站開(kāi)始投運(yùn)后要一直運(yùn)行，時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)幾十年。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越迅速，導(dǎo)致環(huán)境污染加重，進(jìn)而導(dǎo)致雨水PH值越來(lái)越小。對(duì)于變電站接地網(wǎng)來(lái)說(shuō)，雨水也會(huì)慢慢對(duì)接地網(wǎng)的接地體進(jìn)行腐蝕，一旦接地網(wǎng)的接地體發(fā)生腐蝕，接地網(wǎng)的接地電阻將增大[1-3]。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，接地網(wǎng)接地電阻越來(lái)越大，對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)一旦發(fā)生雷擊變電站或者變電站進(jìn)線發(fā)生雷電繞擊事故，高雷電流很難迅速地通過(guò)接地網(wǎng)泄入大地，將發(fā)生各種反擊和觸電事故，嚴(yán)重威脅變電站設(shè)備絕緣和變電站工作人員的人生安全，所以對(duì)于接地網(wǎng)的接地體腐蝕防護(hù)至關(guān)重要。

1變電站概述及接地網(wǎng)腐蝕現(xiàn)狀

某變電站地處沿海地區(qū)，處于一座小山坡上，土壤含鹽(主要是NaCl)量非高，常年受海風(fēng)吹洗，海水會(huì)隨著海風(fēng)進(jìn)入變電站土壤中，而且平均降雨量比較多，土壤的導(dǎo)電能力比較強(qiáng)。在調(diào)研中還發(fā)生部分桿塔的接地體露出地表，接地體已經(jīng)腐蝕嚴(yán)重，說(shuō)明此地變電站土壤的對(duì)于鋼鐵的腐蝕程度很大。

通過(guò)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)部分接地體扁鋼腐蝕嚴(yán)重，有些甚至發(fā)生腐蝕斷裂情況，基本上都不能滿足接地網(wǎng)的要求。很多接地體需要重新鋪設(shè)，還有很多接地體腐蝕稍微輕些，都需要進(jìn)行防腐蝕的保護(hù)，不然很容易發(fā)生更嚴(yán)重的腐蝕。

2接地網(wǎng)腐蝕的原因分析

根據(jù)電力規(guī)范及一般經(jīng)驗(yàn)，變電站接地網(wǎng)建設(shè)時(shí)一般采用扁鋼或者鍍銅扁鋼，但是在使用過(guò)程中有可能會(huì)損壞，以至于鍍層保護(hù)不再起作用。接地網(wǎng)深埋的環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，一般含有各種無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、酸、堿、鹽、水等物質(zhì)，同時(shí)這些物質(zhì)中存在空隙，進(jìn)而存在空氣。這些錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境形成一個(gè)電解環(huán)境，是一個(gè)天然的大地電解池[4]。在形成電解池的電路中有兩種類(lèi)別，一種是有源電解，一種是無(wú)源電解[5-6]。所謂的有源電解是外加電源給陰極和陽(yáng)極組成的電路供電，強(qiáng)加電源就相當(dāng)于強(qiáng)制電解質(zhì)的陰陽(yáng)極。而無(wú)源電解電路就相反，是電解質(zhì)通過(guò)自然連接，并且陰陽(yáng)極是根據(jù)電化學(xué)理論自然形成。腐蝕性因素分析如表1所示。

表1　腐蝕性因素分析

由于接地體一般為鋼材質(zhì)，主要成分為鐵(Fe)和碳(C)，根據(jù)電化學(xué)理論，在形成電解電路時(shí)活潑金屬為陽(yáng)極，不活潑的為負(fù)極。中間由于土壤中存在鹽和水等物質(zhì)，可以形成天然的連接，基本形成的電解電路如圖1所示。

圖1　無(wú)源電解電路

由于組成電解電路，中間有鹽和水等物質(zhì)構(gòu)成電離的離子通道，則在陰極和陽(yáng)極都會(huì)發(fā)生電離反應(yīng)，至于具體反應(yīng)分為以下幾種情況。

當(dāng)接地體所處的環(huán)境為酸性土壤時(shí)：

Fe→Fe2++2e

(陽(yáng)極)

