土壤對變電站接地網(wǎng)腐蝕的研究

付麗君,劉偉偉,關(guān)艷玲,李國興,王魯昕,張 銳

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

土壤對變電站接地網(wǎng)腐蝕的研究

付麗君1,劉偉偉2,關(guān)艷玲1,李國興1,王魯昕1,張 銳1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

為了研究土壤對變電站接地網(wǎng)腐蝕的影響,闡述了變電站接地網(wǎng)被腐蝕的原因和基本類型,分析了土壤的容重、含鹽量、含水量、電阻率、微生物、pH值等因素對接地網(wǎng)腐蝕的影響,提出了陰極保護(hù)、金屬鍍層保護(hù)、導(dǎo)電防腐涂料等防腐蝕措施。分析結(jié)果表明,接地網(wǎng)腐蝕的原因是金屬和介質(zhì)電化學(xué)不均一性形成了腐蝕原電池,不同的土壤環(huán)境產(chǎn)生的腐蝕類型不同,采用加大接地體截面在綜合考慮接地網(wǎng)局部腐蝕和平均腐蝕的基礎(chǔ)上是較可靠的防腐措施,但損耗很大。

土壤;變電站;接地網(wǎng);腐蝕

目前,電力系統(tǒng)變電站接地網(wǎng)主要用于保證變電站安全運(yùn)行。土壤中的水分、溶鹽、氧和微生物等對地下設(shè)施和構(gòu)件的侵蝕而發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象稱為土壤腐蝕或者地下腐蝕[1]。接地網(wǎng)埋設(shè)在地下,沒有監(jiān)視裝置,不容易被看見,接地網(wǎng)某段導(dǎo)體被腐蝕后,接地網(wǎng)材料會變脆、起層、松散,甚至多處發(fā)生斷裂,使接地電阻增大,降低其泄流性能,給變電站的輸電線路造成隱患。若接地網(wǎng)被腐蝕后接地性能不良,則變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差,毀壞其他主設(shè)備,危及工作人員的人身安全[2]。本文闡述了變電站接地網(wǎng)腐蝕的原因和類型,分析了土壤對接地材料腐蝕的影響現(xiàn)狀及影響因素,提出了陰極保護(hù)、金屬鍍層保護(hù)、加大接地體截面等防腐蝕措施,解決了接地網(wǎng)腐蝕問題,延長了其使用壽命,保證了其接地性能穩(wěn)定。

1 變電站接地網(wǎng)腐蝕原因分析

變電站輸電線路接地網(wǎng)均被埋設(shè)于地面下0.5～0.8 m的土壤中,造成其腐蝕的環(huán)境介質(zhì)主要是土壤。土壤具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu),由水、空氣、土粒組成,土粒中包含多種有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)礦物質(zhì),被看作是腐蝕性電解質(zhì)和離子導(dǎo)體。接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕的基本原因是金屬和介質(zhì)電化學(xué)不均一性而形成腐蝕原電池。接地網(wǎng)引下線由地面深入地下,下部腐蝕最嚴(yán)重,接觸的土壤電解質(zhì)含氧量不同,最下端含氧量最低,其電極電位為陽極,上端為陰極。土壤中含氧量和含水量是土壤腐蝕的關(guān)鍵因素。

2 變電站接地網(wǎng)的腐蝕類型

變電站接地網(wǎng)常見的腐蝕類型有宏電池腐蝕、雜散電流腐蝕、微電池腐蝕和微生物腐蝕。

2.1 宏電池腐蝕

宏電池腐蝕是由變電站接地網(wǎng)各處土壤成分不均勻形成的鹽濃差電池以及各處土壤通氣性差異形成的氧濃差電池而導(dǎo)致的不均勻腐蝕。多年埋設(shè)試驗(yàn)[2]表明,宏電池腐蝕能使鋼鐵試件的80%產(chǎn)生腐蝕。

