輸變電設(shè)施接地材料土壤腐蝕防護(hù)技術(shù)體系創(chuàng)新與應(yīng)用

曾文新

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)的電力需求繼續(xù)快速增長(zhǎng)為了減少長(zhǎng)途輸電線路供電過(guò)度造成的電力損失，國(guó)家電網(wǎng)提出了高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)接地系統(tǒng)的電導(dǎo)率提出了更高的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的接地網(wǎng)主要采用鍍鋅鋼、扁鋼、銅鋼等金屬材料由于地面網(wǎng)長(zhǎng)期埋在地下，一般需要在使用3至7年后更換地面網(wǎng)，因?yàn)榇嬖诟g問(wèn)題。如果接地網(wǎng)腐蝕情況相當(dāng)嚴(yán)重，接地網(wǎng)不能及時(shí)更換，接地網(wǎng)不能滿足熱穩(wěn)定性，而且由于腐蝕問(wèn)題，接地網(wǎng)的整體強(qiáng)度可能會(huì)提高。當(dāng)電力線被閃電擊中或短路時(shí)，電力線建立的接地網(wǎng)不能迅速切斷閃電電流或故障電流。當(dāng)故障電流值較高時(shí)，即使連接到電力線的電氣設(shè)備也可能被燒毀，這不能保證電力系統(tǒng)的安全可靠地運(yùn)行。本文主要分析了低壓設(shè)施接地材料地面防腐技術(shù)體系的創(chuàng)新與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輸變電設(shè)施;接地材料;土壤腐蝕率

引言

變電站接地裝置對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，變電站建設(shè)中接地良好至關(guān)重要。接地的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，詳細(xì)了解接地材料的性能和適當(dāng)?shù)沫h(huán)境對(duì)于正確選擇接地材料和成功地建設(shè)接地網(wǎng)至關(guān)重要。

1、接地網(wǎng)材料腐蝕的主要影響因素

1.1土壤的含水量

電解溶液是對(duì)電化學(xué)腐蝕作出反應(yīng)所必需的，因此土壤含水量是確定土壤腐蝕性的重要參數(shù)。一般而言，水含量越高，金屬材料在土壤中的電化學(xué)腐蝕越強(qiáng);但是，存在一個(gè)閾值，當(dāng)土壤含水量超過(guò)該值時(shí)，土壤腐蝕就會(huì)減少。

1.2土壤的酸堿度

土壤pH值通常介于5到8之間。在此范圍內(nèi)，ph值通常不是影響材料腐蝕速率的主要因素。但是，土壤酸度的增加增加了大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料（如來(lái)源、鋼、鍍鋅層等）的腐蝕傾向。堿性土壤通常含有高濃度的Na、k、Mg和ca，通常會(huì)在材料表面形成鈣質(zhì)沉積物，從而減少材料的腐蝕。此外，土壤酸度會(huì)影響材料的腐蝕行為，影響其在腐蝕產(chǎn)物和土壤中微生物中的溶解度。

1.3土壤電阻率

土壤電阻率取決于水和可溶性鹽的含量，是土壤腐蝕性的一個(gè)重要指標(biāo)。由于大多數(shù)腐蝕反應(yīng)主要是電化學(xué)反應(yīng)，材料的腐蝕速率與土壤中的離子電流密切相關(guān)，高強(qiáng)度必然會(huì)降低腐蝕速率。當(dāng)然，土壤腐蝕性不能僅僅根據(jù)電阻率來(lái)評(píng)估，即使土壤電阻率很高，也不能保證腐蝕率很低。例如，地下管線沿線土壤電阻率的變化可能導(dǎo)致大腐蝕電池的形成，從而導(dǎo)致局部快速腐蝕。

