工頻入地電流對碳鋼接地材料的腐蝕行為研究

劉金源，劉靖波，張 鷗

(國家電網(wǎng) 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110000)

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工頻入地電流對碳鋼接地材料的腐蝕行為研究

劉金源，劉靖波，張 鷗

(國家電網(wǎng) 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110000)

通過腐蝕調(diào)查，發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中接地網(wǎng)材料受到工頻入地電流的干擾，造成接地網(wǎng)局部腐蝕嚴(yán)重。在實驗室利用浸泡試驗及電化學(xué)交流阻抗技術(shù)研究了這種工頻交流干擾對碳鋼材料的腐蝕行為和腐蝕機理。結(jié)果表明：工頻電流對電極過程中的中間產(chǎn)物產(chǎn)生影響，進而增加碳鋼材料的腐蝕速度。

腐蝕；工頻入地電流；電化學(xué)交流阻抗

0 前 言

接地極及接地網(wǎng)是電力發(fā)電、輸變電系統(tǒng)重要的組成部分。主要作用是泄流、均壓和保障電氣設(shè)備及人員安全。目前接地材料主要為鍍鋅鋼、銅等金屬。特別是鍍鋅鋼以其低廉的價格、成熟的工藝成為我國電力系統(tǒng)主要的接地材料。鍍鋅鋼直接埋設(shè)在土壤中，主要受到土壤、地下水的電化學(xué)腐蝕。近些年現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果表明[1-4]，由于電力輸變電系統(tǒng)存在三相負(fù)載不均、電氣感應(yīng)、短路電流等，接地網(wǎng)有時會承受一定強度的工頻入地電流的影響。當(dāng)這種入地電流強度較大或土壤電阻率較高的時候，工頻入地電流對金屬材料的腐蝕就不可忽視，甚至成為接地材料的主要腐蝕威脅。目前電力系統(tǒng)中這種工頻入地電流對金屬材料的腐蝕行為及腐蝕機理的研究較少[5-6]，對電力接地的設(shè)計、維護產(chǎn)生了一定的困擾。本文利用電化學(xué)測量技術(shù)對碳鋼材料在工頻入地電流作用下的腐蝕行為及腐蝕機理進行了研究。力求探討工頻入地電流對金屬材料腐蝕的作用機制及影響規(guī)律，填補電力接地設(shè)計及維護上這方面的空白，并提供設(shè)計支持。

1 試驗部分

試驗材料為接地材料常用的20號碳鋼。浸泡試片為碳鋼板線切割加工成50 mm×25 mm×3 mm的方形試樣，試樣中上部鉆直徑為3 mm的孔，并在右上部打號。試樣經(jīng)水砂紙逐級打磨至1 200號，然后用丙酮清洗試樣并吹干，放入干燥器中備用。電化學(xué)測試用試樣為碳鋼板線切割加工成10 mm×10 mm×3 mm的試樣，試樣一側(cè)焊接銅導(dǎo)線，除油清洗后，將試樣用環(huán)氧樹脂密封磨平，露出1 cm2的工作電極面。電極工作面用水砂紙逐級打磨至1 200號，然后用丙酮清洗試樣表面并吹干，放入干燥器內(nèi)備用。試驗介質(zhì)為模擬土壤溶液，溶液成分為(重量百分比)：0.02% NaHCO3，0.03% NaCl，0.04% Na2SO4。試驗裝置為開口的PVC箱，其中浸泡試驗箱箱體尺寸為500 mm×400 mm×400 mm。電化學(xué)測試試驗箱箱體尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。試驗用工頻干擾電源為功率5 kW的交流調(diào)壓器，工頻干擾電流過流電極采用石墨電極板，尺寸為250 mm×150 mm×10 mm，大尺寸的工頻過流電極可以保證交流電流的分布均勻性，且過流電極表面電化學(xué)反應(yīng)不影響試驗介質(zhì)成分及狀態(tài)。

