基于陰極保護原理的變電站接地網(wǎng)防腐技術

張 宇

（國網(wǎng)黑龍江省送變電工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

相比于常規(guī)的鍍鋅防腐措施，陰極保護防腐技術在使用成本、維護難度、保護效果等方面均有明顯優(yōu)勢。在使用外加電流的陰極保護技術時，一方面要了解接地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤條件，包括土壤電阻率、pH值、可溶性鹽含量等，在此基礎上選擇合適的電極材料、設計科學的陰極保護方案；另一方面還要引入自動控制系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域的具體情況，靈活調節(jié)接地網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)的輸出電流和輸出電壓。只有始終保持極化電位值最佳，才能兼顧經(jīng)濟效益和保護效果，彰顯接地網(wǎng)陰極保護防腐技術的應用優(yōu)勢。

1 變電站概況

某110 kV 變電站于2002 年建成并投入使用，修建時選擇普通碳鋼作為接地網(wǎng)材料。該變電站自運行以來，雖然每隔幾年會進行一次接地網(wǎng)的檢查、維修，但是由于土壤中鹽分較大（可溶性鹽203 g/100 g 土、pH8.3～8.5），碳鋼接地網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴重的銹蝕現(xiàn)象，必須要采取防腐措施。考慮到該變電站接地網(wǎng)的腐蝕以電化學腐蝕為主，需要針對性的采取電化學保護技術?？晒┻x擇的方案有犧牲陽極材料的陰極保護法和外加電流的陰極保護法2 種。由于變電站接地網(wǎng)覆蓋面積廣，如果選擇犧牲陽極的電化學保護，需要使用大量的陽極材料，并且由于陽極材料消耗較快，每隔一段時間需要更換一次材料，因此成本較高、維護工作量大。相比之下，外加電流的電化學保護，只需要提供外部電源、持續(xù)輸入電流，即可使被保護的接地網(wǎng)材料免遭腐蝕[1]。

2 基于陰極保護原理的變電站接地網(wǎng)防腐方案

2.1 陰極保護電流密度的計算

在選定外加電流的變電站接地網(wǎng)防腐保護技術后，為了達到理想的防腐效果還要計算最佳的陰極保護電流密度。這樣就可以利用自動控制裝置，靈活調節(jié)外加電流的大小，在滿足防腐需要的前提下，減少電能的浪費，達到節(jié)能降本的效果。對于碳鋼接地網(wǎng)來說，影響其陰極保護電流的因素較多，例如土壤中鹽分與水分的含量，以及接地網(wǎng)表面腐蝕狀態(tài)等。國外執(zhí)行標準為10～100 mA/m2，本研究根據(jù)接地網(wǎng)所在地區(qū)的土壤條件，將保護電流密度設定為60 mA/m2。因此，該變電站接地網(wǎng)在陰極保護中需要提供的外接電流（I）為：

I=i×S=60mA/m2×148m2=8880mA=8.88A （1）

結合地質勘察結果，該變電站所在地區(qū)為輕度鹽堿性土壤。為了延長電極的使用壽命，本研究使用了WDFY-711 電極，這種電極除了排流量大、消耗量低等特點外，還有易于安裝等優(yōu)勢。假設該電極的使用壽命為30 年，則該變電站接地網(wǎng)的陰極保護方案中共需要WDFY-711 電極的質量（M）為：

式中：T 為電極的壽命，此處取30 年；g 為電極的消耗率，為0.16 kg/A·a；K 為電極有效利用系數(shù)，取0.5；I為工作電流，結合上文計算取8.88 A。將各數(shù)據(jù)帶入上式后，求得M=85.25 kg，即該變電站接地網(wǎng)外加電流防腐保護中，要想使電極壽命達到30 年，共需要85.25 kg 的電極材料。

總體來看，電極材料的消耗速度較慢，不需要頻繁更換，具有較高的性價比。

2.2 自動控制裝置的設計

由于變電站接地網(wǎng)的覆蓋范圍較大，不同地區(qū)的土壤電阻率、土壤中水溶性鹽含量以及土壤的氧化還原電位等存在明顯差異，這就意味著在接地網(wǎng)的外加電流防腐保護中，不同位置需要施加的電流也并不相同[2]。陰極保護電流密度（ρ）是決定接地網(wǎng)防腐效果的關鍵指標，如果ρ 值太小，則達不到預期的電化學保護效果，接地網(wǎng)仍然會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；相反，如果ρ值太大，則會造成電能的浪費，并且在陰極材料上發(fā)生析氫反應，反而會加速電極材料的損耗。為了使ρ值始終處于最佳，本研究設計了有測量功能的自動控制裝置，其電路圖見圖1。

該自動控制裝置的輸入電壓為AC220，輸出電壓為DC0～60/90 V，輸出電流為DC0～50 A，頻率50 Hz。從該裝置的正極引出一條導線，連接到電極上；該裝置的負極引出一條導線，連接到變電站的接地網(wǎng)上，這樣就形成了一個閉環(huán)回路。啟動自動控制裝置后，輸出電流經(jīng)導線流入電極，再通過電極進入到大地中。由于土壤具有一定的導電性，電流最終流向接地網(wǎng)，使接地網(wǎng)被陰極極化得到保護。該裝置可利用前端的采樣器件，實時獲取土壤電阻率、土壤水分、土壤溫度、土壤中可溶性鹽含量等參數(shù)，然后經(jīng)自動控制裝置的PLC 進行數(shù)據(jù)分析后，自動調節(jié)電流大小，保證輸出的電流值能夠滿足抑制接地網(wǎng)腐蝕的需要。

