電力系統(tǒng)接地材料的耐蝕性

黃 濤，丁志鋒，朱小龍，蔣 駿，彭詩怡，高 超

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京210008；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京210000）

0 前言

接地網(wǎng)對電力系統(tǒng)的安全性具有重要意義。一旦接地網(wǎng)因腐蝕而發(fā)生斷裂，設(shè)備與運(yùn)行人員都將面臨巨大威脅。在很多地區(qū)，接地網(wǎng)腐蝕已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素[1-3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對接地材料的腐蝕問題進(jìn)行了大量的研究。一方面是有關(guān)接地網(wǎng)腐蝕機(jī)制與接地材料耐腐蝕能力的研究，通過掌握接地材料腐蝕的條件及腐蝕速率的影響因素來抑制腐蝕的發(fā)生，延長接地網(wǎng)的壽命[4-8]；另一方面則致力于開發(fā)新型接地材料，通過材料本身的改性來提高其耐蝕性[9-11]。本文通過整理相關(guān)文獻(xiàn)，從腐蝕原理出發(fā)，總結(jié)了目前國內(nèi)外防腐接地材料的研究現(xiàn)狀，闡述了提高接地材料耐蝕性的方法及應(yīng)用情況，為易腐蝕地區(qū)接地材料的選擇及設(shè)計提供參考。

1 接地材料的腐蝕機(jī)制

傳統(tǒng)接地材料為金屬材料，其腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。這兩者在實際中往往同時存在。

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是一種自發(fā)性的腐蝕，主要原因是金屬接地材料的表面與空氣、土壤中的非電解質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)腐蝕不會產(chǎn)生電流。桿塔引下線在空氣中的腐蝕就屬于化學(xué)腐蝕，如圖1所示。

圖1 桿塔引下線在空氣中的腐蝕

常見的接地材料發(fā)生化學(xué)腐蝕是由于非電解質(zhì)（包括O2、OH-、Cl2等）的存在?；瘜W(xué)腐蝕后，典型特征是金屬表面會附著相應(yīng)的化合物（如氧化物、氯化物等）。

1.2 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕的原理是原電池原理，腐蝕部分包括陰極區(qū)和陽極區(qū)。陽極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)得到電子。電化學(xué)腐蝕的特征在于腐蝕過程中電子從陽極溢出并向陰極運(yùn)動，產(chǎn)生電流。圖2為電化學(xué)腐蝕模型。

圖2 電化學(xué)腐蝕模型

1.3 其他因素對接地材料腐蝕的影響

除了接地材料本身性能的原因，環(huán)境和施工工藝也會對接地網(wǎng)腐蝕產(chǎn)生很大影響。

（1）如果接地網(wǎng)埋深不夠，處于含氧量較多的上層土壤中，因接地材料與氧氣接觸較多，會使金屬材料發(fā)生吸氧腐蝕。

（2）回填土未按照有關(guān)規(guī)定采用細(xì)土，而是用碎砂石和其他顆粒較大的填充物，使接地網(wǎng)和土壤之間存在較大的間隙，造成接地體與空氣接觸。

（3）接地引下線和焊接接頭等易腐蝕部位沒有進(jìn)行防腐處理，有的接頭焊接不合格，容易造成焊接頭腐蝕。

（4）特殊的土壤環(huán)境也會對金屬材料有較大的影響，如在Cl-、SO2-4較多的土壤中腐蝕會明顯加劇[12]。

（5）含水量、Cl-的濃度對腐蝕速率的影響存在極點(diǎn)，即隨著含水量、Cl-濃度的增加，腐蝕速率增大，但超過某一值后，腐蝕速率反而降低[13]。

2 現(xiàn)有接地防腐材料

2.1 金屬接地材料

金屬的導(dǎo)電性能良好，是接地網(wǎng)最常用的材料。但大部分金屬材料易腐蝕，而耐蝕性較好的銅價格昂貴且伴隨重金屬污染問題。因此，一些含電鍍金屬層的合金類金屬接地材料被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。常見的接地材料有如下幾種。

