方夢鴿，扈海澤，袁雪瓊，趙　軍 ，付　超，宋雅楠，敬亮兵，黃加銳

(1. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙　410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底　417000；3. 湖南省長沙信長電力科技有限公司,長沙　410000)

基于電化學(xué)在接地網(wǎng)接地改造中應(yīng)用

方夢鴿1，扈海澤1，袁雪瓊1，趙軍1，付超1，宋雅楠1，敬亮兵2，黃加銳3

(1. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底417000；3. 湖南省長沙信長電力科技有限公司,長沙410000)

摘要：通過某變電站接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重這一現(xiàn)狀分析其腐蝕原因，從電化學(xué)的角度分期其腐蝕原理，并針對電化學(xué)腐蝕原理提出利用電化學(xué)原理采用陽極保護(hù)法的原則，并提出在各種土壤環(huán)境下選取不同的陽極材質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，并提出一般采用較組成變電站接地網(wǎng)扁鋼更為活潑的金屬與接地網(wǎng)連接，形成無源電路模型，利用犧牲陽極的方法來保護(hù)陰極的接地網(wǎng)，最后從電化學(xué)的角度得到非常實(shí)用的變電站接地網(wǎng)防腐蝕方案。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；腐蝕；電化學(xué)；陽極保護(hù)法；無源電路

一般接地網(wǎng)都在變電站建設(shè)之前開挖鋪設(shè)，變電站開始投運(yùn)后要一直運(yùn)行，時間可能長達(dá)幾十年。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越迅速，導(dǎo)致環(huán)境污染加重，進(jìn)而導(dǎo)致雨水PH值越來越小。對于變電站接地網(wǎng)來說，雨水也會慢慢對接地網(wǎng)的接地體進(jìn)行腐蝕，一旦接地網(wǎng)的接地體發(fā)生腐蝕，接地網(wǎng)的接地電阻將增大[1-3]。隨著運(yùn)行時間的增長，接地網(wǎng)接地電阻越來越大，對于變電站來說一旦發(fā)生雷擊變電站或者變電站進(jìn)線發(fā)生雷電繞擊事故，高雷電流很難迅速地通過接地網(wǎng)泄入大地，將發(fā)生各種反擊和觸電事故，嚴(yán)重威脅變電站設(shè)備絕緣和變電站工作人員的人生安全，所以對于接地網(wǎng)的接地體腐蝕防護(hù)至關(guān)重要。

1變電站概述及接地網(wǎng)腐蝕現(xiàn)狀

某變電站地處沿海地區(qū)，處于一座小山坡上，土壤含鹽(主要是NaCl)量非高，常年受海風(fēng)吹洗，海水會隨著海風(fēng)進(jìn)入變電站土壤中，而且平均降雨量比較多，土壤的導(dǎo)電能力比較強(qiáng)。在調(diào)研中還發(fā)生部分桿塔的接地體露出地表，接地體已經(jīng)腐蝕嚴(yán)重，說明此地變電站土壤的對于鋼鐵的腐蝕程度很大。

通過對接地網(wǎng)進(jìn)行開挖，發(fā)現(xiàn)部分接地體扁鋼腐蝕嚴(yán)重，有些甚至發(fā)生腐蝕斷裂情況，基本上都不能滿足接地網(wǎng)的要求。很多接地體需要重新鋪設(shè)，還有很多接地體腐蝕稍微輕些，都需要進(jìn)行防腐蝕的保護(hù)，不然很容易發(fā)生更嚴(yán)重的腐蝕。

2接地網(wǎng)腐蝕的原因分析

根據(jù)電力規(guī)范及一般經(jīng)驗，變電站接地網(wǎng)建設(shè)時一般采用扁鋼或者鍍銅扁鋼，但是在使用過程中有可能會損壞，以至于鍍層保護(hù)不再起作用。接地網(wǎng)深埋的環(huán)境錯綜復(fù)雜，一般含有各種無機(jī)物、有機(jī)物、酸、堿、鹽、水等物質(zhì)，同時這些物質(zhì)中存在空隙，進(jìn)而存在空氣。這些錯綜復(fù)雜的環(huán)境形成一個電解環(huán)境，是一個天然的大地電解池[4]。在形成電解池的電路中有兩種類別，一種是有源電解，一種是無源電解[5-6]。所謂的有源電解是外加電源給陰極和陽極組成的電路供電，強(qiáng)加電源就相當(dāng)于強(qiáng)制電解質(zhì)的陰陽極。而無源電解電路就相反，是電解質(zhì)通過自然連接，并且陰陽極是根據(jù)電化學(xué)理論自然形成。腐蝕性因素分析如表1所示。

表1　腐蝕性因素分析

由于接地體一般為鋼材質(zhì)，主要成分為鐵(Fe)和碳(C)，根據(jù)電化學(xué)理論，在形成電解電路時活潑金屬為陽極，不活潑的為負(fù)極。中間由于土壤中存在鹽和水等物質(zhì)，可以形成天然的連接，基本形成的電解電路如圖1所示。

圖1　無源電解電路

由于組成電解電路，中間有鹽和水等物質(zhì)構(gòu)成電離的離子通道，則在陰極和陽極都會發(fā)生電離反應(yīng)，至于具體反應(yīng)分為以下幾種情況。

當(dāng)接地體所處的環(huán)境為酸性土壤時：

Fe→Fe2++2e

(陽極)

2H+-2e→H2↑

(陰極)

當(dāng)接地體所處的環(huán)境為中性或者為堿性土壤時：

Fe→Fe2++2e

(陽極)

O2+2H2O+4e→4OH-

(陰極)

