發(fā)電廠、變電站銅材接地網(wǎng)使用中需注意的問題

鄭 斌

中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司 430071

一、引言

接地網(wǎng)的設(shè)計和施工在發(fā)電廠、變電站的運行使用中，占有十分重要的地位。對于人工接地體材料的選用，在一般的情況下，普遍采用的是鋼材；而在土壤腐蝕性較高的場合，例如在沿海地區(qū)、鹽堿地等，目前的趨勢是更傾向于采用銅材作為人工接地體的材料。

二、問題的出現(xiàn)

在使用銅材作為人工接地材料的電廠、變電站的電氣工程項目，經(jīng)過一段時間的運行，有不少工程反映，接地網(wǎng)附近混凝土內(nèi)的鋼筋和鋼構(gòu)架，都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，有些情況較嚴(yán)重；另外，接地網(wǎng)附近的循環(huán)水、消防水及生活水等地下管道也存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。此類腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)必然對電氣工程項目的運行造成安全隱患。于是，國內(nèi)“倒銅”的聲音也逐漸增多了起來，有些學(xué)者及電氣工程技術(shù)人員專門發(fā)表了文章，列舉了銅材作為人工接地體材料的危害，并且明確反對將銅材作為人工接地體的材料。

三、有關(guān)規(guī)范對接地網(wǎng)的規(guī)定和描述

在此，我們簡要摘錄一下有關(guān)規(guī)范對接地網(wǎng)及材料的規(guī)定或描述：

3.1 《IEEE80－2000交流變電站安全指南》中有關(guān)的規(guī)定和描述

第9.6章節(jié)“應(yīng)該用足夠載流量和機械強度的導(dǎo)體連接到下列物體，包括所有接地電極、接地井以及一些可連接的地方、金屬、水或氣管道”

第11.2.1章節(jié)“銅是常用的接地材料。銅導(dǎo)體除了具備高的導(dǎo)電性能外，在防止地下大多數(shù)腐蝕的問題上，也有其優(yōu)越性”

第11.2.5章節(jié)“銅質(zhì)或鍍銅鋼制地網(wǎng)會跟埋地的鋼結(jié)構(gòu)、管道形成原電池，這種原電池會加速后著的腐蝕”

3.2 《GB50169－2016電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》中有關(guān)的規(guī)定和描述

第4.1.1章節(jié)“可利用下列接地級，包括

1埋設(shè)在地下的金屬管道但不包括有可燃或有爆炸物質(zhì)的管道

2金屬井管

3與大地有可靠連接的建筑物的金屬結(jié)構(gòu)

4水工構(gòu)筑物及其他坐落于水或潮濕環(huán)境的構(gòu)筑物的金屬管、樁、基礎(chǔ)層鋼筋網(wǎng)”

3.3 歸納一下上述兩本規(guī)范的要點

相同點：都提到了可利用地下的金屬管網(wǎng)及建筑物構(gòu)架等作為自然接地體。

不同點：《IEEE80－2000交流變電站安全指南》中提到了，采用銅材作為主接地網(wǎng)材料后，會和埋地的鐵制金屬形成原電池(鐵銅原電池)，加速鐵制金屬的腐蝕；而《GB50169－2016電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》中，對原電池效應(yīng)及地下鐵制設(shè)備腐蝕等并沒有相關(guān)的描述。

四、問題的探索

4.0閱 讀本文的建議

由于是涉及電氣專業(yè)，預(yù)計本文的讀者絕大多數(shù)均為電氣專業(yè)工程師，那么從本文此處開始，建議讀者一定要轉(zhuǎn)換一下身份，“不要再將自己當(dāng)做電氣專業(yè)工程師，而要把自己作為一名化學(xué)專業(yè)工程師(甚至是化學(xué)學(xué)習(xí)者)”，從化學(xué)專業(yè)工程師的角度去觀察和討論問題。筆者之所以這樣強烈而中肯的建議，原因有三個：

第一、讀者一般對電氣相關(guān)的接地規(guī)范較熟悉，而且本文第三章節(jié)也簡要回顧了一下

第二、本文共有四張附圖，附圖中的電氣回路非常簡單。(直接將電極的正負極相連接)

第三、《IEEE80－2000交流變電站安全指南》提到了鐵銅原電池，也提到了這會造成地下鐵制設(shè)備的加速腐蝕，但更深入的原因及預(yù)防等措施沒有提及；同樣的，國內(nèi)“倒銅派”發(fā)表的文章，也僅僅描述了采用銅接地網(wǎng)后的種種危害，并且列舉了一些表面現(xiàn)象。

