輸電線路桿塔接地引下線腐蝕問題及對策分析

中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司 胡全 鄢藝

長期以來，輸電線路接地裝置通常采用扁鋼、圓鋼、鍍鋅鋼、銅、銅覆鋼等金屬材料作為接地主材，然而此類材料存在的主要問題為抗腐蝕性不足。扁鋼、圓鋼的抗腐蝕性差；相對于圓鋼而言，鍍鋅鋼的抗腐蝕性有所加強(qiáng)，但仍存在較為明顯的腐蝕現(xiàn)象；銅、銅覆鋼材料的抗酸性和抗腐蝕性能較差。近年來，柔性石墨接地材料以其較強(qiáng)的抗腐蝕性、良好的降阻性能和耐沖擊性能，以及具有運輸、施工便捷性，而得到廣泛應(yīng)用。

輸電線路采用柔性石墨材料作為接地主材時，往往與金屬材料存在連接，如石墨材料連接處與金屬固定器件接觸點，以及柔性石墨材料與金屬引下線連接點等。從近年實踐來看，柔性石墨接地材料在發(fā)揮其優(yōu)越性能的同時，與金屬的連接處經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，隨著使用時間的不斷增加，會導(dǎo)致連接點電阻增大，甚至電氣連接失效，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)運行安全。

因此，研究柔性石墨接地材料與金屬連接點出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的形成原因和改進(jìn)方案，對提高接地裝置安全性具有重要意義。

輸電線路接地用柔性石墨材料的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)勢

輸電線路用柔性石墨接地材料一般采用高純度鱗片石墨（純度≥95%），通過石墨氧化處理和高溫膨化工藝制作成膨化石墨，并配合一定比例的無機(jī)纖維和合成纖維、水乳性粘接劑等材料，經(jīng)輥壓、熱塑，及絞線成型工藝制備而成。其主要性能優(yōu)勢體現(xiàn)為：

（1）相對常規(guī)接地金屬材料，石墨的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在酸性、堿性、鹽漬土壤環(huán)境中耐腐蝕性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于圓鋼、銅覆鋼等傳統(tǒng)金屬接地材料，可降低接地裝置的全壽命周期成本。

（2）柔性石墨接地材料具有良好的導(dǎo)電性能和抗沖擊特性。相關(guān)試驗表明，柔性石墨接地體在120千安沖擊電流作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充分滿足雷電流和線路短路電流的排散要求。柔性石墨復(fù)合接地材料具有良好的吸濕保濕能力，電阻率小、磁導(dǎo)率高、趨膚深度小，有效散流面積、耐沖擊性能高于常規(guī)接地材料。

（3）柔性石墨接地材料柔韌性好，在實際工程中布置非常方便，安裝方式靈活；同時，柔性石墨接地材料表面與土壤粘合度高，接地體與土壤的接觸電阻更低，更利于電流排散。

輸電線路接地引下線腐蝕成因分析

輸電線路采用柔性石墨復(fù)合接地材料后，與金屬連接處的腐蝕主要為縫隙腐蝕和電偶腐蝕。

縫隙腐蝕

柔性石墨接地材料屬于非金屬材料，與接地體金屬部件之間一般采用壓接方式進(jìn)行連接。由于壓接面存在微小縫隙，為導(dǎo)電性介質(zhì)的浸入和滯留提供了空間，一旦土壤中的腐蝕性介質(zhì)浸入，就會形成縫隙腐蝕，加速接觸面金屬的腐蝕。

縫隙腐蝕過程可以看作是先后形成氧濃差電池和閉塞電池的作用過程。

腐蝕初始階段，氧去極化腐蝕在縫隙內(nèi)外均勻進(jìn)行，由于接觸縫隙中介質(zhì)滯留，縫內(nèi)氧氣消耗后難以得到補充，縫隙內(nèi)外形成氧濃度差，從而構(gòu)成氧濃差電池，縫隙內(nèi)為陽極，縫隙外為陰極。

陽極發(fā)生反應(yīng)為：

陰極發(fā)生反應(yīng)為：

隨著上述反應(yīng)的發(fā)展，縫隙內(nèi)的氧氣消耗完，縫隙內(nèi)外表面宏觀上構(gòu)成閉塞電池，此時接觸面縫內(nèi)腐蝕反應(yīng)為：