（1）鍍鋅鋼

利用熱浸工藝在鋼材表面鍍一層均勻、有光澤的鋅層，形成了鍍鋅鋼材料。鍍鋅鋼因具有優(yōu)異的耐腐蝕能力而被廣泛應(yīng)用。但實際運(yùn)行經(jīng)驗表明，熱鍍鋅鋼材容易發(fā)生點(diǎn)蝕，程度甚至比腐蝕還要嚴(yán)重，正常使用壽命約為7～12 a[14]。

（2）銅覆鋼

銅覆鋼表面和純銅表面一樣，能產(chǎn)生氧化物，阻止進(jìn)一步腐蝕。趨膚效應(yīng)使銅覆鋼的電導(dǎo)率比純鋼材的電導(dǎo)率要高，而且其耐熱性也比鍍鋅鋼的耐熱性要好。銅覆鋼的價格高于鋼材的價格，但比純銅的價格要低很多。雖然銅覆鋼的點(diǎn)蝕問題比鍍鋅鋼的有所改善，但其表面薄銅層容易破裂，并且一旦破裂會加快內(nèi)部鋼材料的腐蝕速率[15]。此外，銅在堿性土壤中極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。因此，在我國西北地區(qū)的荒漠土壤中應(yīng)特別注意銅材的腐蝕情況。

（3）不銹鋼

不銹鋼在嚴(yán)重腐蝕的環(huán)境下性能依舊穩(wěn)定，耐蝕性優(yōu)異，但價格較高，并且土壤中Cl-的含量對其耐蝕性影響很大。

不銹鋼包鋼材料是在傳統(tǒng)鋼材表面覆蓋一層不銹鋼鍍層，這種材料結(jié)合了不銹鋼的耐蝕性和普通碳鋼的經(jīng)濟(jì)性，成為近期金屬接地材料的研究熱點(diǎn)。但不銹鋼包鋼材料的實際運(yùn)行經(jīng)驗較少，其應(yīng)用前景與效果依舊有待考證。

（4）其他金屬材料

目前各種新式金屬合金材料不斷涌現(xiàn)，按材料可分為金屬合金和稀土合金。例如：銅-鋁-稀土合金材料，主要通過添加微量稀土元素細(xì)化晶粒，改善材料表面的電負(fù)性，穩(wěn)定保護(hù)膜層[16]；鋅-鎂合金銅材料，采用98%鋅和2%鎂的合金作為保護(hù)層，鋅基合金的自腐蝕電位由于鎂的加入而正移，自腐蝕電流下降，延緩了鋅的腐蝕進(jìn)程；此外，高磷合金鋼、高鉻合金鋼、高硅稀土合金鋼的設(shè)計依據(jù)也與上述類似，通過細(xì)化晶粒，使銹層致密化，或是改變電位，延緩腐蝕，還有抑制微生物腐蝕等[17]。但這些新型合金材料目前均實施較少，其實際效果也有待驗證。

2.2 非金屬接地材料

即使不斷有研究與突破，金屬材料的腐蝕問題依舊無法從根源上完全得到解決。正因如此，非金屬接地材料的研究也在不斷取得進(jìn)展。

導(dǎo)電涂料主要有鎳粉、石墨粉，以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的納米碳導(dǎo)電涂料。利用納米碳的高電導(dǎo)率和環(huán)氧樹脂優(yōu)異的結(jié)合力，從而保證接地網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[18]。這些導(dǎo)電涂料或者導(dǎo)電膠體需要在埋入地下前對接地材料進(jìn)行涂敷，以起到在物理上阻斷電化學(xué)腐蝕路徑的作用，對于已建成的接地網(wǎng)不適用。另外，這種導(dǎo)電防腐膠是否長期有效，也是說法不一。