1) 土壤不均勻性產(chǎn)生的宏觀電池腐蝕。當(dāng)長距離碳鋼材料從一種土壤進(jìn)入另一種土壤時,土壤類型、土壤質(zhì)地、含鹽量、地下水等會發(fā)生變化,接地網(wǎng)碳鋼材料自然腐蝕電位在不同地段會產(chǎn)生差異,形成電池。碳鋼接地網(wǎng)表面與無滲透性成分(礫石、砂石)接觸,會產(chǎn)生點(diǎn)蝕[3]。在埋設(shè)碳鋼接地網(wǎng)時,回填的土壤密度應(yīng)均勻,不帶夾雜物。

2) 電偶宏電池腐蝕。接地網(wǎng)維修后,新舊鋼材自然腐蝕電位不同,接觸后會產(chǎn)生電偶腐蝕宏電池,新舊金屬構(gòu)件接觸形成的電偶宏電池如圖1所示。

圖1 新舊金屬構(gòu)件接觸形成的電偶宏電池

由圖1可知,電位負(fù)的新鋼材表面未形成腐蝕產(chǎn)物的保護(hù)層,新接地體作為陽極腐蝕較快。不同金屬接觸也會產(chǎn)生電偶腐蝕[4],如圖2所示。

由圖2可知,兩金屬材料之間存在電位差,使電流從電偶序較低的金屬(陽極)流入電解質(zhì),導(dǎo)致腐蝕。

2.2 雜散電流腐蝕

雜散電流腐蝕是土壤介質(zhì)中存在的一種大小、方向都不固定的電流對接地網(wǎng)材料的腐蝕。雜散電流分為直流雜散電流和交流雜散電流。直流雜散電流對金屬進(jìn)行腐蝕時,陽極為正極,陰極為負(fù)極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),其腐蝕機(jī)理與電解腐蝕機(jī)理一致。直流雜散電流對接地網(wǎng)材料造成的集中腐蝕非常嚴(yán)重,交流雜散電流為工頻雜散電流,同樣電流密度下交流腐蝕量比直流的小,其危害性比直流腐蝕小[4]。很多學(xué)者關(guān)于雜散電流對土壤中金屬腐蝕做了大量研究。文獻(xiàn)[5-8]在研究雜散電流對鋼腐蝕的影響時,發(fā)現(xiàn)在環(huán)境中有Cl-存在時更明顯,交流電會使Q235鋼腐蝕電位明顯偏移,很多研究主要集中在雜散電流對埋地材料和陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位影響上。

2.3 微電池腐蝕

微電池腐蝕是金屬表面微觀的化學(xué)成分不均或應(yīng)力狀況不均等電化學(xué)不均勻引起的在金屬表面各處產(chǎn)生的腐蝕速度基本相同的均勻腐蝕。在土壤性質(zhì)均勻或金屬構(gòu)件尺寸較小的情況下,主要產(chǎn)生微電池腐蝕。微電池腐蝕是普遍存在的,反應(yīng)在微觀狀態(tài)下進(jìn)行,反應(yīng)微弱,均勻腐蝕,不會造成嚴(yán)重的危害事故。鋼材中有雜質(zhì),如碳(C),這樣鋼材表面有很多鐵(Fe)和碳(C)緊密結(jié)合在一起,與土壤(電解液)接觸時,相當(dāng)于浸泡在電解液中,Fe的電極電位偏負(fù),構(gòu)成一個閉合回路,有電流通過。Fe失去電子,變成Fe2+,Fe2+在土壤中參與離子反應(yīng),與OH-結(jié)合生成Fe(OH)2,甚至生成Fe(OH)3,Fe(OH)3不穩(wěn)定,會生成FeOOH和Fe2O3.3H2O,Fe2O3.3H2O干燥時變成常見的Fe2O3。微電池腐蝕發(fā)生在水平接地網(wǎng)扁鋼和潮濕的電纜溝屏蔽扁鋼中,在鋼材表面形成很多圓凹麻點(diǎn),是宏觀腐蝕和微觀腐蝕共同作用的結(jié)果[[9-10]。

