電力接地網(wǎng)材質(zhì)對(duì)引下線腐蝕特性的影響研究

黃 濤,沈文韜,謝洪平,安韻竹,杜長(zhǎng)青,井 棟

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司,南京 210000;2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255000)

0 引言

為了解決金屬接地網(wǎng)的地下腐蝕問題,近年來(lái)柔性石墨復(fù)合接地材料被推廣應(yīng)用到實(shí)際電力接地工程中。由于石墨為非金屬材料且具有較強(qiáng)的耐腐蝕性,可有效緩解埋地接地網(wǎng)腐蝕問題。因目前我國(guó)電力桿塔接地裝置中的引下線部分多采用鋼材,鋼引下線與非金屬石墨接地網(wǎng)連接時(shí),由于兩種材質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑性不同可能仍存在腐蝕問題。因此,研究接地網(wǎng)材質(zhì)對(duì)鋼引下線腐蝕特性的影響,對(duì)提高電力接地裝置的抗腐蝕特性具有實(shí)際工程意義。

桿塔接地引下線的腐蝕問題是電力接地工程中長(zhǎng)期關(guān)注的問題之一。徐松[1]開展了大量實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并通過掃描電子顯微鏡、電子能譜和X射線衍射等方法分析了鍍鋅鋼引下線的腐蝕微觀結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)引下線腐蝕形式主要為氧濃差腐蝕,土壤埋深10～20 cm處引下線腐蝕最為嚴(yán)重。洪浩等[2]研究了水田、鹽堿地中的輸電線路桿塔引下線腐蝕。鄭志生等[3]分析了農(nóng)村電網(wǎng)接地引下線的腐蝕機(jī)理,認(rèn)為腐蝕主要受多種環(huán)境因素和化學(xué)作用的綜合影響。周金邢等[4]提出了一種接地引下線腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了免開挖即可監(jiān)測(cè)接地引下線的腐蝕狀況。近年來(lái)隨著非金屬石墨接地材料的應(yīng)用,實(shí)際工程中也出現(xiàn)了鋼引下線腐蝕的問題。

為了研究接地網(wǎng)材質(zhì)對(duì)引下線腐蝕特性的影響,本研究理論分析了引下線腐蝕機(jī)理,并建立桿塔鍍鋅鋼接地引下線、鋼引下線-石墨接地體連接條件下的電化學(xué)腐蝕模型,對(duì)比鋼和石墨兩種材質(zhì)接地體對(duì)引下線工作電極電位、局部土壤氧濃度、氧還原電流、析氫反應(yīng)電流和鐵氧化電流的影響規(guī)律,分析接地體材質(zhì)對(duì)引下線腐蝕特性的影響。

1 電力桿塔金屬接地引下線腐蝕機(jī)理

1.1 土壤中的氧濃差腐蝕

當(dāng)接地材料通過孔隙結(jié)構(gòu)和干濕程度不同的土壤時(shí),由于土壤中不同位置處含氧量不同,將會(huì)引起金屬體不同位置的氧濃差腐蝕。若接地材料部分穿過砂土,部分穿過黏土,會(huì)發(fā)生腐蝕電池反應(yīng)[1],如方程式(1)所示。

Fe=Fe2+2e
O2+2H2O+4e=4OH-

(1)

由能斯特公式2可知,若土壤介質(zhì)中各部分含氧量不同,會(huì)因氧濃差產(chǎn)生較高的電位差。相對(duì)于氧濃度較高的區(qū)域來(lái)說(shuō),金屬接地材料在氧濃度較低區(qū)域,會(huì)因其電極電位較低而成為陽(yáng)極,故在陽(yáng)極區(qū)的金屬將遭受腐蝕[5]。

(2)

由于砂土中氧氣濃度大于黏土中氧氣濃度,故金屬接地極在砂土中更易發(fā)生還原反應(yīng),即在砂土中金屬接地極的電極電勢(shì)高于在黏土中金屬接地極的電極電勢(shì),所以黏土中引下線便成了氧濃差電池的陽(yáng)極而遭到腐蝕。

