變電站土壤對(duì)接地網(wǎng)腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的研究

侯世春，李國(guó)興，關(guān)艷玲，姜子秋

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

變電站土壤對(duì)接地網(wǎng)腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的研究

侯世春，李國(guó)興，關(guān)艷玲，姜子秋

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

闡述了變電站土壤腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀以及某地區(qū)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的70座變電站試驗(yàn)站點(diǎn)土壤理化性能，對(duì)土壤對(duì)地埋金屬腐蝕指示片腐蝕情況進(jìn)行了檢測(cè)，分析了土壤溫度、含水量、pH值、氯離子含量和硫酸根離子含量等因素對(duì)金屬腐蝕影響情況檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果，建立了土壤對(duì)接地網(wǎng)腐蝕性能的九指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，對(duì)試驗(yàn)站點(diǎn)土壤腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，確定的九指標(biāo)評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，準(zhǔn)確性好，為新建變電站的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行變電站接地網(wǎng)的腐蝕監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。在國(guó)內(nèi)首次將空氣容量和區(qū)域年平均氣溫兩個(gè)因素納入評(píng)價(jià)方法中，并首次提出了鍍鋅鋼和銅接地網(wǎng)的評(píng)價(jià)方法。

變電站；土壤；接地網(wǎng)；腐蝕性能；評(píng)價(jià)；研究

電力接地是發(fā)電、變電和輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，接地網(wǎng)將電力系統(tǒng)的點(diǎn)與大地相連，提供故障電流及雷電流的泄放通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參點(diǎn)[1]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，接地短路電流不斷增大，對(duì)接地網(wǎng)的安全可靠性要求也越來(lái)越高。由于接地網(wǎng)長(zhǎng)期處于地下惡劣的運(yùn)行環(huán)境中，土壤的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕不可避免，同時(shí)還要承受地網(wǎng)散流與雜散電流的腐蝕，因此，影響接地網(wǎng)腐蝕的因素有很多,其中土壤的腐蝕是最關(guān)鍵的因素[2]。當(dāng)接地網(wǎng)因施工時(shí)焊接不良或土壤腐蝕等原因，使其接地不良，接地電阻增大，熱穩(wěn)定性變差，有的甚至使均壓導(dǎo)體之間或接地引線與均壓導(dǎo)體之間出現(xiàn)電氣連接不良的故障點(diǎn)，使接地網(wǎng)的接地性能變壞；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)，可能造成接地電位異常升高或分布不均，除給運(yùn)行人員安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，還可能因反擊或電纜皮環(huán)流使二次沒(méi)備的絕緣遭到破壞，高壓竄入控制室，引起檢測(cè)或控制設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)而擴(kuò)大事故，并帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，必須保證接地網(wǎng)在電網(wǎng)運(yùn)行周期內(nèi)的完好性。

20世紀(jì)初前蘇聯(lián)、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家就已開始土壤腐蝕的研究工作，取得了較多研究成果，但由于土壤的復(fù)雜性，其對(duì)金屬的腐蝕性研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。作為腐蝕介質(zhì)的土壤與其他腐蝕介質(zhì)相比，具有多樣性、不均勻性、不流動(dòng)性、季節(jié)性和地域性等諸多特點(diǎn)。同時(shí)，土壤的腐蝕性還與被腐蝕材料有關(guān)，不能完全采用他人研究得到的數(shù)據(jù)，必須通過(guò)長(zhǎng)期的土壤腐蝕性試驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)找出其相互關(guān)系和規(guī)律性[3]。

1 土壤腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀

變電站土壤腐蝕性能分析的最終結(jié)果是對(duì)其腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，科學(xué)準(zhǔn)確地判斷土壤的腐蝕性能[4]。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，變電站容量的擴(kuò)大，對(duì)接地網(wǎng)的安全可靠性要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此建立、完善和發(fā)展接地網(wǎng)腐蝕的研究方法具有重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是避免接地網(wǎng)因被土壤腐蝕而使電網(wǎng)的安全運(yùn)行受到潛在威脅的必要措施[5]。

科研人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究，提出了多種評(píng)價(jià)土壤腐蝕性能的方法，主要有埋片失重法、單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)法、多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法和電化學(xué)研究方法[6]。

埋片失重法是最傳統(tǒng)、最經(jīng)典的評(píng)價(jià)方法，但其試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，重現(xiàn)性差，不能了解埋片期間各階段的腐蝕變化，實(shí)際應(yīng)用很不方便。

單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)法是根據(jù)土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)(土壤電阻率、pH值、含鹽量、含水量和氧化還原電位等)，用單獨(dú)或少數(shù)幾種指標(biāo)來(lái)評(píng)估土壤對(duì)地埋金屬材料的腐蝕性。采用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤對(duì)金屬的腐蝕性有很大的局限性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤判，只可作為參考。