2.4 微生物腐蝕

微生物腐蝕是土壤中微生物的生命活動參與的對金屬的腐蝕過程。微生物自身對金屬不具有直接侵蝕作用,但其新陳代謝產(chǎn)物會對金屬產(chǎn)生間接的腐蝕。地勢較低的沼澤地帶和有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤會發(fā)生微生物腐蝕。文獻(xiàn)[11]通過庫爾勒地區(qū)現(xiàn)場土壤、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)含水飽和土壤和土壤模擬溶液中埋設(shè)和浸泡試樣的方法對X70鋼在庫爾勒土壤中腐蝕行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)土壤中存在微生物腐蝕使X70鋼腐蝕速率較高;文獻(xiàn)[12]研究不同濕度的同一土壤中硫酸鹽還原菌對碳鋼腐蝕影響規(guī)律時,發(fā)現(xiàn)相同濕度下接菌土壤中A3鋼腐蝕速率和點(diǎn)蝕深度都明顯大于滅菌土壤。

3 土壤對接地材料腐蝕的影響現(xiàn)狀及影響因素分析

中國的接地材料過去普遍采用普通鋼質(zhì)材料和鍍鋅扁鋼,現(xiàn)在逐漸過渡到使用銅絞線、銅包鋼、低電阻接地模塊等。美國和日本等已經(jīng)開始使用銅材料的接地網(wǎng)[13]。普通碳鋼在西安氣象站的腐蝕速率接近6g/(dm2.a),在新疆中心站的腐蝕速率高達(dá)14 g/(dm2.a)[14]。中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地》(DL/T 621-1997)規(guī)定“在腐蝕嚴(yán)重的地區(qū),敷設(shè)在電纜溝中的接地線和敷設(shè)在屋內(nèi)或地面上的接地線,宜采用熱鍍鋅”。鋅鍍層可以阻礙腐蝕介質(zhì)的和基體接觸,當(dāng)鍍層破損后,可以對基體起到陰極保護(hù)的作用,但是,隨著鍍層覆膜的不斷腐蝕而消失,基體會迅速被腐蝕[15]。在干燥的土壤環(huán)境中,銅的耐腐蝕能力很穩(wěn)定,在潮濕的環(huán)境中銅表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物,阻礙了內(nèi)部的進(jìn)一步氧化。國際上相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)推薦鍍銅鋼材料或鋼材為主要接地材料[16]。

土壤的容重、含鹽量、含水量、電阻率、微生物和pH值等都與接地網(wǎng)腐蝕相關(guān),這些因素既相互聯(lián)系,又共同作用。

3.1 土壤容重的影響

土壤的顆粒之間存在空隙,水或空氣會存在于這些空隙中。土壤空隙的通氣性和透水性等會對腐蝕過程產(chǎn)生直接影響。沙土的土壤顆粒間的空隙較大,通氣性和透水性較強(qiáng),埋設(shè)于這種土壤的接地網(wǎng)腐蝕程度較輕;黏性土壤的顆粒之間空隙小,透氣性差,埋設(shè)于這種土壤的接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重,粘性越大,腐蝕越嚴(yán)重。其原因是土壤透氣性良好時,容易在金屬表面生成腐蝕產(chǎn)物層,這種腐蝕產(chǎn)物層具有保護(hù)能力,使金屬腐蝕速度減慢,

3.2 土壤含鹽量的影響

土壤的含鹽量越大,其電導(dǎo)率越大,腐蝕性越強(qiáng)。土壤含鹽量參與土壤腐蝕介質(zhì)的導(dǎo)電過程,對碳鋼的電化學(xué)反應(yīng)起作用。

3.3 土壤含水量的影響

土壤水分受當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件影響,與土壤的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。接地網(wǎng)腐蝕受土壤中含水量影響很大。土壤中的水分是金屬溶解和土壤電解質(zhì)離子化必要的條件。研究表明,土壤含水量的飽和度大于95%時,阻礙了氧的擴(kuò)散滲透,腐蝕減輕;土壤非常干燥時,土壤電阻增大,陽極極化增強(qiáng),腐蝕緩慢;當(dāng)土壤含水量的飽和度在10%～90%時,加速腐蝕[17]。

