500 kV變電站接地網(wǎng)腐蝕分析及防護(hù)措施

徐 松，楊漫兮，劉 凱，王 凌，查方林，吳俊杰，周 舟，袁新民

（1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙410007；2.武漢大學(xué)，武漢430072）

500 kV變電站接地網(wǎng)腐蝕分析及防護(hù)措施

徐 松1，楊漫兮2，劉 凱1，王 凌1，查方林1，吳俊杰1，周 舟1，袁新民1

（1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙410007；2.武漢大學(xué)，武漢430072）

采用現(xiàn)場(chǎng)照片、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子能譜（EDS）和X射線衍射（XRD）分析了某500 kV變電站接地網(wǎng)腐蝕情況，探討了腐蝕機(jī)理，結(jié)果表明：地網(wǎng)腐蝕為局部腐蝕，主要原因?yàn)?）降阻劑鋪設(shè)不均勻，造成接地網(wǎng)局部鹽濃差腐蝕；2）土壤中存在硫酸鹽還原菌促進(jìn)接地網(wǎng)腐蝕；3）石墨與扁鋼之間存在電偶腐蝕，泄漏電流促進(jìn)了接地網(wǎng)局部腐蝕。并提出了接地網(wǎng)的防腐措施。

接地網(wǎng)腐蝕；降阻劑；電偶腐蝕；硫酸鹽還原菌；防腐措施

0 引言

隨著我國(guó)特高壓輸變電的發(fā)展，電壓等級(jí)越來(lái)越高，接地短路電流不斷增大，對(duì)變電站接地網(wǎng)的安全可靠性提出了更高的要求[1-6]。由于接地網(wǎng)長(zhǎng)期埋在地下，經(jīng)常因?yàn)橥寥栏g而造成變電站電氣設(shè)備的“失地”，當(dāng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，將造成局部電位異常升高，從而威脅人身安全，還可能高壓竄入控制室，使監(jiān)測(cè)或控制設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)而擴(kuò)大事故，造成一次設(shè)備的著火、損壞、變電站全停，甚至發(fā)展成嚴(yán)重的系統(tǒng)事故，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[7-16]。近日，運(yùn)行人員在某500 kV變電站進(jìn)行接地導(dǎo)通試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一處導(dǎo)通電阻異常升高，挖開土壤檢查發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)已經(jīng)腐蝕斷裂。筆者對(duì)該500 kV變電站接地網(wǎng)腐蝕原因進(jìn)行了分析，并提出了一些防腐措施。

1 接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)挖土檢查

現(xiàn)場(chǎng)挖開湖南某500 kV變電站500 kV側(cè)1號(hào)主變C相避雷器附近水平接地網(wǎng)，如圖1所示：引下線未腐蝕，該處水平地網(wǎng)被黑色降阻劑包裹，部分區(qū)域接地扁鐵厚度減薄達(dá)30%～80%（見圖1（a））；部分區(qū)域接地網(wǎng)已經(jīng)腐蝕斷裂（見圖1（b））；部分區(qū)域降阻劑厚薄分布不均勻，且可見降阻劑的包裝塑料袋，該區(qū)域接地扁鐵相對(duì)完好（見圖1（c））；部分無(wú)降阻劑區(qū)域接地扁鐵腐蝕相對(duì)較輕，腐蝕產(chǎn)物呈黑褐色（見圖1（d））；一處已經(jīng)銹蝕斷裂的接地扁鐵表面腐蝕劇烈，出現(xiàn)向河流一樣平行排列的溝槽（見圖1（e））。

圖1 500 kV側(cè)1號(hào)主變高壓側(cè)C相避雷器附近接地網(wǎng)腐蝕照片F(xiàn)ig.1 The typical corrosion photograph of the grounding grid in the near phase C surge arresters of the No.1 primary transformer in the region of 500 kV

1.2 變電站改造及降阻劑使用情況

通過(guò)查閱資料，該變電站在1995年基建時(shí)，曾使用過(guò)降阻劑，敷設(shè)的位置位于變電站中心地段，和此次腐蝕位置較為吻合，此外該變電站在2010年進(jìn)行過(guò)地網(wǎng)改造，當(dāng)時(shí)的改造方式是對(duì)500 kV變電站地網(wǎng)改“川”字型結(jié)構(gòu)為“田”字形結(jié)構(gòu)，改造時(shí)，在站內(nèi)并未采用降阻劑，而在站門口出口處敷設(shè)了降阻劑。