如果僅僅把自己局限于電氣工程師，問題似乎到此為止了，從電氣上看，也無再深入下去的必要。但如果深入的再想一下，是什么原因造成了地下鐵制設(shè)備的加速腐蝕?這就需要我們從化學(xué)科學(xué)的角度去尋找答案，因此從此處開始，之后的內(nèi)容幾乎全部是化學(xué)上的討論和分析，筆者也深信，一定能從化學(xué)分析中找到地下鐵制設(shè)備加速腐蝕的答案。

4.1 簡要回顧一下基礎(chǔ)化學(xué)公開試驗課——鋅銅原電池反應(yīng) 為了探索當(dāng)采用銅材作為主接地網(wǎng)的材料后，地下鐵制金屬加速腐蝕的原因，首先我們回顧一下基礎(chǔ)化學(xué)公開試驗課——鋅銅原電池反應(yīng)，參見圖1：

圖1 鋅銅原電池反應(yīng)模型

圖1 中，所用實驗儀器及用品為：燒杯、鋅棒、銅棒、電流計、導(dǎo)線、小刀開關(guān)K、硫酸溶液、LED低電壓型燈、絕緣插座。(絕緣插座用于固定鋅棒、銅棒)；

實驗操作過程：用絕緣插座將鋅棒、銅棒分別固在空燒杯的底部，然后倒入硫酸溶液，使鋅棒和銅棒充分浸泡在硫酸溶液中，再用導(dǎo)線、小刀開關(guān)K、電流表及LED燈把鋅棒和銅棒連接起來。當(dāng)小刀開關(guān)K接通后，可以看到電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，LED點亮，表明鋅棒和銅棒間有電流產(chǎn)生，同時銅棒周圍有氫氣逸出。

實驗結(jié)論：鋅銅兩種金屬在硫酸中發(fā)生了原電池反應(yīng)，鋅被氧化腐蝕。

對于圖1——鋅銅原電池反應(yīng)的模型，為方便問題的闡述，可以分成兩個部分，

液體中的部分：液體中的鋅棒和銅棒，通過電解質(zhì)硫酸作為媒介，產(chǎn)生了電子的轉(zhuǎn)移，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且在鋅棒和銅棒支間建立了電壓，同時鋅棒被氧化腐蝕。液體中，主要發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)。(限于篇幅和本文的側(cè)重點，這里不過多討論，讀者只要記住化學(xué)結(jié)論即可，更深入的化學(xué)描述，可以參考和閱讀基礎(chǔ)化學(xué)書籍)

液體上的部分：當(dāng)小刀開關(guān)閉合時，電流表中有電流流過，電流表針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，同時LED被點亮，此部分是電學(xué)中最基本的電氣回路了。(另外需要說明的是，如果將小刀開關(guān)、電流表、導(dǎo)線均放置在液體平面之下，從電氣回路上看，和放置在液體平面之上相比，兩者是等效的)

可見，鋅銅原電池反應(yīng)，同時發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)和電學(xué)現(xiàn)象，因此，鋅銅原電池反應(yīng)也常稱為鋅銅電化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)電化學(xué)理論，原電池間發(fā)生反應(yīng)需要同時滿足三個條件：

1：電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導(dǎo)電的材料(非金屬或某些氧化物等)組成。

2：兩電極間電解質(zhì)的存在。

3：兩電極間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路。

為了更為透徹的表達本文的觀點以及對腐蝕問題的探索，有必要對原電池反應(yīng)的這三個條件分別論述一下：

第一：對于條件1“兩種電極材料”

常用的電極有幾種a.活潑性不同的金屬：b.金屬和非金屬(非金屬必須能導(dǎo)電)c.金屬與化合物d.惰性電極。根據(jù)本文的議題，我們只討論a活潑性不同的金屬，并且只限定鋅、鐵、銅三種金屬。這三種金屬的活躍性依次為鋅、鐵、銅。

根據(jù)電化學(xué)理論，鋅銅作為電極，原電池的反應(yīng)是最活躍和有效的。

結(jié)合電氣工程項目，形成原電池電極的金屬只限定鐵和銅兩種金屬。

第二：對于條件2“兩電極間電解質(zhì)的存在”

圖1的電解質(zhì)由專用硫酸和蒸餾水按一定比例配制而成，根據(jù)電化學(xué)理論，

強電解質(zhì)一般有：強酸、強堿，活潑金屬氧化物和大多數(shù)鹽，如：硫酸、鹽酸、碳酸鈣、硫酸銅等。

弱電解質(zhì)一般有：弱酸、弱堿，少部分鹽，如：醋酸、一水合氨(NH3·H2 O)、醋酸鉛、氯化汞。另外，水是極弱電解質(zhì)。

根據(jù)條件2，可以嘗試一下的方法就是將地下鐵制設(shè)備(例如地下管網(wǎng))的表層進行處理，將其進行絕對的防水處理，隔離電解質(zhì)，但根據(jù)后文表一的結(jié)論，此方法在工程實施中并不現(xiàn)實。