由于土壤的復(fù)雜性，實(shí)際上沒(méi)有一個(gè)土壤因素可以決定土壤的腐蝕性，目前國(guó)內(nèi)外許多腐蝕研究人員開始用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)土壤的腐蝕性。德國(guó)DIN50929評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是綜合了與土壤腐蝕有關(guān)的多項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)，包括土壤類型、土壤含水量、pH值、土壤電阻率、酸堿度、中性鹽含量、硫化物、硫酸鹽含量和土壤腐蝕電位，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果給出評(píng)價(jià)指數(shù)，然后計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)之和，確定土壤腐蝕性評(píng)價(jià)等級(jí)。這種方法得到許多肯定，但有的指標(biāo)測(cè)量非常不方便，而且其內(nèi)容針對(duì)性過(guò)于寬泛，測(cè)量參數(shù)的設(shè)計(jì)更適用于埋地管線腐蝕性評(píng)價(jià)，因此用于接地網(wǎng)的腐蝕評(píng)價(jià)其評(píng)價(jià)結(jié)果也不是很理想。另外，各國(guó)實(shí)際狀況各不相同，變電站土壤情況運(yùn)行工況也與地下管道有所區(qū)別，故不能盲目套用上述辦法。

美國(guó)ANSI A21.5土壤腐蝕評(píng)價(jià)法的基本過(guò)程類似于DIN50929評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是先對(duì)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)打分，然后進(jìn)行腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)。不同之處是其評(píng)價(jià)的指標(biāo)有所不同，主要包括土壤電阻率、pH值、氧化還原電位、含水量和硫化物。

陜西電科院根據(jù)陜西省30座變電站土壤腐蝕性能的試驗(yàn)研究結(jié)果，采用數(shù)值分析方法，對(duì)德國(guó)DIN50929標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚透倪M(jìn)，得出一套針對(duì)變電站接地網(wǎng)土壤腐蝕性的評(píng)價(jià)方法，使得測(cè)量結(jié)果與分值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系更為合理[7]。由于該方法的數(shù)據(jù)源比較少，沒(méi)有綜合考慮氣象因子、土壤性質(zhì)以及泄流作用等條件，因此仍有很多不足。

2 變電站土壤腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的研究

2.1 試驗(yàn)站點(diǎn)土壤理化性能檢測(cè)分析

分區(qū)域選擇70座變電站為試驗(yàn)站點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采集深度為0.8～1.0 m的土壤樣品分析檢測(cè)土壤理化性能和電化學(xué)性能；現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)金屬腐蝕指示片，埋設(shè)深度為0.8～1.0 m，周期為2年，檢測(cè)土壤對(duì)碳鋼、鍍鋅鋼和銅試片的腐蝕特性；在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤溫度、含水量、pH值、氯離子含量和硫酸根離子含量等因素對(duì)金屬的腐蝕影響進(jìn)行研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析土壤性質(zhì)與金屬腐蝕之間的作用規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果表明，變電站土壤的物理化學(xué)性質(zhì)及區(qū)域氣象環(huán)境影響著土壤對(duì)接地網(wǎng)金屬的腐蝕性能。同一變電站土壤對(duì)碳鋼、鍍鋅鋼和銅的腐蝕速率大小為碳鋼>鍍鋅鋼>銅，變電站不適合用碳鋼作為接地網(wǎng)材料，從經(jīng)濟(jì)性考慮，可以選用鍍鋅碳鋼；而當(dāng)土壤對(duì)碳鋼和鍍鋅鋼的腐蝕速率倍率較小，而鍍鋅鋼和銅的腐蝕速率倍率又很大時(shí)，可以選擇銅作為接地網(wǎng)材料，使用銅質(zhì)接地網(wǎng)才能充分發(fā)揮銅的耐腐蝕性。

從土質(zhì)上分析，砂土的腐蝕性最小，粘土的腐蝕性最大，砂質(zhì)粘土和砂質(zhì)土壤的腐蝕性能相近。同一地區(qū)的變電站，土壤的腐蝕性能通常較接近，也有差異較大的情況，其原因可能是局部土質(zhì)和自然條件的影響。

從總體上看，土壤電阻率與土壤腐蝕性的關(guān)系比較密切，腐蝕性較強(qiáng)的土壤電阻率都小于35 Ω·m，腐蝕性較弱的土壤電阻率大部分高于60 Ω·m。