1.3 土壤及降阻劑理化分析

通過(guò)檢測(cè)土壤及降阻劑的理化參數(shù)，可以判斷其腐蝕影響因素，表1為兩處土壤和兩處降阻劑的理化參數(shù)，表2為土壤及降阻劑（1：1）過(guò)濾液中陰陽(yáng)離子含量。

表1 土壤理化參數(shù)Table 1 The parameter of the soil around of the grounding grid

從表1和2可看出，土壤含水量為26%左右，呈中性，SO42-含量相對(duì)較高，說(shuō)明可能存在硫酸鹽還原菌腐蝕。取不同位置降阻劑，分析結(jié)果表明：降阻劑呈堿性，電導(dǎo)率很大，說(shuō)明吸水性很強(qiáng)；導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)表明，該降阻劑電子導(dǎo)電性極強(qiáng)；氧化還原電位均約為100 mV，說(shuō)明容易發(fā)生厭氧微生物腐蝕，此外，不同位置的降阻劑電導(dǎo)率以及pH值有差異，說(shuō)明降阻劑與土壤混合不均勻，從而會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕。

表2 土壤及降阻劑（1：1）過(guò)濾液離子含量Table 2 The filtrate ion concentration of the soil andresistance reducing agent（1∶1） μg/L

1.4 腐蝕產(chǎn)物及降阻劑成分分析

掃描電子顯微鏡（SEM）可以觀察樣品表面腐蝕產(chǎn)物形貌，電子能譜（EDS）可以分析腐蝕產(chǎn)物的組成元素，X射線衍射（XRD）可以分析腐蝕產(chǎn)物的物相，測(cè)試腐蝕產(chǎn)物的含量。取圖1（e）中樣品對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜和X射線分析，圖2為腐蝕扁鋼橫截面和表面掃描電鏡及能譜分析，可見腐蝕產(chǎn)物很厚，其主要元素為Fe、O、Si、S等，用X射線進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的主要成分為SiO2、FeOOH、Fe2O3、Fe3O4、FeS2（見圖3）。其中SiO2為土壤成分，其余為腐蝕產(chǎn)物，F(xiàn)eS2的存在說(shuō)明有硫酸鹽還原菌參與了腐蝕過(guò)程。圖4為降阻劑的X射線物相分析，由圖可見，降阻劑主要成分為石墨、CaCO3、KAl2（Si3Al）O10（OH，F(xiàn)）2。表3為降阻劑物相定量分析，由表3可知，石墨含量高達(dá)63.2%，考慮到石墨吸附土壤中的離子（Ca，K，Al，Si），且降阻劑呈堿性，可以推斷此降阻劑為石墨+鈍化劑型物理降阻劑，該降阻劑利用石墨的強(qiáng)導(dǎo)電性和吸水性達(dá)到接地降阻的目的。

圖2 接地扁鋼橫截面/表面產(chǎn)物掃描電鏡及能譜分析Fig.2 The cross section of grounding flat steel and the SEM，EDS for the surface corrosion products

表3 降阻劑物相定量分析Table 3 The quantitative analysis of the resistance reducing agent

1.5 腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究石墨型降阻劑對(duì)接地網(wǎng)材料的腐蝕行為，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試樣品在4種土壤中的腐蝕速率。實(shí)驗(yàn)采用表2中的土壤，進(jìn)行Tafel極化，電位范圍：-200～200 mV，掃描速率為1mV/s。

圖3 表面腐蝕產(chǎn)物X射線物相分析Fig.3 The XRD analysis of the surface corrosion products

圖4 降阻劑X射線物相分析Fig.4 The XRD analysis of the resistance reducing agent

圖5為碳鋼材料在土壤和降阻劑飽和液中Tafel曲線和線性極化曲線，表4為圖5曲線擬合得到4種溶液中碳鋼的腐蝕速率，由腐蝕電化學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，碳鋼在C（純降阻劑）和D（降阻劑和土1：1混合）樣中的腐蝕速率明顯大于A（斷路器土壤）和B（變壓器土壤）樣，尤其在降阻劑中，雖然降阻劑呈堿性，對(duì)碳鋼有鈍化作用，但是鈍化電流較大，所以碳鋼腐蝕速率仍然高達(dá)0.802 mm/a，遠(yuǎn)超過(guò)《接地降阻材料技術(shù)條件》（DL/T 380—2010）規(guī)范要求扁鋼在純降阻劑中的平均腐蝕速率應(yīng)在0.03 mm/a。

