輸電桿塔接地材料土壤腐蝕因素研究

王 欣 王效洪

（1．陜西 西安 710061；2．西安明德理工學院，陜西 西安 710061）

0 引言

輸電桿塔的接地裝置在實際建設中十分重要，且土壤腐蝕性較為顯著，這便對接地材料的防腐能力有了較高的要求。由于我國輸變電設施接地材料主要為碳鋼，且大多埋設于具有較強腐蝕性的土壤中，因此其腐蝕失效問題較突出，需要每5年～10年進行開挖維護甚至重新安裝，檢修具有一定的盲目性，頻繁開挖會影響電網(wǎng)運行等其他問題。我國地域廣闊，不同地區(qū)的土壤所造成的對金屬的腐蝕大不相同，而我國對接地材料土壤腐蝕的研究開展較晚，研究也較為局限。

考慮土壤中多方面的影響因素，該次研究設計選用常見的接地材料，并根據(jù)我國氣候地域分布選出的不同土壤環(huán)境進行極端條件下的接地材料防腐性能試驗，并根據(jù)實地考察對比試驗與實際施工的差異及不同，從經(jīng)濟、區(qū)域多方面分析了接地材料的性能。

1 接地電阻土壤腐蝕簡介

接地是通過一部分特殊線路將用電設備與大地相連，當出現(xiàn)故障產(chǎn)生過電流時將電流導入大地中，通常將接地的大地無窮遠處定為零電位點。在高壓用電輸電設備中，如果出現(xiàn)漏電等故障，會造成巨大危險及損失，因此接地裝備要求高、作用大，一般為大型地下接地網(wǎng)的形式，且大型電氣設備無法像小型家用電器一樣方便檢修，常常需要大面積開挖更換。輸電桿塔接地結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸電桿塔接地結(jié)構(gòu)圖

接地網(wǎng)是將接地材料線路按照規(guī)格互相連接鋪設在地下一定深度形成一個大型地下接線網(wǎng)，接地網(wǎng)設施安全保護、屏蔽等多種作用。接地網(wǎng)大小不同，使用的材料也多種多樣，有的只由一個接地極構(gòu)成，一般根據(jù)實際施工來設計。常見的接地網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 常見的接地網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)中的主要并且應首要考慮的是安全可靠性，接地裝置主要是當有故障過電流等大電流穿過設備時可以及時將電流通過接地裝置流入大地，以確保設備及人員的安全，進而以最快速度降低設備的電位差。當外界出現(xiàn)電磁干擾時，接地裝置也可以通過外部接地絕緣外殼屏蔽電磁波，對發(fā)電機等大型電氣裝置，接地裝置可以以陰極保護的方式利用電化學原理有效減少金屬裝置腐蝕，接地也在設備停電時提供了泄流通道。

目前接地材料主要為鋼芯或鐵芯為主要泄流金屬導體，這是考慮我國資源所有量進行的總體規(guī)范，因鐵和鋼在我國國情上既滿足資源需求又大體做到接地要求。針對外側(cè)的防腐鍍層的上鍍方法也有很多種，有已經(jīng)經(jīng)過正規(guī)實驗逐漸淘汰的電鍍方式，這種較早采用的電鍍方式鍍層過薄，使用年限短，后續(xù)出現(xiàn)的熱鍍鋅其鍍層厚度已經(jīng)是電鍍技術所能達到的5倍，但在使用期限上還是比不過后來出現(xiàn)的直接通過包覆方式加設鍍層的鋅包鋼接地材料。此外還有其他一些以石墨為主要組成部分的非金屬材料。

