沿海地區(qū)變電站腐蝕現(xiàn)狀及防腐措施研究

方乙君 柳 松 王雄文 石改萍

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沿海地區(qū)變電站腐蝕現(xiàn)狀及防腐措施研究

方乙君1柳 松1王雄文1石改萍2

（1. 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003; 2. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

沿海地區(qū)具有高溫、高濕、高鹽分的海洋性氣候特點(diǎn)，近年來已經(jīng)給變電站電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件造成了嚴(yán)重的腐蝕，并嚴(yán)重威脅到變電站和智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文基于對(duì)沿海地區(qū)變電站腐蝕情況調(diào)研結(jié)果的分析，通過對(duì)變電站腐蝕原因和常見腐蝕型式的剖析，提出變電站電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件的新型防腐措施。

變電站；智能電網(wǎng)；腐蝕；防腐措施；全壽命周期

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)中金屬材料的使用量也在大幅增加。對(duì)于地處沿海地區(qū)的變電站，由于受到沿海季風(fēng)氣候的影響，普遍存在降雨量大、鹽霧重、整體污穢等級(jí)較高的特點(diǎn)。由此暴露出越來越多的設(shè)備及構(gòu)支架腐蝕問題，特別是在高溫、高濕、高鹽分的海洋性大氣環(huán)境中，變電站電氣設(shè)備的腐蝕問題異常突出[1]。金屬材料的腐蝕會(huì)直接影響電氣設(shè)備機(jī)械性能、降低構(gòu)支架的承載能力，最終威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 沿海地區(qū)變電站腐蝕現(xiàn)狀及其危害

1.1 沿海地區(qū)變電站腐蝕現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)沿海某省份110kV及以上GIS變電站運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行調(diào)研，涉及110kV及以上戶內(nèi)GIS站有164座，戶外GIS（含HGIS）站有132座，調(diào)研結(jié)果見表1。

表1 沿海某省份GIS運(yùn)行中的問題分類表

1.2 沿海地區(qū)變電站腐蝕危害

調(diào)研結(jié)果顯示，腐蝕主要集中在戶外GIS、絕緣子、鋼構(gòu)件以及其他的電氣設(shè)備外殼等[2]。

1）戶外GIS的腐蝕

沿海地區(qū)變電站戶外GIS銹蝕嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：母線管銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致多個(gè)氣室漏氣；母線伸縮節(jié)螺桿、彈簧片等部位銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致伸縮節(jié)失效；波紋管銹蝕造成二次回路絕緣下降；GIS支架等金屬部件的銹蝕，直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性[3]。部分GIS腐蝕情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 GIS母線管及伸縮節(jié)螺桿腐蝕

圖2 GIS單體設(shè)備及氣室外殼的腐蝕

2）絕緣子腐蝕

鹽霧、高溫等對(duì)絕緣子產(chǎn)生的損害主要包括爆裂、放電、單相接地故障等。鹽霧會(huì)在絕緣子表面形成沉積層，該層沉積物在電場(chǎng)作用下，會(huì)電離形成導(dǎo)電薄膜，進(jìn)而引起放電。長(zhǎng)期作用下，絕緣子表面溫度分布不均且持續(xù)升高，最終造成絕緣子爆裂，引發(fā)斷線等故障，造成瞬間接地，影響電網(wǎng)正常運(yùn)行[4]。而絕緣子在遭受腐蝕而未發(fā)生爆裂之間的時(shí)間內(nèi)，容易造成絕緣能力下降，在到達(dá)一定限值后，會(huì)引起絕緣子接地。

3）鋼構(gòu)件及其他電氣設(shè)備腐蝕

一般而言，當(dāng)采用烤漆防腐或鍍鋅厚度不均勻的鋼構(gòu)件時(shí)，3年內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的銹蝕，高溫、高濕度、高鹽霧的沿海氣候環(huán)境會(huì)加劇常年裸露在外的電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件腐蝕情況，如圖3所示。

