蘇興鋒

【摘 要】隨著用電量不斷增加，電力工程也成為人們關(guān)注的重要方面。但是從電力工程現(xiàn)狀來看，依然存在各種技術(shù)問題影響正常供電，給人們工作、生活造成一定影響。本文結(jié)合某電廠的現(xiàn)場實(shí)際情況，分析了土壤腐蝕的機(jī)理及防止接地網(wǎng)腐蝕的各種措施，并對(duì)增加金屬厚度和犧牲陽極的陰極保護(hù)兩種防止腐蝕的方法進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)選型分析。

【關(guān)鍵詞】接地網(wǎng) 犧牲陽極 陰極保護(hù)

1 概述

電力工程接地網(wǎng)是用于工作接地、防雷接地、保護(hù)接地的重要設(shè)施，是確保人身、設(shè)備、系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)事故出現(xiàn)時(shí)，如接地網(wǎng)有缺陷，短路電流無法在土壤中充分?jǐn)U散，導(dǎo)致接地網(wǎng)電位升高，使接地的設(shè)備金屬外殼帶高電壓而危及人身安全和擊穿二次保護(hù)裝置絕緣，甚至破壞設(shè)備，擴(kuò)大事故，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，鐵質(zhì)接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致接地線截面減小、熱穩(wěn)定性不夠、接地電阻增大。因而必須采取一定的措施防止接地網(wǎng)的腐蝕。

2 腐蝕機(jī)理

腐蝕是指金屬與環(huán)境間的物理—化學(xué)的相互作用，由此造成金屬性能的改變，導(dǎo)致金屬、環(huán)境或由其構(gòu)成的一部分技術(shù)體系功能的損壞。以腐蝕的機(jī)理來劃分，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指金屬和非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的金屬損耗。電化學(xué)腐蝕是指金屬和電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的金屬損耗。在電化學(xué)腐蝕過程中，同時(shí)存在著兩個(gè)相互獨(dú)立的反應(yīng)過程，陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，并有電流產(chǎn)生，如鋼鐵在水溶液中的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是最普遍的腐蝕現(xiàn)象。

2.1 土壤腐蝕機(jī)理

從外觀上看，金屬的材質(zhì)是均一的，但是，當(dāng)它浸入電解質(zhì)中時(shí)，由于不同材料或金屬材料本身組織結(jié)構(gòu)及表面物理狀態(tài)的不均勻性，在金屬表面上形成許多宏觀的或微觀的陽極區(qū)和陰極區(qū)，陰、陽極之間通過介質(zhì)產(chǎn)生微電流。電子從陽極區(qū)向陰極區(qū)移動(dòng)，陽極區(qū)金屬失去電子，一部分金屬就會(huì)成為離子溶于電解質(zhì)中，使得陽極區(qū)金屬受到腐蝕。根據(jù)這一機(jī)理，以鋼為例，鐵離子在電解質(zhì)中的流動(dòng)形成電流，電流的方向與電子移動(dòng)的方向相反，進(jìn)而鐵離子與水中的氫氧根離子OH-反應(yīng)生成氫氧化亞鐵Fe（OH）2，而后又變成沉積在鋼表面的氫氧化鐵Fe（OH）3，形成銹層。

2.2 影響土壤腐蝕性的因素

由于土壤是由固、氣、液三相構(gòu)成的不均一多相體系，較之水介質(zhì)的腐蝕要復(fù)雜，因此任何能夠影響土壤理化性能的因素都能左右土壤的腐蝕性。土壤的腐蝕性是由其物理、化學(xué)特性所決定的。影響土壤腐蝕性的因素很多，包括土壤的電阻率、pH值、氧化還原電位、含水量、含鹽量及鹽的種類、土壤溫度、土壤質(zhì)地，透氣性等。由于土壤電阻率直接受到土壤質(zhì)地、松緊度、含水量、含鹽量、有機(jī)質(zhì)等性質(zhì)的影響，是土壤導(dǎo)電能力的綜合表征。因此在實(shí)際中常常用土壤電阻率作為土壤腐蝕性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 防止接地裝置腐蝕的措施