同理,埋在地下的引下線部分,由于埋設(shè)的深度不同,不同埋深處土壤含氧量不同,也會(huì)造成引下線的氧濃差腐蝕。如圖1所示,由于深層部位氧氣濃度較低,該部分引下線易成為氧濃差電池的陽(yáng)極,因此引下線腐蝕往往發(fā)生在較深層土壤中。直徑較大的水平金屬外延接地體,受腐蝕處也往往處于外延下部,這也是現(xiàn)有接地體腐蝕很多發(fā)生在底部四分之一表面的原因。

圖1 埋地接地體上回填土形成的氧濃差電池Fig.1 Oxygen concentration battery formed by backfilling soil on buried grounding electrode

1.2 電偶腐蝕

當(dāng)兩種化學(xué)性質(zhì)活潑性不同的材料相連時(shí),兩材料之間形成的電位差使電流從電偶序較低(即化學(xué)性質(zhì)較活潑)的金屬流入電解質(zhì)中,導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。實(shí)際工程中常遇到不同接地材料相連引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象。如果將柔性石墨接地體用作接地網(wǎng)的主要接地極材料,同時(shí)地網(wǎng)附近存在較多鋼筋混凝土、鋼構(gòu)及地下電纜管道等,地網(wǎng)附近的這些設(shè)施極易發(fā)生電偶腐蝕。

如圖2所示,鋼接地引下線化學(xué)性質(zhì)較活潑成為陽(yáng)極,而柔性石墨接地體主要是非金屬碳組份化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定成為陰極形成腐蝕電池,造成了這就成為輸電線路桿塔的安全隱患[6]。

圖2 電偶腐蝕電池示意圖Fig.2 Schematic diagram of galvanic corrosion battery

當(dāng)鋼制接地引下線穿過不同組成成分的土壤時(shí),也易形成電偶電池,這使得在均種土壤中的鋼相對(duì)于另一種均一土壤中的鋼成為陽(yáng)極,發(fā)生電偶腐蝕[7]。由于混凝土也可視為一種電解質(zhì),雖然反應(yīng)活性較低,但當(dāng)輸電線路桿塔利用塔基的鋼筋混凝土基礎(chǔ)作自然接地體時(shí),混凝土中的鋼筋與埋設(shè)在土壤中的接地引下線相連接,由于混凝土中的含氧量較低,可以視為反應(yīng)陰極,則埋設(shè)在孔隙較大的土壤中的引下線則被視為反應(yīng)陽(yáng)極,這使得埋設(shè)在土壤中的引下線成為陽(yáng)極遭受腐蝕,而混凝土中的鋼筋受到保護(hù)[8]。因此不同的電阻率的分層土壤中也存在這種類型的電偶腐蝕。

2 電力桿塔金屬接地引下線腐蝕模型

2.1 電化學(xué)反應(yīng)參數(shù)的標(biāo)定

本研究所采用接地引下線的材質(zhì)為鋼,并且只考慮電極表面的電化學(xué)反應(yīng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,采用三次電流分布物理場(chǎng)建立“金屬引下線-桿塔接地體”腐蝕過程計(jì)算模型。根據(jù)文獻(xiàn)[1]研究工作,設(shè)置電極反應(yīng)參數(shù)取值如表1所示。

表1 術(shù)語(yǔ)解釋和典型參數(shù)值Table 1 Explanation of terms and typical parameter values

目前國(guó)內(nèi)桿塔樁基多采用自然接地和樁基外敷柔性石墨接地方式。桿塔樁基自然接地時(shí),引下線連接金屬接地體,如圖3(a)所示;而樁基外敷柔性石墨接地方式中,引下線與柔性石墨復(fù)合接地體相連接,如圖3(b)所示。根據(jù)實(shí)際引下線與接地網(wǎng)的連接方式,搭建簡(jiǎn)化的引下線-接地體腐蝕特性二維幾何模型如圖3(c)所示。