從區(qū)域上看，變電站土壤的腐蝕性通常有明顯的區(qū)域性。

現(xiàn)場(chǎng)土壤挖掘時(shí)發(fā)現(xiàn)，變電站內(nèi)土壤并不是均勻的，有的地方甚至回填了大量建筑殘土，碎磚、瓦礫、泡沫和塑料等垃圾類物質(zhì)很多。由于接地網(wǎng)敷設(shè)完成后，回填土的施工質(zhì)量直接影響到接地網(wǎng)金屬的腐蝕速率，即安全使用壽命，因此應(yīng)嚴(yán)格控制接地網(wǎng)施工質(zhì)量，有特別回填施工工藝的應(yīng)按工藝要求做。在地網(wǎng)溝回填時(shí)，通常使用原土，并篩選去掉較粗的砂石和異物?；靥顣r(shí)先在底層填200 ～ 300 mm厚篩選好的土，整平夯實(shí)，然后再敷設(shè)接地網(wǎng)。

2.2 土壤腐蝕性能評(píng)價(jià)方法的建立

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，結(jié)合全國(guó)土壤腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)站相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，確定了變電站土壤對(duì)接地網(wǎng)金屬的腐蝕性能評(píng)價(jià)方法，如表1和表2所示。

3 試驗(yàn)站點(diǎn)土壤腐蝕性能的評(píng)價(jià)

在所選定的70個(gè)站點(diǎn)中，有6座變電站用銅作為主接地網(wǎng)材料，其他變電站主接地網(wǎng)選材是鍍鋅鋼。按照上述評(píng)價(jià)方法，對(duì)試驗(yàn)站點(diǎn)土壤的腐蝕性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與埋片試驗(yàn)結(jié)果相符，與現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)開挖檢查結(jié)果相近。

圖1是對(duì)鍍鋅鋼腐蝕性強(qiáng)和弱的2個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)鍍鋅鋼腐蝕試片的外觀形貌；圖2是對(duì)銅腐蝕性強(qiáng)和弱的2個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)銅腐蝕試片的外觀形貌；圖3是2個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)主接地網(wǎng)開挖檢查情況圖片。

表1 黑龍江省變電站土壤對(duì)接地網(wǎng)金屬的腐蝕性能評(píng)價(jià)方法

表2 碳鋼土壤腐蝕性評(píng)價(jià)分級(jí)

注:BE=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9。

(a)腐蝕性強(qiáng)(b)腐蝕性弱圖1 埋片試驗(yàn)后鍍鋅鋼試片外觀形貌

(a)腐蝕性強(qiáng) (b)腐蝕性弱圖2 埋片試驗(yàn)后銅試片外觀形貌

(a) (b)圖3 變電站接地網(wǎng)開挖檢查結(jié)果

4 結(jié)論

b. 本文確定的九指標(biāo)評(píng)價(jià)法，在國(guó)內(nèi)首次將空氣容量和區(qū)域年平均氣溫這兩個(gè)因素納入評(píng)價(jià)方法中，并首次提出了對(duì)鍍鋅鋼和銅接地網(wǎng)的評(píng)價(jià)方法。

c. 很多文獻(xiàn)資料和研究成果表明，泄漏電流、雜散電流和微生物作用對(duì)接地網(wǎng)腐蝕的影響很大，由于測(cè)試手段上的不足，目前本項(xiàng)目還沒(méi)有能力進(jìn)行此方面的測(cè)試和研究工作，因此對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕評(píng)價(jià)方法仍需要不斷完善。

d. 新建變電站應(yīng)對(duì)站址土壤進(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)，并建立技術(shù)檔案，根據(jù)土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)來(lái)合理選用接地網(wǎng)金屬材料，采取相應(yīng)的防腐措施。

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Study on Evaluation Method of Soil Corrosion Resistance of Substation Grounding Grids

HOU Shichun, LI Guoxing, GUAN Yanling, JIANG Ziqiu

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

This paper describes the physical and chemical properties of the assessment methods of soil corrosion and the performance of the substation in a region with in 70 substations test site soil on soil corrosion situation.It indicats to detect buried metal corrosion and analyzes the factors of soil temperature,water content,pH value,content of chloridei on and sulfatei on content on the test results of detecting the influence of metal corrosion.Evaluation method established nine index corrosion resistance of the grounding grid on the properties of soil.Soil corrosion test site was evaluated.The research results show that nine index evaluation methods proposed in is simple,practical and accurate.It provides a scientific basis for monitoring,design and operation of the new substation and for the corrosion monitoring of the grounding grid of substation.Two factors including air volume and regional mean temperature are included in the evaluation method,the evaluation method of galvanized steel and copper grounding grid is put forward for the first time.

substation;soil;grounding grid;corrosion performance;evaluation;research

TM63；TM862

A

1004-7913(2017)10-0005-04

侯世春(1963)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定、電網(wǎng)技術(shù)和電力信息化管理。

2017-07-10)