土壤是由固體沙土微粒、水分、各種氣體、無機物、有機物微生物、游離電子微粒和黏液膠體等各種各樣復雜的成分構(gòu)成的分布不均的多樣體系。土壤膠體一般都附著有游離電子，同時也攜帶有不同種類的陰離子，由于土壤中往往存在或多或少的水分，使土壤這個體系成為一個具有腐蝕能力的多項電解質(zhì)體系。土壤中金屬物質(zhì)的腐蝕過程是以電化學反應為主，而金屬材料在土壤中受到的腐蝕因為影響因素很多而多種多樣，這些影響因素主要包括土壤質(zhì)地、電阻率、無機鹽含量、各種陰陽離子、pH值、水分含量、本身的電場環(huán)境、有機物微生物等因素的相互反應促進或抑制，因此會造成土壤中金屬材料的土壤腐蝕。

土壤腐蝕即埋設在地下的輸電線路接地線路因土壤中的電解質(zhì)而發(fā)生極化。土壤腐蝕的影響因素有很多，如土壤本身的質(zhì)地、疏松緊密程度、空氣流通量、導電能力、水分含量，電阻率，水中離子濃度和種類、無機鹽含量、pH值、分布的電位、有機物及微生物等。

土壤溫度是自然環(huán)境下接地材料鋪設首要面對的影響因素之一，溫度的高低決定了土壤中各種分子、離子的移動擴散速度，進而對其他方面也會產(chǎn)生側(cè)面影響。土壤的電阻率是判斷土壤腐蝕性的一個非常重要的標志參數(shù)，土壤電阻率越低，金屬的腐蝕性也就越強。針對這一影響因素，溫度對土壤電阻率的影響很顯著，溫度每變化1℃，土壤電阻率就會變化2%。而相同的溫度降低，電阻率就會升高。

關于濕度對土壤腐蝕影響的研究主要涉及兩個方向。第一種方向，水滲透在土壤中使土壤成為一個大型電解質(zhì)環(huán)境，進而造成電化學腐蝕。第二種方向，濕度與土壤的各種物理化學性質(zhì)復雜且多樣，這其中的各種成分反應會進一步對土壤腐蝕產(chǎn)生影響。不過土壤的濕度對土壤腐蝕的影響是存在一個影響最大限度的，隨著濕度的增加土壤腐蝕速率不斷增大，當濕度達到某一值時，往往是土壤水分達到飽和，接地線路的腐蝕速率便會達到一個最大限度，這時候濕度若進一步增加，腐蝕速率反而會減小。

隨著在土壤中埋地時間變長，接地材料表面的氧化物不斷增多。因土壤的物質(zhì)結(jié)構(gòu)極為多樣，除上述這幾種主要影響因素外，這些因素相互疊加還會有其他各種各樣不同的腐蝕效果。例如，溫度會影響土壤中生物群的活性和數(shù)量，酸堿度和濕度會影響土壤中無機物的分解速度，而濕度又會對土壤中游離離子的數(shù)量濃度產(chǎn)生影響，以上這些影響因素就土壤腐蝕來說并不能完全單一劃分開來。

接地材料土壤腐蝕最直接的表現(xiàn)即是質(zhì)量的變化，不同接地材料受到的腐蝕效果和產(chǎn)物雖各有不同，但都能從質(zhì)量變化上判斷其腐蝕程度，稱重法便是最直觀來觀察和計算腐蝕率的方法。因此該文的接地材料土壤腐蝕試驗采用稱重法計算接地材料的土壤腐蝕速率。

稱重法要求按式（1）計算出平均腐蝕率。

式中：為樣品平均腐蝕率，mm/a；△為樣品質(zhì)量損失，g；為樣品受腐蝕表面積，cm；為樣品埋入土壤受到腐蝕的時間，min；為樣品材料密度，g/cm。

2 土壤腐蝕試驗及數(shù)據(jù)