3.1 增加金屬厚度

目前國內(nèi)的接地裝置設(shè)計(jì)中，一般都采用鍍鋅和加大接地導(dǎo)體的截面及厚度來延長接地導(dǎo)體的使用壽命。

（1）涂覆層是防止地下金屬結(jié)構(gòu)腐蝕最為常用的手段之一。但并不能完全有效地解決金屬的腐蝕問題。這是因?yàn)橥繉?，總是不可避免地存在漏涂、針孔、破損等可能，腐蝕將會(huì)集中在這樣一些微小區(qū)域，導(dǎo)致金屬腐蝕穿孔。此外，涂層具有老化問題，難以保證在發(fā)電廠壽命期內(nèi)一直起到保護(hù)作用。金屬涂覆層有良好的電導(dǎo)性，可用作鋼接地網(wǎng)的防護(hù)層，鍍鋅層最為常用的，它不但起隔離層作用，而且起犧牲陽極保護(hù)作用。但鍍鋅層在強(qiáng)腐蝕性土壤中很快就會(huì)因腐蝕而消耗掉，壽命極短，尤其是當(dāng)鍍鋅層較薄或存在缺陷時(shí)更是如此。因此，在強(qiáng)腐蝕性土壤介質(zhì)中，鋼接地網(wǎng)僅靠鍍鋅層來保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，很難獲得長期有效的保護(hù)效果。（2）加大導(dǎo)體截面不但增加了鋼材的消耗量，增加了工程投資，而且給接地體的焊接和彎、折等施工帶來了很大的困難。

3.2 采用銅接地網(wǎng)

采用裸銅絞線作為接地材料，是一種抗腐蝕的方法。由于銅材料價(jià)格高，幾乎是鋼材的兩倍。另一方面電廠內(nèi)許多設(shè)備的外殼，構(gòu)架和埋管都是選用鋼材，特別是循環(huán)水管采用鋼管時(shí)更應(yīng)要慎重考慮，銅本身會(huì)加速腐蝕與其接觸或在鄰近的其他金屬如鋼材、鋼管等，對(duì)鋼質(zhì)循環(huán)水管的防腐蝕帶來了困難。

3.3 陰極保護(hù)

（1）陰極保護(hù)原理；陰極保護(hù)是對(duì)被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)通以陰極電流，使之陰極極化，從而消除電化學(xué)腐蝕的一種方法。如上所述，在電解質(zhì)中金屬的腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，因此，如能阻止這一電化學(xué)反應(yīng)就可以抑制金屬的電化學(xué)腐蝕。在電解質(zhì)中對(duì)被保護(hù)金屬進(jìn)行陰極極化，當(dāng)陰極電流通過鋼表面時(shí)，大部分電流優(yōu)先流到陰極區(qū)，從而降低了原有的電位，使之陰極極化。隨著電流的增大，鋼表面陰極區(qū)的負(fù)極化也增大，當(dāng)極化到陰極區(qū)和陽極區(qū)的電位差為零時(shí)，腐蝕電流消失，因而抑制了腐蝕過程，達(dá)到了保護(hù)的目的。（2）陰極保護(hù)的種類及特點(diǎn)；所謂陰極保護(hù)就是向被保護(hù)金屬通以一定的直流電，使被保護(hù)金屬變成陰極而得到保護(hù)。根據(jù)所提供電流方法的不同，陰極保護(hù)分為外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是用外加可調(diào)直流電源供電，電源的正極接輔助陽極，負(fù)極接被保護(hù)的金屬。其優(yōu)點(diǎn)在于輸出雜散電流保護(hù)管道，保護(hù)范圍大，不受環(huán)境電阻率影響，保護(hù)裝置壽命長；缺點(diǎn)在于需要外部電源，對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大，維護(hù)管理工作量大。犧牲陽極法是用一種電位比所要保護(hù)的金屬還要負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)的金屬連接在一起，依靠電位比較負(fù)的金屬不斷地腐蝕溶解所產(chǎn)生的電流來保護(hù)其它金屬的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要外加電源，對(duì)鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小，投產(chǎn)調(diào)試后可不需管理，保護(hù)電流分布均勻、利用率高；缺點(diǎn)在于高電阻率環(huán)境不宜使用，保護(hù)電流幾乎不可調(diào)，覆蓋層質(zhì)量必須好，消耗有色金屬。