浸泡試驗用試樣試驗前稱重，精度為0.1 mg。稱重后試樣用螺桿固定銅導(dǎo)線，并用石蠟進行封邊處理，螺桿及導(dǎo)線接頭均完全密封。密封后測量試樣曝露面積，并記錄。試驗后去除石蠟，使用ASTM G1-03(2011)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的清洗液進行腐蝕后試樣清洗，并用丙酮清洗、吹干，最后測量試樣腐蝕后重量，計算腐蝕失重。根據(jù)試片的失重計算試樣的腐蝕速度。

圖1為浸泡試驗?zāi)M裝置示意，圖2為交流干擾下電化學(xué)測試裝置示意。

圖1 浸泡試驗?zāi)M裝置示意

圖2 工頻干擾下電化學(xué)測試裝置示意

腐蝕試樣通過交流調(diào)壓器的工頻電壓獲得干擾電流，每個試樣上的電流用高功率線圈電阻調(diào)節(jié)，試樣上的工頻電流值可以通過每個電阻上的交流電壓計算。試驗周期為168 h。試驗前取5個平行空白試樣，在不施加工頻電流且其他試驗參數(shù)完全相同的條件下，進行空白試驗，測量空白試驗腐蝕速率。

電化學(xué)測試采用美國EG&G公司的273+5 210電化學(xué)工作站，交流阻抗測試激勵信號幅值為5 mV，測試頻率為0.01～10 kHz。測試用輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。測量后的交流阻抗數(shù)據(jù)采用zview軟件進行分析。對碳鋼試樣進行交流阻抗測試時由于工頻交流電流的干擾，交流阻抗譜的測試不能直接測量試樣的交流電流密度，這里我們通過工頻交流電流在試樣上產(chǎn)生的交流電位來代表試樣上受到工頻交流電流干擾的強度。

2 結(jié)果與討論

圖3為碳鋼試樣在施加不同工頻電流密度時，由試樣的腐蝕失重計算的侵蝕率與工頻電流密度之間的關(guān)系。這里的腐蝕失重是每個試樣的腐蝕失重扣除空白試樣在同樣條件下的腐蝕失重后計算得到的，代表了單純由于工頻交流電流密度造成的碳鋼試樣腐蝕程度。

圖3 試樣侵蝕率與工頻電流密度的關(guān)系曲線

圖3中可以看出，隨著試樣上工頻電流密度的增加，碳鋼試樣的侵蝕率也隨之增大，但這種增加不是線性的。

對侵蝕率與電流密度的對數(shù)作圖，發(fā)現(xiàn)兩者存在線性關(guān)系，因此采用下式對測量數(shù)據(jù)進行擬合：

v=ln(a+ki)

其中，a和k都是常數(shù)。

對測量的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合參數(shù)為：

v=ln(1+0.004 4i)

擬合結(jié)果表明：碳鋼試樣流過的工頻交流電流密度可以直接影響碳鋼的腐蝕速率。由于這個腐蝕速率已經(jīng)扣除了試樣的自腐蝕速率，因此，上式可以看作工頻交流電流對碳鋼材料腐蝕速率的作用規(guī)律。也可以看出，工頻交流電流對碳鋼材料腐蝕速率的影響規(guī)律與直流電流密度的影響規(guī)律不同，其作用機制也不相同。

圖4～5為工頻交流電流干擾下，試樣交流電位從0～0.9V時的交流阻抗譜。這里要指出的是，當(dāng)存在工頻交流干擾時，EIS譜圖上會出現(xiàn)明顯的50 Hz附近的干擾，在進行數(shù)據(jù)處理時，要將50 Hz附近的干擾點去除，以保證數(shù)據(jù)曲線的平滑性，譜圖的高頻區(qū)也是受到干擾較大的區(qū)域。測量結(jié)果顯示，不存在工頻交流干擾時，EIS曲線具有一個時間常數(shù)，隨著干擾強度的增加，阻抗值逐漸降低，且低頻區(qū)出現(xiàn)另外一個時間常數(shù)，這說明交流干擾的存在明顯可以降低電極的反應(yīng)極化電阻。交流干擾的存在也改變了電極界面的反應(yīng)機理。