圖5 Tafel曲線和線性極化曲線Fig.5 Tafel curve and linear polarization curve

表4 由圖5曲線擬合得到4種溶液中碳鋼的腐蝕速率Table 4 Corrosion rate of carbon steel in the four liquid fitting from fig.5

由圖1（e）中的溝槽腐蝕形貌特征及石墨自腐蝕電位大于碳鋼，推測(cè)碳鋼和石墨降阻劑存在電偶腐蝕[17]，因此測(cè)試了石墨棒與碳鋼的電偶腐蝕，結(jié)果表明:兩者在土壤中的電位差值高達(dá)1 089 mV，見圖6和表5，碳鋼/石墨電偶腐蝕劇烈，理論腐蝕速率高達(dá)2.179 mm/a，由于實(shí)際降阻劑并非純石墨，且周圍土壤溫度，濕度等影響，因此實(shí)際腐蝕速率比理論測(cè)試值小。

1.6 埋片腐蝕試驗(yàn)

表6為埋片腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)采用表2中的土壤，兩個(gè)平行試樣，周期為20天。

由表6所示，由于埋片時(shí)間較短，腐蝕速率比電化學(xué)腐蝕速率低，但趨勢(shì)一致，即碳鋼在純降阻劑中的腐蝕速率最大，這與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。從腐蝕20天后的表面形貌可以看出（圖7），在土壤中碳鋼主要為均勻腐蝕（見圖7的A和B），而在純降阻劑中，局部腐蝕明顯（見圖7的C和D），說(shuō)明降阻劑促進(jìn)了碳鋼的局部腐蝕。

圖6 電偶腐蝕電流密度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The curve of current density with time for galvanic corrosion

表5 電偶腐蝕參數(shù)Table 5 The parameter of galvanic corrosion

表6 埋片腐蝕速率Table 6 The corrosion rate of grounding sample

2 腐蝕原因分析

從開挖的情況看，該500 kV變電站接地網(wǎng)為嚴(yán)重的局部腐蝕（見圖1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）降阻劑鋪設(shè)不均勻（見圖1），導(dǎo)致了接地網(wǎng)鹽濃度差腐蝕。由于降阻劑具有較強(qiáng)的吸附性，其吸附了大量土壤中的Ca，K，Al，Si離子（見表3），在降阻劑鋪設(shè)厚實(shí)區(qū)域，離子濃度高，在降阻劑鋪設(shè)稀薄區(qū)域，離子濃度低，降阻劑厚實(shí)區(qū)域?yàn)殛帢O，而降阻劑稀薄區(qū)域?yàn)殛?yáng)極形成鹽濃度差腐蝕電池，導(dǎo)致降阻劑稀薄區(qū)域接地扁鋼腐蝕，此外由于只有少數(shù)區(qū)域降阻劑稀薄，大部分區(qū)域降阻劑厚實(shí)，從而形成大陰極小陽(yáng)極現(xiàn)象，進(jìn)一步加速了接地扁鋼的電化學(xué)腐蝕。對(duì)于有塑料袋包裹的降阻劑處地網(wǎng)腐蝕相對(duì)較輕微（圖1（c）），主要是由于塑料袋隔離了土壤，使得此處地網(wǎng)降阻劑含水量相對(duì)較少，氧濃度低（擴(kuò)散受阻），減緩了地網(wǎng)的腐蝕。