圖3 引下線與不同材質(zhì)地網(wǎng)連接Fig 3 Downline connection with different materials

2.2 土壤孔隙飽和度對(duì)土壤電阻率和氧氣有效擴(kuò)散率的影響

如圖3(c)所示,上半部分為大氣,氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為20 ℃,氧氣擴(kuò)散系數(shù)為1.5×10-4m2/s;下半部分為土壤。土壤孔隙率、土壤電阻率以及土壤中氧氣有效擴(kuò)散率如表2所示。

表2 土壤電阻率和氧氣有效擴(kuò)散率與孔隙飽和度的關(guān)系Table 2 Relationship among soil resistivity and effective oxygen diffusivity and pore saturation

氧氣在腐蝕過程中起著重要作用,氧氣通過鐵陽(yáng)極進(jìn)入結(jié)構(gòu),并在多孔土壤介質(zhì)擴(kuò)散,最終在引下線表面參加腐蝕反應(yīng)。實(shí)際上,隨著引下線的腐蝕老化,反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)堵塞與引下線與土壤界面相鄰的孔隙,從而增加擴(kuò)散阻力,但這種隨時(shí)間變化的影響已超出了引下線的正常工作范圍。本研究假定鐵陽(yáng)極的孔隙率不小于土壤的孔隙率,并且鐵對(duì)質(zhì)量傳遞沒有額外的阻力。

在穩(wěn)態(tài)下,氧氣輸送的控制方程式規(guī)定,對(duì)于混凝土中的所有點(diǎn),氧氣的空間依賴性有效擴(kuò)散率(DO2)的乘積乘以氧氣濃度的梯度(?CO2)必須為零:

?·DO2(?CO2)=0

(3)

氧氣在土壤中的傳輸效率取決于許多因素,包括曲折度,孔徑分布,壁吸附和毛細(xì)作用以及混凝土的水分含量。表2列出了混凝土中氧氣有效擴(kuò)散率隨水分含量(或孔隙飽和度)變化的實(shí)驗(yàn)值。氧氣在土壤中的擴(kuò)散速度比空氣中的擴(kuò)散速度慢得多(DO2,Soil/DO2,air≈10-4)。土壤電阻率和土壤中的氧氣擴(kuò)散率成反比,始終假定土壤中水相和氣相氧之間的局部平衡,符號(hào)CO2表示氧的氣相濃度。

土壤中的電荷傳輸也是一個(gè)反應(yīng)發(fā)生的重要步驟,腐蝕過程本質(zhì)上都是電化學(xué)過程。當(dāng)存在電場(chǎng)時(shí),土壤溶液中的溶解離子充當(dāng)電荷載體,電場(chǎng)是由整個(gè)土壤的電位差決定的。在穩(wěn)態(tài)下,電荷傳輸?shù)目刂品匠淌奖砻?對(duì)于土壤內(nèi)的所有點(diǎn),與空間相關(guān)的電阻率的倒數(shù)乘以電位梯度的乘積為零。

(4)

式(4)中:φ為土壤的電位差,ρ為土壤的電阻率用于將離子遷移的復(fù)雜現(xiàn)象減少到單個(gè)參數(shù)。關(guān)于ρ的值是孔隙飽和度的函數(shù),并通過實(shí)驗(yàn)確定。土壤的孔隙越大,越有助于離子移動(dòng),所以電阻率與孔飽和度成反比。

2.2.1 邊界條件

所有不是鋼筋陽(yáng)極或石墨陰極的系統(tǒng)邊界都需要設(shè)置自然絕緣條件,如式(5)所示。

(5)

(6)

在鋼陽(yáng)極上,假定土壤和陽(yáng)極邊界處的氧氣濃度等于大氣中的氧氣濃度,所以有:

(7)

將陽(yáng)極固定為均勻的電勢(shì),得出邊界條件:

φ(0,y)=φFe

(8)

式中φFe表示與鋅陽(yáng)極界面處的混凝土電勢(shì)的常數(shù)。由于在模型中假定引下線與土壤界面的極化作用可忽略不計(jì),因此未明確考慮鋅陽(yáng)極處的氧化反應(yīng)。