第三 對于條件3“兩電極間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路”

大家看到，如果圖1中沒有外部導(dǎo)線連接，則鋅銅兩種金屬在硫酸溶液中雖然構(gòu)成原電池，并且建立起電壓，但無法發(fā)生原電池反應(yīng)，同時鋅棒也不會被加速腐蝕。

舉個日常生活中的實例，大家購買的干電池時就可以充分證明了這一點。如果干電池不使用的話，電極之間還是穩(wěn)定的，即使長時間置放，干電池兩級之間的電壓也不會明顯的降低。一般的，我們從市場購買的干電池都是很多天之前生產(chǎn)的。

4.2 地下管網(wǎng)和銅接地網(wǎng)間的原電池回路 根據(jù)本文第三章節(jié)有關(guān)規(guī)范的要求，地下鐵制管網(wǎng)作為了自然接地體，并且和人工接地體銅接地網(wǎng)相連，地下管網(wǎng)和銅接地網(wǎng)之間充滿土壤，土壤中含有水份。參見圖2——地下鐵制管網(wǎng)與銅接地網(wǎng)原電池反應(yīng)回路圖，圖中的Fe代表地下管網(wǎng)，Cu代表地下銅接地網(wǎng)。

可以看到，圖2和 公開實驗課中的圖1(鋅銅原電池反應(yīng))是何等的類似，地下管網(wǎng)和銅接地網(wǎng)間形成了原電池回路，形成了兩個電極，由于電極間直接連接的原因，地下管網(wǎng)和銅接地網(wǎng)間發(fā)生了原電池反應(yīng)，從而加速了埋地鐵制管網(wǎng)的腐蝕。

圖2 地下鐵制管網(wǎng)與銅接地網(wǎng)原電池反應(yīng)模型

需要說明一下的是，水是極弱電解質(zhì)，在潮濕的環(huán)境下，尤其是雨后，隨著土壤中的含水量的增多，電解性質(zhì)表現(xiàn)的要突出許多。實際工程中，土壤中的水往往含有弱酸，弱堿或者鹽分，其電解性進一步增強。隨著時間的推移，在銅接地網(wǎng)的作用下，地下鐵制管網(wǎng)加速腐蝕。

4.3 混凝土內(nèi)鋼筋在銅接地網(wǎng)的作用下的腐蝕 為討論混凝土內(nèi)的鋼筋，在銅接地網(wǎng)的作用下的腐蝕過程，請看工程圖——鋼結(jié)構(gòu)立柱和銅接地網(wǎng)的連接圖。

工程圖來自工程實例，來源于某2x660 MW發(fā)電廠工程項目，設(shè)計方為某省級電力設(shè)計院(該設(shè)計院在省級電力設(shè)計院中，國內(nèi)綜合實力排名前三甲)。此工程圖很有代表性，國內(nèi)電力設(shè)計院幾乎均將此圖作為典設(shè)圖集，并在工程中普通使用。

從工程圖可以看出，混凝土上方為鋼結(jié)構(gòu)立柱，立柱通過專用的地腳螺栓固定在混凝土表面上，混凝土內(nèi)充滿了非常密的鋼筋，所有的鋼筋都是緊密連接的，已經(jīng)澆筑在混凝土內(nèi)。圖中左側(cè)，鋼筋的一根向上方引出，牢固的焊接在鋼結(jié)構(gòu)立柱底部；圖中右側(cè)，鋼結(jié)構(gòu)立柱通過一根截面積240 mm2的銅絞線和地下銅接地網(wǎng)緊緊的連接。

由于工程圖過于復(fù)雜(更多地表達了施工的工藝過程)，不利于問題的討論，為此，我們將工程圖簡化成圖3——混凝土內(nèi)鋼筋和銅接地網(wǎng)原電池反應(yīng)模型。仔細對比圖3和工程圖，在原電池反應(yīng)回路方面，兩者是等效的。(即圖3是工程圖的另一種表達和簡化)