該文選取銅包鋼、鋅包鋼以及石墨接地材料三種接地材料進行土壤腐蝕試驗。銅包鋼樣品直徑18mm，每段長度為50mm，外層銅鍍層厚度為（0.24±0.05）mm的復合材料。鋅包鋼樣品直徑18mm，長度為50mm，包覆層厚度為（0.2±0.1）mm的復合材料。石墨柔性接地材料的寬度為42mm，厚度為5mm，每段長度為50mm。樣品表面的鍍層應無裂痕破損等損壞，截面平整，表面光滑，大小一致。試驗前先用乙醇溶液將樣品表面污垢進行清洗，待樣品完全干燥后用精度為0.1mg的電子分析天平稱重記錄，用密封蠟將兩端界面做防水封閉處理待用。

2.1 酸堿度試驗

保持溫度為60℃，用鹽酸和氯化鈉溶液配制使土壤pH值為4.0，用氫氧化鈉溶液配制使土壤pH值為10.0，于非金屬容器中鋪平約35mm～40mm厚度，分別將接地材料銅包鋼、鋅包鋼、石墨樣品水平放置在容器內(nèi)土壤正中間，同樣放置位置盡量保持相同，以減少試驗偶然性，然后再覆蓋35mm～40mm厚度調(diào)配好的對應土壤，將土壤表面抹平。土壤腐蝕率計算結(jié)果見表1。

表1 酸堿度試驗土壤腐蝕率

由試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不論是在強酸性土壤還是堿性土壤下，柔性石墨接地材料的腐蝕效果自身具有的吸水性使它的土壤腐蝕率計算結(jié)果較大，這種吸水性使其自身所含水量要大于本身質(zhì)量?？紤]水溶解離子電子的特點會在一些情況下可能提高土壤腐蝕而造成金屬接地部分的局部腐蝕，因此在實際施工中要尤其注意柔性石墨接地線與接地引下線連接處的焊接效果及防腐措施，并要定期檢查維修。在銅包鋼試驗組別中，銅包鋼在強酸性土壤中的腐蝕效果要比在強堿性土壤中的腐蝕效果略明顯，這是由于在氯離子含量較高的情況下，銅的電偶腐蝕較為明顯，因此銅或銅包鋼接地材料會出現(xiàn)局部腐蝕。銅包鋼在強酸強堿土壤環(huán)境中均較為明顯，因此不適合在強酸強堿這種土壤中作為接地材料使用。在強堿土壤試驗中有一組由于兩側(cè)界面沒有完全密封好，水浸入后截面鋼芯出現(xiàn)了明顯的銹跡腐蝕現(xiàn)象，說明了若防腐涂層受損，會對內(nèi)部鋼芯造成較大影響。如在實際施工中，會出現(xiàn)局部部位嚴重腐蝕甚至斷裂。鋅包鋼因為本身制作工藝的原因會造成表面鍍層厚度不均勻，在其生成氧化鋅這種主要防腐能效膜衣時，也容易出現(xiàn)破損及不均勻分布的現(xiàn)象，使其防止土壤腐蝕的效果遠沒有理論預期的好。鋅包鋼主要的防腐原理除了利用耐腐蝕的氧化鋅薄膜外，還有利用活躍的鋅形成原電池，作為電化學反應避免鋼芯的腐蝕，這種方法并不長久。

2.2 濕度試驗

選定濕度較高的地區(qū)為范本用蒸餾水配置濕度為30%的土壤，選定濕度較低的地區(qū)為范本用蒸餾水配置濕度為10%的土壤，接地材料放置方式與上述酸堿腐蝕試驗相同。將容器開口密封包裹，減少水分蒸發(fā)，以保持容器內(nèi)水量恒定。72小時后將樣品取出，進行外觀檢查，用酒精清洗干凈后，用電子分析天平稱重記錄，期間記錄樣品表面腐蝕效果。土壤腐蝕率計算結(jié)果見表2。