2.2.2 鋼質(zhì)引下線反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

鋼質(zhì)引下線和土壤界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括氧氣的還原反應(yīng)、鋼質(zhì)引下線的氧化反應(yīng)、析氫反應(yīng)[9]。

當(dāng)大氣中的氧氣通過土壤擴(kuò)散并到達(dá)埋地的引下線表面時(shí),可以在水溶液中還原為氫氧根離子[10]:

O2+2H2O+4e-→4OH-

(9)

該反應(yīng)中的水來(lái)自引下線周圍土壤中孔隙中存在的水分。假定反應(yīng)速率不受反應(yīng)水耗量的限制。

當(dāng)鋼筋中的鐵進(jìn)行氧化時(shí),會(huì)發(fā)生腐蝕[11-12]。腐蝕反應(yīng)表示為:

Fe→Fe2++2e-

(10)

作為陽(yáng)極的鋼筋表面始終保持氧化反應(yīng)發(fā)生,并且不會(huì)隨著時(shí)間的推移因鐵腐蝕產(chǎn)物的堆積而鈍化。假設(shè)腐蝕過程中腐蝕產(chǎn)物不會(huì)以任何方式改變鋼筋的幾何形狀。

最后,消耗引下線周圍土壤中孔隙中存在的水分形成氫氣,發(fā)生析氫反應(yīng):

2H2O+2e-→H2+2OH-

(11)

這3個(gè)反應(yīng)都與鋼筋上的電流密度密切相關(guān),并且每個(gè)反應(yīng)都可以用Tafel動(dòng)力學(xué)表示[13-16]。鋼筋上氧氣減少所引起的電流密度變化如式(12)所示。

(12)

鐵氧化反應(yīng)iFe(θ)和析氫反應(yīng)iH2(θ)的電流密度的Tafel表達(dá)式[17-18]為

(13)

(14)

上述三個(gè)反應(yīng)的凈電流產(chǎn)生的引下線和土壤界面的總電流密度,即

itot(θ)=iO2(θ)-iFe(θ)+iH2(θ)

(15)

引下線上的陰極電流被認(rèn)為是正電流,而陽(yáng)極電流被認(rèn)為是負(fù)電流。土壤主體中任何一點(diǎn)的電流密度如式(16)所示:

(16)

(17)

式(17)中,符號(hào)|θ表示在土壤-引下線界面上的位置θ處的評(píng)估梯度。氧分子在土壤本體中任何一點(diǎn)的摩爾通量由下式給出:

(18)

(19)

式中n是式(5)中來(lái)自化學(xué)計(jì)量的電子數(shù),F是法拉第常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下,土壤-引下線界面的所有點(diǎn)都必須同時(shí)滿足式(7)和(8)的氧濃度和電勢(shì)值。最后,要完成模型的定義,腐蝕電路周圍的壓降總和必須等于零:

EFe(θ)+[φ(θ)-φ(0,y)]=0

(20)

式中:EFe(θ)是引下線與土壤之間的電勢(shì)差(相對(duì)于此處的Cu/CuSO4參比電極,簡(jiǎn)稱CSE);φ(θ)-φ(0,y)是從裸露引下線陽(yáng)極到石墨接地體(或加防腐涂層后的引下線)上角度為θ的點(diǎn)上穿過土壤的歐姆電勢(shì)降(相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極);按照慣例,φ(x,y)的形式為土壤中x,y點(diǎn)處CSE相對(duì)于緊鄰引下線陽(yáng)極的CSE之間的電位,引下線陽(yáng)極處的電位值為φFe=φ(0,y)。此約定允許根據(jù)施加的電勢(shì)和鋼筋上的φ(θ)值來(lái)計(jì)算出現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)方程中的鋼筋混凝土界面電位差EFe(θ):

FFe(θ)=-φ(θ)

(21)