2H+-2e→H2↑

(陰極)

當(dāng)接地體所處的環(huán)境為中性或者為堿性土壤時(shí)：

Fe→Fe2++2e

(陽(yáng)極)

O2+2H2O+4e→4OH-

(陰極)

3腐蝕產(chǎn)生的影響

接地體腐蝕導(dǎo)致直接的危害就是接地體的接地電阻變大，接地電阻的變大主要影響到雷電流入地時(shí)的泄流速度和接地網(wǎng)上的地電位。

假設(shè)人的腳用一半徑為r的圓表示，設(shè)圓的半徑為0.08 m，并設(shè)兩腳之間的距離為L(zhǎng)，土壤電阻率為ρ，那么兩腳之間的接觸電阻RO為：

(1)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到：

(2)

當(dāng)人員走在地面上時(shí)，從電路的角度來(lái)講，人的兩腳和土壤間的接觸電阻以及人身體的電阻Rb是串聯(lián)的[7]?？绮诫妷弘娐穲D如圖2所示。

圖2　跨步電壓電路圖

此時(shí)人體兩腳間受到是這些電阻總共的電壓降，這個(gè)電壓降即為跨步電壓Uk：

(3)

當(dāng)人員站立在地面上，同時(shí)人的手接觸到金屬設(shè)備的外殼時(shí)人的電阻和土壤電阻時(shí)并聯(lián)形式。接觸電壓電路圖如圖3所示。

圖3　接觸電壓電路圖

因此兩腳之間的電壓為兩電阻并聯(lián)后的電壓，這個(gè)電壓既是接觸電壓Uj：

(4)

一般根據(jù)電力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取值土壤電阻率為100 Ω·m，人體電阻Rb=1 500 Ω，則把數(shù)據(jù)代入上兩個(gè)式子，得出：Uk=0.714Ek，Uj=0.909Ej。計(jì)算結(jié)果可知，跨步電壓的大小達(dá)到了地電位的71.4%，由于接地電阻的過(guò)大，導(dǎo)致地電位較高，進(jìn)而使得跨步電壓很大。跨步電壓很大不僅容易造成地電位對(duì)于變電站設(shè)備的反擊[8]，而且當(dāng)發(fā)生雷電流入侵變電站的事故時(shí)，對(duì)于工作于變電站的工作人員來(lái)說(shuō)，會(huì)形成很大的跨步電壓和接觸電壓，導(dǎo)致觸電事故。

4防腐蝕的改造措施

在一般的接地腐蝕改造措施中，大家采用對(duì)接地網(wǎng)的接地扁鋼鋪設(shè)防腐劑，防腐劑的成分包含各種各樣的化學(xué)成分。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)于防腐劑的加工更加環(huán)保，但是由于其主要原理還是利用化學(xué)知識(shí)的相互反應(yīng)而保護(hù)接地體，反應(yīng)形成的生成物又是化學(xué)劑融合在土壤中，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。而且防腐劑有時(shí)候不適合一些土壤環(huán)境，并且防腐劑有效期短，對(duì)于重新鋪設(shè)不方便，達(dá)不到長(zhǎng)久有效期。

因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)的腐蝕主要是由于形成了電解電路，發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。因此，在改造措施的設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先以電化學(xué)的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)，根據(jù)電化學(xué)的腐蝕機(jī)理，一般都是陽(yáng)極腐蝕，所以只要把接地網(wǎng)的扁鋼換成陰極，就會(huì)對(duì)接地網(wǎng)起到很好的保護(hù)作用。由于一般是活潑金屬作為陽(yáng)極，所以在接地網(wǎng)形成的電解電路中加入比Fe活潑的金屬作為電解電路的陽(yáng)極，如Zn、Mg、Al等相對(duì)于Fe的活潑金屬，人為地控制電解電路的陰陽(yáng)極，在這里采用無(wú)源法電解電路，因?yàn)榭梢宰匀恍纬呻娊怆娐?，不需要外界提供電源，不僅能達(dá)到效果而且能達(dá)到節(jié)能的要求。

在設(shè)計(jì)陽(yáng)極的材料選型時(shí)，必須首先利用四季法對(duì)接地網(wǎng)的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)量根據(jù)土壤電阻率的大小選擇材料。