圖3 金屬支架及避雷器箱體的腐蝕

在設(shè)備線路接頭位置的腐蝕情況，氧化造成的膨脹或者收縮會(huì)導(dǎo)致接頭位置接觸不良，如圖4所示。

圖4 出線套管接線座及設(shè)備線夾連接處的腐蝕

2 電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件腐蝕原因分析

2.1 腐蝕原因分析

1）環(huán)境因素

研究表明，戶外設(shè)備銹蝕情況與大氣中氯離子（Cl-）或硫酸根（SO42-）含量直接相關(guān)，其化學(xué)原理可以總結(jié)為以下兩種。

化學(xué)原理1：空氣中SO2遇水吸附在金屬表面形成HSO3，HSO3被氧化成SO4，導(dǎo)致表面液膜酸化，酸化的液膜對(duì)鋁、鋅、銅表面造成腐蝕，并生成可溶性硫酸鹽，在雨水的沖刷離開金屬表面，從而使裸露的金屬再次暴露在空氣中并再次發(fā)生銹蝕。化學(xué)反應(yīng)方程式為

化學(xué)原理2：鋁和鋁合金以及不銹鋼等材料與氧氣接觸會(huì)在表面形成一層致密的氧化膜，使其在干燥大氣中具有良好的抗腐蝕性能。然而在潮濕大氣中或遇水，空氣中的氯離子通過競(jìng)爭(zhēng)吸附，將逐漸取代Al(OH)3中的的OH-生成可溶性AlCl3，從而破壞表面氧化膜的穩(wěn)定性?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為

2）防腐工藝差異

從已投運(yùn)的變電站腐蝕情況來看，國(guó)外設(shè)備的防腐年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)設(shè)備，這種現(xiàn)象還普遍存在于設(shè)備各類附件中，如開關(guān)柜體、箱體、螺栓、鉚釘?shù)龋渲饕蚺c材料材質(zhì)、防腐工藝以及防腐材料不同有關(guān)。應(yīng)用表明，設(shè)備螺栓在采用熱鍍鋅的同時(shí)，再進(jìn)行防腐漆處理，并且在螺栓與柜體接觸部位安放橡膠墊片，能有效防止因電位差發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。國(guó)內(nèi)設(shè)備的緊固件雖采用熱鍍鋅的螺栓，但鍍鋅層厚度無法達(dá)標(biāo)，且螺栓若與箱體直接接觸，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。

2.2 設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理

變電站設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的機(jī)理，可以概括為以下3種腐蝕情況。

1）間隙腐蝕

間隙腐蝕是由于金屬表面因存有異物等原因，在結(jié)構(gòu)上形成金屬間隙。這種間隙在雨水積存時(shí)發(fā)生的電化學(xué)作用而產(chǎn)生腐蝕，常見于螺栓接頭等連接部位。間隙腐蝕的初期，縫隙與雨水的接觸所形成的電解液，會(huì)在縫隙內(nèi)、外發(fā)生陽極金屬溶解和陰極氧還原反應(yīng)。一定時(shí)間后，待間隙溶液中的氧消耗殆盡時(shí)，間隙內(nèi)外形成氧濃差腐蝕電池，進(jìn)而會(huì)引發(fā)縫隙腐蝕閉塞電池的自催化過程。

2）電偶腐蝕

電偶腐蝕即俗稱的接觸腐蝕，當(dāng)不同材質(zhì)的兩種金屬相接觸時(shí)，因金屬物理特性不同，故存在金屬電極電位差異，這種差異將使金屬在電解液中形成腐蝕電池。電位較高的金屬受到電化學(xué)保護(hù)，其腐蝕速率較慢，而電位較低的金屬將被加速腐蝕。

3）工藝缺陷腐蝕

目前，變電站常用的防腐工藝為熱鍍鋅、涂覆防腐涂料等。但市場(chǎng)上的防腐工藝參差不齊，鍍鋅層厚度未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的厚度，鍍層不均勻，以及運(yùn)輸、施工過程中造成的鍍鋅層破壞，都會(huì)使金屬構(gòu)件原本起電化學(xué)保護(hù)的鍍鋅層過早被破壞，暴露出構(gòu)件基體，從而加速腐蝕[5]。

3 電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件防腐措施

通過對(duì)電氣設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理分析，可以將變電站防腐蝕措施主要分為以下幾類。

1）熱鍍鋅技術(shù)的應(yīng)用

熱鍍鋅是將除銹后的鋼材浸入600℃高溫融化的鋅液中，使鋼構(gòu)材表面附著鋅層，利用陰極保護(hù)的原理，以電位較低的鋅作為犧牲陽極，防止或減緩鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕[6]。在高濕度、高污染地區(qū)，若配合涂料涂層防腐等其他防腐方法使用，則將達(dá)到更好的防腐效果。

2）新型冷噴鋅技術(shù)