上式(1～21)完全定義了本研究涉及到的化學(xué)反應(yīng)數(shù)學(xué)模型。

3 桿塔樁基對(duì)桿塔接地引下線腐蝕特性影響分析

為了分析引下線敷設(shè)特性,分別計(jì)算分析引下線埋深分別為0.01 m、0.11 m、0.21 m、0.31 m、0.41 m、0.5 m 6個(gè)位置的工作電極電位、氧濃差、氧還原電流密度、鐵氧化電流密度及析氫電流密度。采用土壤孔隙飽和度來(lái)表征土壤多孔介質(zhì)的濕度,孔隙飽和度取0.2～0.8,土壤孔隙飽和度的增大,土壤的濕度越大,土壤中氧氣濃度就越小[22-24]。

3.1 引下線工作電極電位

工作電極電位是參比電位和電解質(zhì)電位之間的差值,是影響引下線腐蝕速率的一個(gè)重要因素[24-27]。如圖4、圖5所示,引下線不同埋深位置處的工作電極電位隨孔隙飽和度的增大而增大。由圖4可知,當(dāng)土壤孔隙飽和度為0.7時(shí),鋼引下線在埋深0.01 m增加至0.5 m時(shí),工作電極電位從-0.348 15 V增加至-0.348 64 V;而在引下線-石墨接地體連接方式下,工作電極電位從-0.349 7 V增加至-0.350 6 V。因此在引下線-石墨接地體連接方式下,不同埋深的區(qū)域工作電極電位差相對(duì)較大,腐蝕過程會(huì)更強(qiáng)烈。

圖5 不同孔隙飽和度下引下線周圍土壤空間電位分布Fig.5 Spatial potential distribution of soil around lead under different pore saturation

3.2 引下線局部土壤氧濃度

為了對(duì)比分析接地體材料對(duì)引下線周圍局部土壤氧濃度的影響,計(jì)算分析了孔隙飽和度為0.2～0.8時(shí)引下線局部土壤氧濃度,如圖6、圖7所示。由圖6可知,隨著土壤孔隙飽和度的增大,土壤濕度增大,氧氣在土壤中的擴(kuò)散率下降,引下線局部土壤氧濃度顯著下降;并且在孔隙飽和度為0.6～0.75時(shí),氧濃度變化最大,此時(shí)氧濃差腐蝕最為劇烈。由圖6(a)可知,引下線在埋深為0.31～0.41 m時(shí),引下線氧濃差腐蝕比埋深為0.5 m時(shí)更嚴(yán);在孔隙飽和度為0.8時(shí),埋深0.41 m區(qū)域的氧濃度下降至7.81 mol/m3。由圖6(b)可知,引下線/柔性石墨接地體-土壤界面在同等孔隙飽和度及埋深區(qū)域條件下,氧濃度含量相比引下線-土壤界面更低。在孔隙飽和度為0.7時(shí),埋深0.5 m處引下線-土壤界面氧濃度為8.2 mol/m3;而引下線/柔性石墨接地體-土壤界面氧濃度僅為7.79 mol/m3。說(shuō)明引下線/柔性石墨接地除氧濃度差腐蝕外還發(fā)生了別的腐蝕形式,加速了氧氣的還原反應(yīng),消耗了一定的氧氣含量。

圖6 引下線-土壤界面的局部氧濃度Fig.6 Local oxygen concentration at the down wire-soil interface

圖7 不同接地材質(zhì)下土壤氧氣濃度Fig.7 Soil oxygen concentration with different grounding material

3.3 引下線氧還原電流密度

電解質(zhì)電流密度體現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度,可表征引下線腐蝕反應(yīng)的劇烈程度[28-30]。引下線不同位置處的局部氧還原電流密度與引下線局部氧濃度具有一致的分布規(guī)律,如圖8所示。埋深0.01 m時(shí),該部分土壤層氧氣含量高,隨著孔隙飽和度增加,氧氣濃度降低很小,且濕度增大降低了發(fā)生腐蝕反應(yīng)的閾值,提高了腐蝕速率,故其局部氧還原電流密度增大高。而隨著埋深的增大,孔隙飽和度越大,氧濃度減小,引下線氧還原電流密度減小。