可見，隨著腐蝕的深入發(fā)展，接觸面上氫離子濃度增加，PH值降低，加速金屬腐蝕。并且，如果選用的石墨產(chǎn)品中殘留有硫離子基團(tuán)，這些基團(tuán)通過擴(kuò)散作用向縫內(nèi)遷移，從而大大加快腐蝕速度。

電偶腐蝕

柔性石墨腐蝕電位遠(yuǎn)高于金屬，在導(dǎo)電性電解質(zhì)的作用下，將形成以金屬為陽極、石墨為陰極的電偶腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕理論，當(dāng)柔性石墨材料與金屬在土壤電解質(zhì)中接觸時，由于實際電位存在差異，便會形成電子流動，形成腐蝕電池，造成圓鋼溶解速度加快，形成接觸面的局部腐蝕。

圓鋼等金屬陽極反應(yīng)式為：

而石墨在此反應(yīng)中是一種惰性電極，在反應(yīng)中起到形成電位差的作用，本身不參與化學(xué)反應(yīng)過程，陰極反應(yīng)為土壤電解質(zhì)中的氫離子被還原成氫氣放出。反應(yīng)中的氫離子一方面來源于土壤中，尤以酸性土壤為最；另一方面，在一定的濕度下，金屬表面會形成水膜，柔性石墨材料中殘存的cl-、so42-、s2-、so2、so3進(jìn)入水膜中，促使其酸性增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生更多的氫離子，形成大量的微觀電池，加快金屬腐蝕。

陰極反應(yīng)式為：

輸電線路接地引下線連接方案改進(jìn)措施

從本文分析可知，當(dāng)輸電線路采用柔性石墨作為接地材料時，為減少和防止石墨與金屬連接面的腐蝕，主要方法是減緩和阻止其化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，主要途徑是對接地體本身連接處和接地體與桿塔引下部分進(jìn)行優(yōu)化處理。

接地體本體連接方式優(yōu)化方案

為了獲得更好的力學(xué)性能，使接頭更加牢靠，柔性石墨材料之間進(jìn)行連接時，往往采用金屬進(jìn)行壓接固定，這種方式給電化學(xué)腐蝕提供了條件。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在高強(qiáng)度非金屬螺栓等產(chǎn)品已比較成熟，可將原鍍鋅鋼等以及螺栓固定用金屬材料改為新型高強(qiáng)度非金屬板材和螺栓，從而避免形成柔性石墨材料與金屬材料的接觸，避免腐蝕產(chǎn)生。

接地體與金屬引下線連接方案優(yōu)化

柔性石墨材料較為柔軟，即使是鎧裝石墨引下線，在受外力拖拽時也易導(dǎo)致與塔腳脫離連接，在受雨水沖刷時也易造成石墨流失，破壞和影響接地效果。因此，以鍍鋅圓鋼等金屬材料作為引下線與石墨接地裝置在土壤中連接，仍是重要的連接方式。

目前，金屬引下線和柔性石墨接地體連接主要有螺栓壓接和楔形壓接?？蓪⑹|用鋅皮纏繞2～3圈，然后繼續(xù)將石墨纜和鍍鋅鋼纏繞2～3圈，使石墨材料與圓鋼材料之間接觸更加緊密，減少電位差，亦對鍍鋅鋼形成陰極保護(hù)。纏繞完成后使用新型高強(qiáng)度非金屬板材和螺栓進(jìn)行壓接，壓接完成后使用瀝青進(jìn)行包裹，以限制電化學(xué)反應(yīng)所需條件的形成。

結(jié)論

本文對輸電線路采用柔性石墨接地體后石墨與金屬連接點腐蝕問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

（1）輸電線路接地用柔性石墨材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕性、良好的降阻性能和耐沖擊性能，以及運輸和施工的便捷性，相對傳統(tǒng)接地材料具有優(yōu)勢。

（2）本文重點分析出，輸電線路采用柔性石墨接地材料后，與金屬連接點存在電化學(xué)腐蝕的成因，主要為縫隙腐蝕和電偶腐蝕。

（3）根據(jù)腐蝕原理，結(jié)合新型非金屬材料的應(yīng)用情況，提出當(dāng)輸電線路采用柔性石墨材料接地時，使用高強(qiáng)度非金屬材料進(jìn)行石墨材料壓接的改進(jìn)措施，在柔性石墨與鍍鋅鋼使用非金屬材料壓接后，使用鋅皮纏繞進(jìn)行均壓和陰極保護(hù)，并使用瀝青進(jìn)行包裹，以限制電化學(xué)反應(yīng)條件的形成。

輸電線路接地引下線。 資料圖