土壤電阻率的大小與采用陽(yáng)極的材質(zhì)選取關(guān)系如表2所示。

表2　土壤電阻率與材質(zhì)選擇

由表2可知，當(dāng)變電站接地網(wǎng)的土壤電阻率在20 Ω·m及以?xún)?nèi)，則可以采用Zn及Zn的合金作為電解電路的陽(yáng)極接地體(見(jiàn)圖4)；當(dāng)電阻率為20～100 Ω·m以?xún)?nèi)，則采用Mg及Mg的合金作為電解電路的陽(yáng)極接地體(見(jiàn)圖5)；當(dāng)電阻率在100 Ω·m及以上的則采用Mg合金，如果特殊環(huán)境的則應(yīng)該采用有源電路(見(jiàn)圖6)，外接電源，認(rèn)為的定性接地體的扁鋼為陰極，起到保護(hù)陰極扁鋼接地體的目的[2-4]。

圖4　Zn作為陽(yáng)極電路

圖5　Mg作為陽(yáng)極電路

圖6　有源電路

選擇電解電路陽(yáng)極材質(zhì)后，需要把電解陽(yáng)極與接地網(wǎng)相連接，形成一個(gè)電解電路的回路通道，才能發(fā)生電解池反應(yīng)。在設(shè)計(jì)陽(yáng)極鋪設(shè)職位選擇時(shí)，考慮到如果電解電路的陽(yáng)極腐蝕已經(jīng)很?chē)?yán)重的情況下，一般是幾年或者十幾年，需要及時(shí)更換電解陽(yáng)極，進(jìn)而對(duì)陰極的接地網(wǎng)進(jìn)行完好的保護(hù)。所以，在鋪設(shè)位置選擇時(shí)必須選擇在接地網(wǎng)不遠(yuǎn)處的空地，方便及時(shí)開(kāi)挖進(jìn)行更換。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇接地網(wǎng)的四個(gè)角進(jìn)行鋪設(shè)，并且用導(dǎo)線把四個(gè)陽(yáng)極相互聯(lián)系起來(lái)作為一個(gè)陽(yáng)極，具體分布如圖7所示。

圖7　無(wú)源陽(yáng)極鋪設(shè)

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析變電站接地網(wǎng)腐蝕這一現(xiàn)象以及通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解及應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)由于土壤環(huán)境原因，變電站接地網(wǎng)很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

(2)電化學(xué)腐蝕主要是因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)的扁鋼作為電解電路的陽(yáng)極而發(fā)生氧化反應(yīng)

(3)外加活潑金屬能夠強(qiáng)制接地網(wǎng)為陰極，活潑金屬為陽(yáng)極，以活潑金屬的腐蝕為代價(jià)而保護(hù)接地網(wǎng)的扁鋼。

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(本文編輯：趙艷粉)

Based on Electrochemical Applied in Ground Net.Through Grounding Modification

FANG Meng-ge1，HU Hai-ze1，YUAN Xue-qiong1，ZHAO Jun1，F(xiàn)U Chao1，SONG Ya-nan1，JING Liang-bing2，HUANG Jia-rui3

(1. School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000, China;2. Electric power company in hunan province loudi power supply bureau，Loudi 417000，China;3. Hunan changsha Xinchang electricity technology, Changsha 410000，China)

Abstract:The article the author through the substation ground network this serious corrosion by analyzing the corrosion reasons, from the Angle of the electrochemical staging its corrosion principle, using the electrochemical principle are put forward based on electrochemical corrosion principle based on the principle of anode protection law, and puts forward the selection of different anode material under various soil environment protection, and put forward the general use of a substation grounding network flat more active metal and grounding network connection, form the passive circuit model, the method of using sacrificial anode to protect cathode grounding network, and finally from the point of view of electrochemical very practical substation ground network anticorrosion scheme.

Key words:grounding network; corrosion; electrochemistry; anodic protection; the passive circuit

DOI：10.11973/dlyny201601027

作者簡(jiǎn)介：方夢(mèng)鴿(1995)，女，從事高電壓防雷技術(shù)研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-11-09