1.4微生物

微生物或微生物代謝物的活性是微生物腐蝕的主要影響因素。越來(lái)越多的研究表明，大多數(shù)金屬容易受到微生物腐蝕，包括陰極極化機(jī)制，這種機(jī)制加速了陰極反應(yīng)，作為一種流量調(diào)節(jié)措施;形成表面微電池，其中微生物在材料表面分布不均，導(dǎo)致形成縫隙或顯著差異的電池;酸性腐蝕，酸性微生物代謝物（主要是脂肪酸）加速腐蝕。微生物腐蝕可能在有氧和缺氧條件下發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，厭氧代謝物具有高度腐蝕性;好氧細(xì)菌可以產(chǎn)生腐蝕性無(wú)機(jī)酸;基礎(chǔ)代謝物具有腐蝕性副產(chǎn)品，如有機(jī)酸，也可能使有機(jī)涂層退化。

2、金屬材料的土壤腐蝕行為與防護(hù)

2.1金屬材料的防腐技術(shù)

目前工程中常用的養(yǎng)護(hù)措施如下（1）通過(guò)改變插座的特性降低腐蝕率。例如，增加取土體的橫截面，或直接使用更耐蝕的接地材料等（2）采用實(shí)物保護(hù)方法，主要是將接地材料與引起腐蝕的非電接觸物理隔離。目前有更多的防腐涂料和導(dǎo)電模塊。（3）使用化學(xué)保護(hù)方法，也稱為陰極保護(hù)法，是基于原電池原則，包括額外電流法和犧牲陽(yáng)極法。陰極保護(hù)法是目前最有效和應(yīng)用最廣泛的方法。（4）使用gpf-94等高效膨潤(rùn)土產(chǎn)品降低耐蝕性。

2.2非金屬材料在防腐技術(shù)中的應(yīng)用

低強(qiáng)度石墨組織的制備方法如下：首先，赫爾穆特石墨（含85 %以上的碳）轉(zhuǎn)化為helminthial石墨紙，然后通過(guò)熱凝固和輥壓得到復(fù)合石墨紙，再通過(guò)夾緊和壓縮去除復(fù)合石墨輥，最后制成石墨組織與還原石墨組織聯(lián)合應(yīng)用接地材料可起到防止接地材料腐蝕和減少金屬接頭的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，降低石墨強(qiáng)度具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）使用抗拉強(qiáng)度降低石墨組織代替抗拉強(qiáng)度降低劑，其抗拉強(qiáng)度降低效果不會(huì)隨著地下水的流動(dòng)而喪失，從而確?？估瓘?qiáng)度降低效果的長(zhǎng)期有效性，同時(shí)避免污染問(wèn)題（2）制備工藝簡(jiǎn)單廉價(jià)，適用于大規(guī)模應(yīng)用，在電氣系統(tǒng)防雷接地技術(shù)領(lǐng)域具有重要的實(shí)用意義。非金屬結(jié)件的腐蝕問(wèn)題、石墨土復(fù)合金屬結(jié)件以及耐蝕非金屬結(jié)件的發(fā)展可以有效地解決這一問(wèn)題。非金屬材料的選用應(yīng)符合下列要求：良好的耐腐蝕性能和良好的抗老化性能;可靠的機(jī)械連接強(qiáng)度;盡可能增加石墨接地復(fù)合材料的接觸面積，降低接觸強(qiáng)度;減少對(duì)分散的影響;非金屬接頭用桿、螺釘和螺栓固定。比較材料后，上下夾緊板選擇高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂材料，螺釘和螺栓選擇DuPont téflon材料。