3.4 土壤電阻率的影響

土壤的電阻率不影響微電池腐蝕的腐蝕速率,對宏觀電池的腐蝕影響較大。電阻率較大的土壤對接地網(wǎng)的腐蝕較輕,土壤電阻率越小,土壤對接地網(wǎng)的腐蝕越嚴(yán)重[18]。

3.5 土壤pH值的影響

土壤pH值過大或過小對接地網(wǎng)的腐蝕都嚴(yán)重。對于鋅、鋁、鉛、錫等兩性金屬,土壤pH值的大小對其腐蝕的影響情況如圖3所示。土壤pH值大小對鐵的腐蝕情況如圖4所示[19]。

圖3 pH值對兩性金屬的腐蝕情況

圖4 pH值對鐵的腐蝕情況

由圖3、圖4可知,鐵的氧化物在酸中容易被腐蝕,pH值小時,土壤溶液呈酸性,加速鐵的表面氧化膜的溶解,促進(jìn)腐蝕過程的進(jìn)行。在堿性環(huán)境下,鐵的腐蝕速度慢,氫氧化鐵不溶于堿性溶液。

3.6 其他因素影響

1) 氣候條件的影響。大氣溫度、降雨、通風(fēng)狀況等氣候條件會影響土壤的理化性質(zhì)和土壤中微生物的活動,影響接地網(wǎng)腐蝕情況,這種影響常有季節(jié)性和周期性的變化[20]。

2) 微生物的影響。土壤中的微生物能使土壤的某些物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生酸,會影響土壤的酸堿性質(zhì),從而影響對接地網(wǎng)的腐蝕情況。

3) 溫度的影響。溫度升高時,會加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,從而加速對接地網(wǎng)的腐蝕。

4) 雜散電流的影響。電力系統(tǒng)的接地裝置都會受到雜散電流的影響。雜散電流存在的時間和大小是影響接地網(wǎng)腐蝕的關(guān)鍵因素,因?yàn)殡s散電流對金屬的影響是電解腐蝕[12]。

4 變電站接地網(wǎng)的防腐蝕措施

接地網(wǎng)裝置埋設(shè)在地下時,土壤本身復(fù)雜的理化性質(zhì)和外界環(huán)境,對接地網(wǎng)腐蝕有很密切的影響。為了延長接地網(wǎng)的使用壽命,保障接地性能的穩(wěn)定性,國內(nèi)常采用的變電站接地網(wǎng)防腐蝕措施有陰極保護(hù)、金屬鍍層保護(hù)、加大接地體截面和其他防腐措施。

4.1 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)最基本的兩種方法是犧牲陽極法和強(qiáng)制電流法[11]。犧牲陽極法是將一種更容易失去電子的金屬與被保護(hù)的電氣設(shè)備連接,當(dāng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時,易失去電子的金屬會被腐蝕,電氣設(shè)備得到保護(hù)。強(qiáng)制電流法是外置一個直流電源,負(fù)極與被保護(hù)的埋地設(shè)施連接,正極與輔助性陽極接地體連接,電流通過大地可以構(gòu)成回路。埋地設(shè)施的陽極會有大量電子強(qiáng)制流入,彌補(bǔ)了其流失的電子,從而得到保護(hù)。總之,為了防止接地網(wǎng)腐蝕,陰極保護(hù)是通過使被保護(hù)的金屬設(shè)施變成一個大陰極從而起到保護(hù)作用[21]。

目前,變電站埋地設(shè)施比較多,且與接地網(wǎng)連接,很難做到對變電站鋼接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的陰極保護(hù)。犧牲陽極法不需要外部電源,投產(chǎn)后可不需管理,保護(hù)電流分布均勻、利用率高,但是此種方法不適宜在高電阻率的環(huán)境中使用,會消耗有色金屬,保護(hù)電流幾乎不可調(diào),投產(chǎn)調(diào)試工作較復(fù)雜。強(qiáng)制電流法的保護(hù)范圍大,輸出電流連續(xù)可調(diào),飽和裝置壽命長,不受環(huán)境電阻率的限制,但需要連接外部電源,維護(hù)管理工作復(fù)雜,工作量大[22]。