工程圖 鋼結(jié)構(gòu)立柱和銅接地網(wǎng)的連接圖

圖3 混凝土內(nèi)鋼筋和銅接地網(wǎng) 原電池反應(yīng)模型

圖3 和圖2相比，從回路上看兩者幾乎是等同的，只是圖3中的Fe和Cu之間，從空間物理結(jié)構(gòu)上看，多了混凝土的“隔離帶”，由于“隔離帶”的存在，和圖2相比，在其它條件相同的情況下，圖3中的Fe和Cu間的原電池反應(yīng)更為偏弱和困難一些。

關(guān)于混凝土及鋼筋，這里有必要說明一下，

1：鋼筋是導(dǎo)體，混凝土含有硅酸鹽，如果混凝土內(nèi)的水分較多，其導(dǎo)電能力尚可，能夠較好的連接到大地。因此，在民用建筑領(lǐng)域，混凝土內(nèi)的鋼筋也通常作為接地極或防雷接地裝置來使用。《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范JGJ16－2016》第11.8.8章節(jié)規(guī)定“民用建筑宜優(yōu)先利用混凝土內(nèi)鋼筋作為防雷接地裝置”

2：混凝土在施工過程中加入了較多的水分，成形后結(jié)構(gòu)中密布著很多大大小小的毛細孔洞，因此就有了一些水分儲存。當(dāng)埋入地下后，地下的潮氣，又可通過毛細管作用吸入混凝土中，保持一定的濕度。?

3：鋼筋混凝土在其干燥時，是不良導(dǎo)體，電阻率較大，但當(dāng)具有一定濕度時，就成了較好的導(dǎo)電物質(zhì)，電阻率常可達100－200Ω.m。潮濕的混凝土導(dǎo)電性能較好，是因為混凝土內(nèi)的硅酸鹽與水形成導(dǎo)電性鹽基性溶液。

根據(jù)土建專業(yè)施工規(guī)范的要求，地下部分的混凝土在土方回填之前都要涂唰瀝青漆進行防腐處理，瀝青漆雖然也有一定的防水性能，但還不能對水起到絕對隔離的作用，不能阻礙電解質(zhì)。混凝土內(nèi)的鋼筋和地下銅接地網(wǎng)間仍能通過水的媒介作用，使得兩者形成原電池回路，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，進而加速鋼筋的腐蝕。

另外，水往往是無孔不入的，對于需要絕對防水的場合(阻礙鐵銅原電池的電解質(zhì))，要做專門的措施，成本也較高。

即使在軍用領(lǐng)域，尤其是海上，如果船只(甚至航母)長時間不運行和定期養(yǎng)護，同樣會發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。艦船絕對的防腐(或防水)依舊是難題，也在探索和提高的階段，并沒有完全解決。限于篇幅和本文的方向，不能再過多討論了，讀者有興趣可自行查閱公開的資料。

4.4 小結(jié)

總體上看，圖3和 圖2是屬于同一類型的，針對于不同的場合和條件(圖3多了混凝土隔離)而已，因此我們就只對 圖1和 圖2，做個橫向的對比，對比結(jié)果見表：

表 圖1鋅銅原電池反應(yīng)模型 和圖2地下管網(wǎng)及銅接地網(wǎng)原電池反應(yīng)模型 的對比

注：關(guān)于反應(yīng)時間的預(yù)期，也可以看做陽極(圖1為鋅，圖2為鐵)被腐蝕的時間的預(yù)期，當(dāng)電氣工程師看到圖1的鋅銅原電池在數(shù)分鐘內(nèi)完成反應(yīng)，鋅被腐蝕，燈泡被點亮，電流表指針的偏轉(zhuǎn)，再看看圖2，還真的有信心保證鐵制管網(wǎng)在地下能夠堅持50年嗎?

五、結(jié)論

通過上一章節(jié)四的討論，我們很自然的得到了問題的答案，所有問題的原因都在于：地下鐵制設(shè)備 和 銅接地網(wǎng)的外部連接上，而且是非常直接的連接，電阻幾乎可忽略!如果沒有外部連接，地下鐵銅間雖然能構(gòu)成原電池，但不會發(fā)生持續(xù)的原電池反應(yīng)，地下鐵制設(shè)備也不會加速腐蝕。

因此，我們可以得出一重要的結(jié)論，在銅材作為人工接地體材料的情況下，地下鐵制物體或設(shè)備是絕對不能再作為自然接地體來使用的，不能連接到地下銅接地網(wǎng)!

六、尾聲

站在化學(xué)科學(xué)的角度，我們知道了地下鐵銅間的原電池反應(yīng)，也找到了地下鐵被加速腐蝕的原因。同樣的，通過更多的化學(xué)分析，也能找到更多問題的答案，包括銅接地網(wǎng)條件(如果將地下鐵銅連接)下：土壤和水資源的污染，地下設(shè)備陰極保護的失效等等。