圖7 20天后的試片形貌Fig.7 The photograph of the sample for during after 20 days

2）硫酸鹽還原菌加速了接地扁鋼的腐蝕。證據(jù)有：降阻劑氧化還原電位約為100 mV滿足硫酸鹽還原菌腐蝕發(fā)生充分條件（見表1）；土壤中含有較高硫酸根離子（見表2）；接地扁鋼腐蝕產(chǎn)物呈黑褐色（見圖1（d））；能譜及X射線衍射確認(rèn)腐蝕產(chǎn)物中含有硫化鐵（見圖3）；這些證據(jù)說(shuō)明存在較嚴(yán)重的硫酸鹽還原菌腐蝕。硫酸鹽還原菌和降阻劑聯(lián)合作用導(dǎo)致了接地扁鋼的腐蝕。

3）石墨型降阻劑與接地扁鋼形成電偶腐蝕。能譜及X射線衍射分析可知降阻劑主要成分為石墨和碳酸鈣（見表3），其離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較普通土壤成數(shù)量級(jí)增加，也將大大加快扁鋼的腐蝕速率，只是由于降阻劑呈堿性，對(duì)碳鋼有鈍化作用才降低其電化學(xué)腐蝕速率。石墨包裹扁鋼，而石墨在土壤中的腐蝕電位遠(yuǎn)高于扁鋼，兩者電位差大約為1 089 mV（見表5），從而使得兩者形成強(qiáng)電偶對(duì)，在合適條件下如形成離子電流或電子電流通路時(shí)將由電偶腐蝕主導(dǎo)腐蝕進(jìn)程。實(shí)驗(yàn)表明：在1：1面積比下，純石墨與扁鋼電偶對(duì)的引起扁鋼電偶腐蝕（見圖6），其速率是土壤腐蝕速率的10倍。

4）此次銹蝕斷裂地網(wǎng)剛好位于兩避雷器中間，不能排除可能存在泄漏電流，加速了扁鐵和降阻劑之間的電偶腐蝕，溝槽狀的腐蝕形貌也佐證了存在強(qiáng)烈的電流腐蝕（見圖1（e））。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

文中地網(wǎng)腐蝕為局部腐蝕，主要原因：1）降阻劑鋪設(shè)不均勻，導(dǎo)致了接地網(wǎng)鹽濃度差腐蝕；2）土壤硫酸鹽還原菌和石墨+鈍化劑型降阻劑聯(lián)合作用加劇了接地扁鋼局部腐蝕；3）石墨與扁鋼的電偶腐蝕在泄漏電流作用下快速腐蝕。

3.2 建議

1）加強(qiáng)日常的接地電阻和導(dǎo)通測(cè)試，重點(diǎn)檢查避雷器以及地勢(shì)低洼處地網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即挖土檢查，更換腐蝕斷裂的地網(wǎng)，已經(jīng)腐蝕的地網(wǎng)降阻劑要全部清除換土。

2）結(jié)合停電檢修，運(yùn)行單位應(yīng)對(duì)使用降阻劑的變電站進(jìn)行全面檢查，無(wú)一反三，排除隱患；

3）按照DL/T 380-2010要求，加強(qiáng)降阻劑的入網(wǎng)質(zhì)量抽查，石墨型降阻劑存在電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，建議謹(jǐn)慎使用。.

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Corrosion Investigation and Protection Measures for the 500 kV Substation Grounding Grid

XUSong1，YANGManxi2，LIUKai1，WANGLin1，ZHAFanglin1，WUJunjie1，ZHOUZhou1，YUANXinming1
（1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The corrosion condition of the 500 kV substation grounding grid is investigated by the analysis live photograph，scanning electron microscopy（SEM），electron diffraction spectra（EDS）and X-ray diffraction（XRD）.The result shows that the most severely corrosion is appeared on the local re?gion.The local corrosion of the grounding grid，the main reason is，1）the resistance reducing agent laid uniformly，which lead to the salt concentration cell corrosion of grounding grid;2）the existence of sul?fate reducing bacteria in soil promoted the corrosion of grounding grid;3）galvanic corrosion of carbon steel/graphite and leakage current facilitated the corrosion of grounding grid.The corresponding protec?tion measures are suggested finally.

grounding grid corrosion；resistance reducing agent；galvanic corrosion；sulfate reduc?ing bacteria；protection measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.012

2016-11-23

徐松（1981—），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)化學(xué)、腐蝕與防護(hù)技術(shù)等工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目（編號(hào)：KG12K16004）；國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科技項(xiàng)目（編號(hào)：5116AA110005）。