表2 濕度試驗土壤腐蝕率

從試驗結(jié)果可知，對鋅包鋼接地材料而言，濕度為30%時的土壤腐蝕效果大體比濕度為10%時的要明顯，說明鋅包鋼在濕度較大的情況下土壤腐蝕效果要明顯一些。而對銅包鋼則結(jié)果相反，銅包鋼在濕度較小的土壤腐蝕效果要更明顯一些。這主要是由于兩者在原電池中為不同電極，因此在不同含氧區(qū)域表現(xiàn)出的腐蝕效果不同。對石墨柔性接地材料來說兩種濕度環(huán)境的差別都不大。

土壤濕度一般為土壤中水的質(zhì)量與土壤干重的比值，這是最常用常見的定義，試驗提前將所用土壤進行高溫烘干后配比蒸餾水，以獲得特定濕度的土壤。與試驗預估結(jié)果一樣，由于水是離子及電子溶解的載體，濕度高的土壤的接地材料腐蝕程度明顯高于濕度低的土壤的接地材料。濕度高的離子、電子溶解含量高，腐蝕媒介豐富，且會使土壤的電阻率下降，一定情況下會增加雷雨天氣下輸電桿塔受雷擊時被較大電流擊穿以及遇到故障被較大短路電流損害的風險，因此濕度較高的南方地區(qū)須更加注意接地材料及接地線路的施工維修。

2.3 溫度試驗

保持溫度為120℃及60℃，用鹽酸和氯化鈉溶液配制使土壤pH值為4.0，將材料放置入對應土壤60分鐘后將樣品取出，進行外觀檢查，用酒精清洗干凈后，用電子分析天平稱重記錄，期間記錄樣品表面腐蝕效果。試驗發(fā)現(xiàn)銅包鋼在60℃時質(zhì)量變化大體為減少，而到了120℃時反而增重，說明不同溫度對銅包鋼造成的腐蝕效果并不同。對鋅包鋼則和預想的結(jié)果相似，120℃下的腐蝕程度要比60℃情況下要嚴重。土壤腐蝕率計算結(jié)果見表3。

表3 溫度試驗土壤腐蝕率

3 結(jié)論

該文通過對以上試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出如下結(jié)論。1） 在強酸強堿試驗中，鋅包鋼的土壤腐蝕率明顯高于銅包鋼，而其兩者各自在酸堿環(huán)境中的短期腐蝕效果差別并不明顯。其中銅包鋼在酸性土壤環(huán)境中表現(xiàn)為失重，在堿性環(huán)境中表現(xiàn)為增重，而鋅包鋼在酸堿土壤環(huán)境中多表現(xiàn)為增重。2） 在不同濕度土壤腐蝕試驗中，銅包鋼在高濕度環(huán)境下的腐蝕速率要低于低濕度環(huán)境下的腐蝕速率，鋅包鋼則完全相反，分析原因為兩者在原電池中為不同電極，使其在不同含氧區(qū)域表現(xiàn)出的腐蝕效果不同。3）在不同土質(zhì)環(huán)境試驗中，富含有機物微生物的土壤腐蝕率明顯大于沙質(zhì)土壤。說明有機物以及微生物的各種氧化硫化作用對接地材料腐蝕影響顯著。

試驗結(jié)果與預期基本一致，和室內(nèi)外腐蝕試驗得出的結(jié)論相同，土壤腐蝕速率表現(xiàn)為碳鋼＞鋅包鋼＞銅包鋼。鋅包鋼接地材料較銅包鋼接地材料適用于濕度較小的區(qū)域，而接近地表或土壤中水氧含量較高時則不適合采用，同時也要避免埋設在具有南方特點的富有有機物腐質(zhì)土壤中。鋅包鋼首要影響因素為鋅的活潑屬性，其使用年限比銅包鋼短。銅包鋼由于本身不易腐蝕及原電池反應特性適合場景較多，因此更適合中性土壤環(huán)境，在實際施工時要避開周圍金屬建筑，可作為深埋材料如深埋地下靠近地下水的區(qū)域。而在酸性、堿性環(huán)境中鋅包鋼的實用性更加突出。