根據(jù)EIS譜圖的特征，采用RS(CPE-Rt)等效電路對EIS阻抗譜第一個時間常數(shù)進行擬合。其中，RS代表溶液電阻，CPE為常相位角原件代表電極表面的電容，Rt代表界面反應(yīng)極化電阻，這也是影響電極腐蝕的主要參數(shù)，代表電極界面反應(yīng)的難易程度。Rt越小，電極腐蝕反應(yīng)越容易，電極的腐蝕速度也越大。表1為EIS曲線的擬合結(jié)果?？梢钥闯觯S著干擾的增加，電極表面的反應(yīng)越容易進行，電極干擾交流電位達(dá)到0.9 V時，電極的界面極化電阻降低了10倍。

1 v0.0.z60； 2 v0.1.z60； 3 v0.2.z60； 4 v0.3.z60； 5 v0.4.z60；6 v0.5.z60； 7 v0.6.z60； 8 v0.7.z60； 9 v0.8.z60； 10 v0.9.z60

圖5 不同交流電位下試樣的EIS

同時，我們也注意到，當(dāng)存在工頻交流干擾時，EIS曲線的低頻區(qū)又增加了一個時間常數(shù)，明顯出現(xiàn)了感抗弧。而這種感抗弧通常與電極反應(yīng)的中間過程有關(guān)。電極過程產(chǎn)生的中間產(chǎn)物通常為帶電離子，或水合離子，這些中間產(chǎn)物在工頻交流電壓的作用下，在電極表面會有個弛豫過程，而這種弛豫時間常數(shù)要比電極表面雙電層的充放電過程大的多。因此中間產(chǎn)物在交流干擾的作用下，容易在電極表面堆積，促進電極界面的電化學(xué)反應(yīng)，從而進一步降低電極界面的反應(yīng)電阻，使電極腐蝕速度增加。

表1 EIS曲線擬合結(jié)果

3 結(jié) 語

工頻入地電流的流入，使碳鋼接地材料的腐蝕速度增加，兩者成對數(shù)增加的關(guān)系；電化學(xué)測試研究表明，工頻交流電流會對電極反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物產(chǎn)生影響，進而使電極界面電化學(xué)反應(yīng)速度增加。

[1] 李月強，杜翠薇，馮皓，等.接地極的土壤腐蝕[J]. 環(huán)境技術(shù), 2010，28(1)：15-18.

[2] 劉云玲. 變電站接地網(wǎng)存在的問題及改造措施[J]. 腐蝕與防護, 2007, 28(9): 34-36.

[3] 張波. 電力系統(tǒng)接地技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(8): 25-69.

[4] 胡學(xué)文. 接地網(wǎng)腐蝕與防護的研究[J]. 湖北電力, 2002, 26(3)：31-34.

[5] 吳細(xì)毛，崔文軍，洪鶴，等. 變電站接地材料的腐蝕調(diào)查[J]. 科技資訊, 2013(18)：103-104.

[6] 張富順. 變電所銅接地網(wǎng)與扁鋼接地網(wǎng)的經(jīng)濟評價[J]. 江蘇電機工程, 2006, 25(2)：23-24.

A Study on Corrosion Behavior of Carbon Steel Under Power Frequency Current

LIU Jinyuan, LIU Jingbo, ZHANG Ou

(LiaoningBranch,StateGridCorporation,Shenyang,Liaoning110000,China)

It was found that the corrosion rate of grounding grid materials increase with power frequency current in a corrosion survey. The corrosion behavior and mechanism were studied by electrochemical impedance spectra(EIS) in laboratory. Experiments show that the corrosion rate of carbon steel increase because of the impact of power frequency current.

Corrosion; Power frequency current; EIS

2016-10-10

劉金源(1985-)，男，遼寧遼陽人，在讀碩士研究生，研究方向：通信技經(jīng)技術(shù)，手機：18640257157，E-mail：23176099@qq.com.

TG174

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.030