2.3接地體與金屬引下線連接方案優(yōu)化

石墨柔性材料更為靈活，即使是鋼筋石墨導(dǎo)電線在被外力牽引時(shí)，也很容易從塔腳中分離出來(lái)，下雨時(shí)容易造成石墨損耗，破壞和影響接地效果。因此，使用鍍鋅圓鋼和石墨接地裝置等金屬材料仍然是地面連接的重要手段。目前，金屬導(dǎo)線與柔性石墨基底主體之間的連接主要由螺栓壓力接頭和楔壓接頭組成。石墨電纜可以用鋅皮纏繞2 ～ 3圈，然后石墨電纜和鍍鋅鋼可以纏繞2 ～ 3圈，從而使石墨材料和圓鋼材料之間的接觸更加緊密，從而縮小電位差，形成陰極保護(hù)在卷繞結(jié)束時(shí)，采用新的高強(qiáng)度非金屬板和螺栓進(jìn)行加電，在為電化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造條件后，采用瀝青進(jìn)行加電。

2.4導(dǎo)電耐蝕涂層

修改傳統(tǒng)防腐涂料，降低涂料強(qiáng)度，同時(shí)保持耐蝕性，滿足接地網(wǎng)的性能要求。含有金屬元素（如鍍鋅層和銅層）的防腐蝕涂層不應(yīng)考慮電導(dǎo)率要求。大多數(shù)無(wú)機(jī)或有機(jī)涂層（導(dǎo)電聚合物除外）可被視為絕緣層，因此必須通過(guò)添加導(dǎo)電顆粒來(lái)減少。這些導(dǎo)電顆粒有銅粉等金屬顆粒;有石墨粉末或炭黑等非金屬顆粒;非金屬纖維如碳纖維的存在;有納米粒子，如碳納米管等一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電顆粒填充材料含量越高，涂層導(dǎo)電性能越好，但薄膜形成能力和涂層密度越低，從而降低了防腐性能。因此，通過(guò)減小粒子的比例和增加粒子的散射，在保證導(dǎo)電性能的同時(shí)，必須降低填充材料的含量。用于接地材料保護(hù)的新型Ni-TiN金屬陶瓷涂層。涂層保持良好的金屬導(dǎo)電性能，同時(shí)具有良好的耐蝕性。所有功能涂層都需要高度粘接，因此必須嚴(yán)格處理材料表面，控制涂層工藝參數(shù)，確保涂層質(zhì)量，以防止接地網(wǎng)腐蝕。一般來(lái)說(shuō)，防護(hù)涂層的厚度在幾十至幾百微米之間，在實(shí)施過(guò)程中必須避免對(duì)地面導(dǎo)體涂層造成局部損壞。此外，改性納米涂層、金屬陶瓷涂層和導(dǎo)電聚合物涂層成本高昂，難以應(yīng)用于接地網(wǎng)。

2.5土壤的選擇

氧含量、含水量和土壤pH值是土壤腐蝕的關(guān)鍵因素。變電站工程嚴(yán)格要求接地電阻。一般來(lái)說(shuō)，土的強(qiáng)度越低，接地材料的腐蝕就越快。如果過(guò)分堅(jiān)持強(qiáng)度較低，會(huì)導(dǎo)致接地材料過(guò)早丟失，并影響設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。在綜合測(cè)量物理化學(xué)性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)可靠性和土壤安全等因素之后，才采取土壤處理措施，如為土壤高強(qiáng)度地區(qū)的變電站開發(fā)減阻技術(shù);根據(jù)土壤電阻率分布特征選擇適當(dāng)?shù)慕拥鼐W(wǎng)結(jié)構(gòu)、尺寸和分布;變電站接地網(wǎng)在非均勻接地等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)其他條件也可以改變，例如使用防腐蝕措施，例如防止金屬?gòu)?fù)蓋、陰極保護(hù)和增加地球體部分。

結(jié)束語(yǔ)

土壤腐蝕是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，不能用通用模型來(lái)描述。土壤中的材料腐蝕是變電站等重要電力設(shè)施失靈的一個(gè)關(guān)鍵因素，開發(fā)接地材料是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵手段。耐蝕性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性是未來(lái)接地材料的研究目標(biāo)。此外，建造簡(jiǎn)易性、耐久性和環(huán)境也是建設(shè)接地網(wǎng)的重要要求。

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