4 陰極保護(hù)及增加金屬厚度的比較

某電廠土壤平均電阻率25Ω？m，PH值為6.3，土壤腐蝕性屬于中等偏強(qiáng)，不考慮采用銅接地網(wǎng)。因?yàn)椴捎勉~接地網(wǎng)投資比采用陰極保護(hù)高30%左右，而且銅本身可能加速腐蝕與其接觸或在鄰近的其他金屬，如鋼材、鋼管等。對(duì)增加金屬厚度和采用犧牲陽極陰極保護(hù)兩種方式進(jìn)行比較。

4.1 增加金屬厚度

根據(jù)《水電工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的腐蝕速度估計(jì)式和接地線和接地土壤電阻率與腐蝕性的關(guān)系表，當(dāng)土壤電阻率為25Ω？m時(shí)，腐蝕率按0.244mm/a考慮，使用壽命按30年考慮。設(shè)計(jì)電廠的計(jì)算結(jié)果為500kV系統(tǒng)采用70×11熱鍍鋅扁鋼和角鋼∠63×63×10。

4.2 犧牲陽極陰極保護(hù)

因?yàn)闋奚枠O陰極保護(hù)適合于保護(hù)鋼接地系統(tǒng)，用銅材做接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)工程的地下金屬結(jié)構(gòu)物實(shí)施統(tǒng)一的陰極保護(hù)措施，此時(shí)推薦用外加電流法。且犧牲陽極法雖然一次性投資較大，但是運(yùn)行維護(hù)工作量小。外加電流法一次性投資較小，但運(yùn)行維護(hù)工作量較大，運(yùn)行時(shí)需要用電，后期投入較大。所以，本工程如采用陰極保護(hù)，推薦采用犧牲陽極法。土壤電阻率為25Ω？m，所以宜采用MUG-2鎂犧牲陽極。陽極規(guī)格尺寸為700×（100+110） ×105mm。陽極與接地網(wǎng)相同深度，與接地網(wǎng)平行，水平埋設(shè)。設(shè)計(jì)使用年限按25年考慮（自然腐蝕5年）。保護(hù)電流密度i = 18 mA。單只陽極發(fā)生電流可按下式計(jì)算：

式中： If 為單只陽極發(fā)生電流量；ΔE為陽極驅(qū)動(dòng)電壓0.65V；R為陽極接地電阻。

陽極接地電阻R可按下式計(jì)算：

式中：L為陽極長度，0.7 m；D為填料層直徑0.25 m；d為陽極等效直徑0.134 m；ρ為土壤電阻率25 Ω？m；ρ1為填料電阻率1.0 Ω？m；t為從地面至陽極中心的埋深0.8m。經(jīng)計(jì)算：R =5.235Ω，If = 0.124 A。地網(wǎng)保護(hù)電流如下：

全廠埋地接地網(wǎng)，水平接地體材料為熱鍍鋅扁鋼，規(guī)格為50×6mm（考慮5年的自然腐蝕），垂直接地體為熱鍍鋅角鋼∠40×40×5mm。

所需陽極數(shù)量

式中，N為所需陽極數(shù)量；f為備用系數(shù)，取2～3倍；I為所需保護(hù)電流；If為單支陽極輸出電流。

經(jīng)計(jì)算：1020

取N=1100。

陽極工作壽命

式中。T為陽極工作壽命（a）；W為陽極凈質(zhì)量15400kg；ω為陽極消耗率[kg/（A？a）]，鎂陽極7.96kg/（A？a）；I為陽極平均輸出電流63.36A。

經(jīng)計(jì)算，T=25.95>25（a）

滿足要求。

5 結(jié)語

該發(fā)電廠接地裝置在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，增加金屬厚度和犧牲陽極陰極保護(hù)均能夠有效的防止其腐蝕。犧牲陽極方案水平接地體采用50×6的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用∠40×40×5熱鍍鋅角鋼，增加金屬厚度方案水平接地體采用70×11熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用∠63×63×10熱鍍鋅角鋼。雖然增加金屬厚度投資費(fèi)用少，但由于接地材料截面的增加給施工帶來了一定的困難。綜合考慮，該工程的接地網(wǎng)采用犧牲陽極陰極保護(hù)的方案更好。

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