3 變電站接地網(wǎng)陰極保護防腐技術的應用

3.1 電極與試片的埋置

本系統(tǒng)中選用的WDFY-711 型電極，其組成材料為鉑鈮合金，屬于不溶性電極材料[3]。其電阻率為6.1×10-7Ω·m，有效表面積0.42 m-2，允許最大電流密度105 A/m-2，電流效率60%～80%，密度8.1 g/cm3。為進一步降低接地電阻，在埋置電極時還選擇導電性優(yōu)良、消除氣阻的材料進行包裹。具體操作方法為：首先在電極埋置坑內平鋪一層墊料，然后將電極水平放置到墊料上；在電極上再加蓋一層填料，將回填土重新填入電極埋置坑，并通過工具拍打或人為踩踏的方式，讓土體密實。最后再澆水濕潤土壤，完成電極的埋置[4]。

把4 根陰極電纜和試片連地網(wǎng)電纜采用焊接的方式固定到接地網(wǎng)上，焊點出使用密封膠進行密封處理。試片的埋置方式如下：首先將陰極電纜焊接在一塊規(guī)格為100 mm×30 mm×5 mm 的扁鋼片上，見圖2。

固定好以后，在將焊有陰極電纜的扁鋼片，以同樣的方式焊接到接地網(wǎng)的陰極上，見圖3。

使用密封膠將焊點全部覆蓋后，用土回填。同時將電纜的另一端連接到自動控制裝置上。裝置通電以后，即可根據(jù)設定值輸出相應的電壓和電流[5]。

3.2 變電站接地網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)的調試

該系統(tǒng)啟動運行后，還要檢查運行情況、調整輸出電流。首先測定接地網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)各參比點的初始電位。在未通電的情況下，采集各參比點的初始電位值，4 個參比點的點位分別為-380 mV、-20 mV、-410 mV、-40 mV。然后正式通電，等到裝置穩(wěn)定運行1 h 以后，再次測量4 個參比點的電位值（極化電位值），測量結果見表1。

表1 自動控制裝置陰極保護運行參數(shù)

結合表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護系統(tǒng)投入運行以后，4 個參比點的極化電位值均有不同程度的升高。然后利用自動控制裝置，改變輸出電流、輸出電壓的大小，使參比電位降至保護電位以下。

4 變電站接地網(wǎng)陰極保護防腐系統(tǒng)的運行效果

該系統(tǒng)于2020 年6 月份開始投入使用，技術人員選取2 條位置相近的管線，從管線上選取100 m 的測試區(qū)段，進行對照試驗。挑選8 塊扁鋼試片，稱量其初始重量（m1），測算其表面積。對照管線等間距布設4個測試片，但是不做任何保護措施；試驗管線以同樣方法布設4 個測試片，并采取本研究設計的陰極保護措施。3 個月后，技術人員將2 條管線上埋置的8 個試片取出，觀察其表面見圖4。

如圖4 所示，未采取任何防腐保護措施的試片（右）表面出現(xiàn)了大面積的腐蝕坑，腐蝕情況較為嚴重；而采取了陰極保護的試片（左），整體上保持了原始狀態(tài)，腐蝕情況較為輕微。在觀察結束后，再將8 塊試片進行實驗室處理。稱取試片的重量（m2），然后用m1～m2即可得到試片的失重量。再根據(jù)試片表面積、試片埋置天數(shù)，計算出每片試片的腐蝕速率，統(tǒng)計結果見表2。

表2 不同保護措施下試片的腐蝕情況

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，采取了接地網(wǎng)陰極保護防腐技術的1～4 號試片，腐蝕速率在0.204～0.475 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為0.362 g/cm2·d，腐蝕速度較慢。相比之下，未采取任何保護措施的5～8 號試片，腐蝕速率在1.757～1.859 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為1.806 g/cm2·d，腐蝕速度較快。由此可見，在變電站接地網(wǎng)上采取基于陰極保護原理的防腐技術，能夠有效延緩試片的腐蝕進程，起到很好的保護作用，對延長接地網(wǎng)的使用壽命效果顯著。

5 結論

變電站接地網(wǎng)的防腐保護能夠有效延長接地網(wǎng)的使用壽命，對保障變電站的穩(wěn)定運行有積極幫助。常規(guī)的鍍鋅保護雖然也能起到延緩腐蝕的效果，但是接地網(wǎng)投入使用幾年后，鍍鋅層失效無法繼續(xù)發(fā)揮保護作用。本研究基于陰極保護原理設計了變電站接地網(wǎng)防腐系統(tǒng)，該系統(tǒng)由自動控制裝置靈活調節(jié)輸出電流，使接地網(wǎng)始終處于最佳保護狀態(tài)。經(jīng)測算，該變電站接地網(wǎng)使用陰極保護防腐系統(tǒng)，只需要一塊質量為85.25 kg 的電極，即可發(fā)揮30 年的陰極保護時效。