4.2 金屬鍍層保護(hù)

中國電力系統(tǒng)普遍采用熱鍍鋅做金屬鍍層,熱鍍鋅鋼是最常見的防腐蝕接地材料,具有耐蝕作用。熱鍍鋅鋼中鋅對鋼實(shí)現(xiàn)陽極保護(hù),鋼與土壤電解質(zhì)被其表面的非導(dǎo)電性的氧化膜隔離,使腐蝕電流的流動受到阻礙[14]。熱鍍鋅鋼在有電流作用時,熱鍍層不能有效防止接地網(wǎng)的腐蝕,與普通碳鋼比,耐蝕性能提高很少。

4.3 其他防腐措施

在綜合考慮接地網(wǎng)局部腐蝕和平均腐蝕的基礎(chǔ)上,加大接地體截面是較可靠的防腐措施。變電站對接地電阻要求比較高,接地網(wǎng)的面積決定了接地網(wǎng)接地電阻的大小。增大接地體面積可以降低接地電阻。印度的接地網(wǎng)材料大多數(shù)是鋼,這一方法在印度被普遍推廣應(yīng)用[15]。但是,這種方法投資較大,接地體之間具有屏蔽作用,各接地體的電阻并聯(lián)值小于接地網(wǎng)的接地電阻,損耗的鋼材量大。為了減少投資,選用導(dǎo)電防腐涂料能夠克服上述缺點(diǎn),具有施工方便簡單、導(dǎo)電性能好、實(shí)用價值高、附著力好、防腐性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[23]。

5 結(jié) 論

1) 接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕的原因是金屬和介質(zhì)電化學(xué)不均一性形成腐蝕原電池。土壤中含氧量和含水量是土壤腐蝕的關(guān)鍵因素。

2) 變電站接地網(wǎng)中較為常見的腐蝕類型有宏電池腐蝕、雜散電流腐蝕、微電池腐蝕和微生物腐蝕。不同的土壤環(huán)境產(chǎn)生的腐蝕類型不同。

3) 土壤的理化性質(zhì)、雜散電流、微生物、氣候條件等都是影響土壤對接地網(wǎng)腐蝕的因素。

4) 國內(nèi)變電站接地網(wǎng)常采用的防腐蝕措施是陰極保護(hù)、金屬鍍層保護(hù)、加大接地體截面。防止變電站接地網(wǎng)腐蝕要確定主要的影響因子,從而采取適當(dāng)?shù)奶幚砗头雷o(hù)措施。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Study on the corrosion of grounding grid in substation

FU Lijun1,LIU Weiwei2,GUAN Yanling1,LI Guoxing1,WANG Luxin1,ZHANG Rui1

(1.Heilongjiang Province Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China; 2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China)

In order to study the impact of soil on the grounding grid corrosion in substation,the author expounded the reasons of grounding grid corrosion in substation and the basic types and analyzed the impact of bulk density,salt content,water content,resistivity,microorganism,pH value and other factors on grounding grid corrosion in soil.The corrosion prevention measures were proposed by cathodic protection,metal coating protection and conductive anti-corrosion coating.The analysis results show that the reason why grounding grid was corroded is that the electrochemical inhomogeneity of metal and dielectric formed corrosion cell and corrosion types vary in different soil environments.The anti-corrosion measure of increasing section of grounding body based on the local and average corrosions of grounding grid is more reliable,but the loss is very large.

soil; substation; grounding grid; corrosion

2016-05-11。

付麗君(1985—),女,碩士,助理工程師,主要從事電力化學(xué)檢測技術(shù)工作。

S153.2;TM862

A

2095-6843(2016)06-0516-05