冷噴鋅工藝是通過涂裝工藝在金屬構(gòu)件表面形成鋅金屬保護(hù)膜（鋅盾），具有陰極保護(hù)功能[7]。新冷噴鋅材料經(jīng)常溫噴涂干燥后，鍍層中純鋅含量在96%以上。鋅盾冷噴鋅優(yōu)點(diǎn)有：①具有陰極保護(hù)和屏障保護(hù)；②冷噴鋅工藝無氧化反應(yīng)，孔隙率低；③具有良好的重涂性能。

3）涂料涂層防護(hù)

對(duì)于無法直接經(jīng)過熱鍍鋅處理的構(gòu)件，需采用新型高分子復(fù)合材料進(jìn)行噴涂處理。新型防腐蝕涂料主要有氟樹脂防腐涂料、聚氨醋樹脂防腐涂料、硅氟共聚物防腐涂料、納米改性防腐涂料等[8]。這些防腐蝕新涂料在耐化學(xué)介質(zhì)、耐候性、耐油拒水、電絕緣性、使用壽命等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

4）增加阻隔層

在金屬導(dǎo)線加裝熱縮管、熱縮套以及塑膠套管等加以包裹，避免鹽霧沉積于金屬導(dǎo)線或其接頭部位；變壓器接線端除做好銅鋁過渡處理外，應(yīng)加裝相色絕緣套。接頭部分盡量采用同種金屬材料，如果實(shí)在無法避免，就應(yīng)加之采用阻隔層方法，使其進(jìn)一步提高對(duì)鹽霧沉積層腐蝕的抵抗能力[9]。不同金屬材料接觸連接時(shí)，合理選用銅鋁過渡設(shè)備線夾等，也能有效阻止不同金屬間接觸的間隙腐蝕速度。

5）綜合防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

在腐蝕性較強(qiáng)、污移等級(jí)較高的大氣環(huán)境中對(duì)輸變電設(shè)備采用單一的防腐蝕技術(shù)，往往難以達(dá)到腐蝕控制要求，這時(shí)需要多種防腐蝕技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。例如，在沿海地區(qū)的鋼構(gòu)保護(hù)中，釆用熱浸鍍鋁和防護(hù)涂層進(jìn)行雙重保護(hù)；或采用熱浸鋅防腐蝕層，并定期在熱鍍鋅層外噴涂防腐蝕漆等[10]。

4 結(jié)論

本文基于沿海地區(qū)變電站腐蝕調(diào)研情況，結(jié)合電氣設(shè)備及鋼構(gòu)件的腐蝕機(jī)理，提出了變電站防腐應(yīng)對(duì)措施，對(duì)于提高變電站抗腐蝕能力、變電站全壽命周期具有有效作用。通過本文研究，可以得出以下結(jié)論。

1）沿海地區(qū)的氣候特征對(duì)變電站電氣設(shè)備及金屬構(gòu)件腐蝕具有明顯的加劇作用。

2）變電站主要設(shè)備腐蝕多發(fā)生在電纜連接口、連接附件、機(jī)構(gòu)箱等處，設(shè)備本體卻表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能，設(shè)備廠家應(yīng)重視設(shè)備本體以外的附件防腐。

3）電氣設(shè)備廠家及鋼構(gòu)件廠家應(yīng)加大產(chǎn)品在防腐材質(zhì)、防腐工藝以及新型防腐技術(shù)等方面的投入。

4）變電站相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)提高設(shè)備防腐的認(rèn)知程度，運(yùn)維檢修時(shí)應(yīng)重視防腐工藝要求，為設(shè)備及鋼構(gòu)件提供專業(yè)的防腐技術(shù)保障。

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Study on corrosion status and anti-corrosion measures of substations in coastal areas

Fang Yijun1Liu Song1Wang Xiongwen1Shi Gaiping2

(1. Powerchina Fujian Electric Power Survey & Design Institute Co., Ltd, Fuzhou 350003;2. State Grid Economic and Technological Reseach Institute Co., Ltd, Beijing 102209)

The coastal areas have the characteristics of high temperature, high humidity and high salinity oceanic climate. In recent years, serious corrosion has occurred to electrical equipment and steel components in substations and it has seriously threatened the safe and stable operation of substations and smart grid. Based on the analysis of the investigation results of substation corrosion in coastal areas, this paper presents a new type of anticorrosive measures for substation electrical equipment and steel components by analyzing the causes of corrosion in substations and common corrosion patterns.

substation; smart grid; corrosion; anti-corrosion measures; life cycle

2018-07-09

方乙君（1985-），男，福建省福州市人，碩士，工程師，主要從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作。