接地模塊是用導(dǎo)電水泥將扁鋼等金屬接地材料包裹制成的，常見的外形包括圓柱體與立方體。導(dǎo)電水泥在物理上進(jìn)行隔離，在減少腐蝕的同時降低接地電阻。接地模塊在工程中已有不少應(yīng)用，但一段時間后挖開接地模塊發(fā)現(xiàn)防腐效果與預(yù)期有一定差距，主要原因是水與空氣等介質(zhì)滲透進(jìn)模塊內(nèi)部造成保護(hù)失效。

近年來興起的柔性石墨復(fù)合接地材料具有天然的耐蝕性[19]。此種材料由高純鱗片石墨（純度不小于95%）、無機(jī)纖維與合成纖維，以及一定配比的水乳型粘合劑制備而成。柔性石墨具有良好的導(dǎo)電性與沖擊電流耐受特性，而且石墨的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在酸、堿、鹽等傳統(tǒng)金屬材料易腐蝕的土壤條件下依舊保持優(yōu)良的耐蝕性。

3 接地材料防腐技術(shù)

3.1 金屬材料的防腐技術(shù)

目前工程上常用的防腐措施有以下幾種。

（1）通過改變接地體自身特性，以延緩腐蝕速率。如加大接地體的橫截面積，或者直接采用耐蝕性更好的接地材料等。

（2）采用物理保護(hù)方法，主要是在物理上隔絕接地材料與造成腐蝕的非電解質(zhì)接觸。目前應(yīng)用較多的有導(dǎo)電防腐涂料與導(dǎo)電模塊。

（3）采用化學(xué)保護(hù)方法，也叫作陰極保護(hù)法，其依據(jù)是原電池原理，包括外加電流法和犧牲陽極法。陰極保護(hù)法是目前最有效且應(yīng)用最多的方法。

（4）使用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑等產(chǎn)品延緩腐蝕。

3.2 非金屬材料在防腐技術(shù)中的應(yīng)用

3.2.1 降阻石墨布

降阻石墨布的制備過程為：先將蠕蟲石墨（含碳量高于85%）制成蠕蟲石墨紙，經(jīng)熱固、輥壓得到復(fù)合石墨紙，捻合壓制得到復(fù)合石墨條，最終編織成降阻石墨布。將降阻石墨布包覆接地材料一起施工埋入地下，可起到對接地材料金屬接頭防腐降阻的作用，如圖3所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，降阻石墨布具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）采用降阻石墨布代替降阻劑，其降阻效果不會隨地下水移動而流失，可保證降阻效果的長久有效，同時還可避免降阻劑導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。

圖3 降阻石墨布的使用

（2）制備工藝簡單，成本低廉，適用于規(guī)?；瘧?yīng)用，對電力系統(tǒng)防雷接地技術(shù)領(lǐng)域具有顯著的現(xiàn)實意義。

3.2.2 非金屬接頭

石墨復(fù)合接地材料金屬接頭的腐蝕問題依然存在，耐蝕性強(qiáng)的非金屬接頭的研制能有效解決這個問題。選擇非金屬材料應(yīng)具備以下要求：良好的耐腐蝕性能與抗老化性能；可靠的力學(xué)連接強(qiáng)度；盡可能增加石墨復(fù)合接地材料的接觸面積，減小接觸電阻；減小對散流的影響；非金屬接頭采用夾板、螺桿和螺栓固定。經(jīng)過材料比較，上下夾板選擇高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂材料，螺桿、螺栓選擇杜邦特氟龍材料，如圖4所示。

圖4 非金屬接頭

4 結(jié)論

綜上所述，要解決接地體的腐蝕問題，主要有兩個方面：一方面是接地材料本身的改性；另一方面，施工工藝及設(shè)計是影響接地體壽命的重要因素。需要結(jié)合理論與實踐，獲得更合理的接地網(wǎng)設(shè)計與選址的經(jīng)驗，還應(yīng)當(dāng)出臺統(tǒng)一的接地材料選用標(biāo)準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)材料選擇，使其更加規(guī)范與可操作。除此之外，應(yīng)該規(guī)范施工過程，保證工程質(zhì)量，盡量杜絕因施工不規(guī)范而造成的接地網(wǎng)腐蝕事故。