圖8 引下線-土壤界面的局部氧還原電流密度Fig.8 Local oxygen reduction current density at the downlead-soil interface

相比于與金屬接地體連接,當(dāng)引下線與石墨接地體連接時(shí),引下線的局部氧還原電流密度更大,且埋深越大其局部氧還原電流密度越大。當(dāng)埋深為0.5 m、孔隙飽和度為0.7時(shí),該區(qū)域局部氧還原電流密度為 -6.90×10-4A/m2。說(shuō)明柔性石墨接地體與引下線構(gòu)成電偶腐蝕的陰極和陽(yáng)極,加速了深地層引下線連接柔性石墨接地體部分的腐蝕。

3.4 引下線析氫反應(yīng)電流密度

當(dāng)土壤孔隙飽和度低于0.6時(shí),電極電位低于析氫反應(yīng)的平衡電位,析氫反應(yīng)非常有限。引下線不同埋深位置處的局部析氫電流密度如圖9所示。顯然,析氫反應(yīng)極為微弱,其局部電流密度數(shù)量級(jí)在10-7。隨著孔隙飽和度增加,土壤濕度變大,析氫反應(yīng)的原料更充足,析氫反應(yīng)電流密度增大,析氫反應(yīng)加劇。且隨著埋深增大,引下線局部析氫反應(yīng)電流密度增大。

圖9 引下線-土壤界面的局部析氫電流密度Fig.9 Local current density of hydrogen evolution at the downlead-soil interface

3.5 引下線鐵氧化電流密度

引下線與金屬連接的鐵氧化反應(yīng)產(chǎn)生的局部電流密度如圖10所示。低孔隙飽和度下腐蝕電流密度較高,這與低孔隙飽和度下較高的電極電流密度一致。應(yīng)該注意的是,引下線上鐵氧化電流密度約等于氧還原和析氫電流密度之和,表明引下線發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕。引下線-石墨連接條件下,其局部鐵腐蝕電流密度的值比引下線-金屬接地體條件下的腐蝕電流密度大。說(shuō)明簡(jiǎn)單連接的柔性石墨接地體和埋地引下線構(gòu)成了電偶腐蝕的陰極和陽(yáng)極,加速了深地層引下線連接柔性石墨接地體部分的腐蝕。電偶腐蝕的加入加劇了接地引下線的腐蝕情況,使連接處的腐蝕情形比地表引下線的氧濃差腐蝕更加嚴(yán)重。

圖10 引下線-土壤界面的鐵腐蝕電流密度Fig.10 Iron corrosion current density at downllead-soil interface

4 結(jié)論

本研究基于桿塔鋼引下線土壤腐蝕機(jī)理,建立了桿塔鋼引下線與鋼、石墨接地體連接時(shí)的土壤電化學(xué)腐蝕模型,對(duì)比分析了鋼和石墨兩種接地體材質(zhì)對(duì)引下線腐蝕的影響,得到結(jié)論如下:

1)采用土壤孔隙飽和度表征土壤濕度,計(jì)算結(jié)果表明,引下線腐蝕速率先隨土壤濕度的增大而增大,當(dāng)達(dá)到一個(gè)飽和值后,腐蝕速率反而降低。

2)不同接地體材質(zhì)下,埋深對(duì)引下線的腐蝕影響不同。引下線-鋼接地體連接方式下,埋深0.31～0.41 m位置處引下線氧濃差腐蝕比埋深為0.5 m時(shí)更嚴(yán)重;而引下線-石墨接地體連接時(shí),引下線的局部氧濃度隨埋深的增加而單調(diào)減小且下降速度更快,埋深越大氧濃差腐蝕越強(qiáng)烈。

3)當(dāng)引下線與石墨接地體連接時(shí),引下線的局部氧還原電流密度和鐵腐蝕電流密度越大,且埋深越大其局部氧還原電流密度越大,柔性石墨接地體與引下線構(gòu)成電偶腐蝕的陰極和陽(yáng)極,加速了深地層引下線連接柔性石墨接地體部分的腐蝕。