3腐蝕產(chǎn)生的影響

接地體腐蝕導(dǎo)致直接的危害就是接地體的接地電阻變大，接地電阻的變大主要影響到雷電流入地時的泄流速度和接地網(wǎng)上的地電位。

假設(shè)人的腳用一半徑為r的圓表示，設(shè)圓的半徑為0.08 m，并設(shè)兩腳之間的距離為L，土壤電阻率為ρ，那么兩腳之間的接觸電阻RO為：

(1)

經(jīng)過計算得到：

(2)

當(dāng)人員走在地面上時，從電路的角度來講，人的兩腳和土壤間的接觸電阻以及人身體的電阻Rb是串聯(lián)的[7]?？绮诫妷弘娐穲D如圖2所示。

圖2　跨步電壓電路圖

此時人體兩腳間受到是這些電阻總共的電壓降，這個電壓降即為跨步電壓Uk：

(3)

當(dāng)人員站立在地面上，同時人的手接觸到金屬設(shè)備的外殼時人的電阻和土壤電阻時并聯(lián)形式。接觸電壓電路圖如圖3所示。

圖3　接觸電壓電路圖

因此兩腳之間的電壓為兩電阻并聯(lián)后的電壓，這個電壓既是接觸電壓Uj：

(4)

一般根據(jù)電力設(shè)計經(jīng)驗，取值土壤電阻率為100 Ω·m，人體電阻Rb=1 500 Ω，則把數(shù)據(jù)代入上兩個式子，得出：Uk=0.714Ek，Uj=0.909Ej。計算結(jié)果可知，跨步電壓的大小達(dá)到了地電位的71.4%，由于接地電阻的過大，導(dǎo)致地電位較高，進(jìn)而使得跨步電壓很大?？绮诫妷汉艽蟛粌H容易造成地電位對于變電站設(shè)備的反擊[8]，而且當(dāng)發(fā)生雷電流入侵變電站的事故時，對于工作于變電站的工作人員來說，會形成很大的跨步電壓和接觸電壓，導(dǎo)致觸電事故。

4防腐蝕的改造措施

在一般的接地腐蝕改造措施中，大家采用對接地網(wǎng)的接地扁鋼鋪設(shè)防腐劑，防腐劑的成分包含各種各樣的化學(xué)成分。雖然現(xiàn)在市場上對于防腐劑的加工更加環(huán)保，但是由于其主要原理還是利用化學(xué)知識的相互反應(yīng)而保護(hù)接地體，反應(yīng)形成的生成物又是化學(xué)劑融合在土壤中，會對環(huán)境造成很大的污染。而且防腐劑有時候不適合一些土壤環(huán)境，并且防腐劑有效期短，對于重新鋪設(shè)不方便，達(dá)不到長久有效期。

因為接地網(wǎng)的腐蝕主要是由于形成了電解電路，發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。因此，在改造措施的設(shè)計時優(yōu)先以電化學(xué)的知識來設(shè)計保護(hù)，根據(jù)電化學(xué)的腐蝕機(jī)理，一般都是陽極腐蝕，所以只要把接地網(wǎng)的扁鋼換成陰極，就會對接地網(wǎng)起到很好的保護(hù)作用。由于一般是活潑金屬作為陽極，所以在接地網(wǎng)形成的電解電路中加入比Fe活潑的金屬作為電解電路的陽極，如Zn、Mg、Al等相對于Fe的活潑金屬，人為地控制電解電路的陰陽極，在這里采用無源法電解電路，因為可以自然形成電解電路，不需要外界提供電源，不僅能達(dá)到效果而且能達(dá)到節(jié)能的要求。

在設(shè)計陽極的材料選型時，必須首先利用四季法對接地網(wǎng)的土壤電阻率進(jìn)行測量根據(jù)土壤電阻率的大小選擇材料。

土壤電阻率的大小與采用陽極的材質(zhì)選取關(guān)系如表2所示。

表2　土壤電阻率與材質(zhì)選擇

由表2可知，當(dāng)變電站接地網(wǎng)的土壤電阻率在20 Ω·m及以內(nèi)，則可以采用Zn及Zn的合金作為電解電路的陽極接地體(見圖4)；當(dāng)電阻率為20～100 Ω·m以內(nèi)，則采用Mg及Mg的合金作為電解電路的陽極接地體(見圖5)；當(dāng)電阻率在100 Ω·m及以上的則采用Mg合金，如果特殊環(huán)境的則應(yīng)該采用有源電路(見圖6)，外接電源，認(rèn)為的定性接地體的扁鋼為陰極，起到保護(hù)陰極扁鋼接地體的目的[2-4]。

圖4　Zn作為陽極電路

圖5　Mg作為陽極電路

圖6　有源電路

選擇電解電路陽極材質(zhì)后，需要把電解陽極與接地網(wǎng)相連接，形成一個電解電路的回路通道，才能發(fā)生電解池反應(yīng)。在設(shè)計陽極鋪設(shè)職位選擇時，考慮到如果電解電路的陽極腐蝕已經(jīng)很嚴(yán)重的情況下，一般是幾年或者十幾年，需要及時更換電解陽極，進(jìn)而對陰極的接地網(wǎng)進(jìn)行完好的保護(hù)。所以，在鋪設(shè)位置選擇時必須選擇在接地網(wǎng)不遠(yuǎn)處的空地，方便及時開挖進(jìn)行更換。一般根據(jù)經(jīng)驗選擇接地網(wǎng)的四個角進(jìn)行鋪設(shè)，并且用導(dǎo)線把四個陽極相互聯(lián)系起來作為一個陽極，具體分布如圖7所示。

圖7　無源陽極鋪設(shè)

5結(jié)語

通過分析變電站接地網(wǎng)腐蝕這一現(xiàn)象以及通過對相關(guān)知識的理解及應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)由于土壤環(huán)境原因，變電站接地網(wǎng)很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

(2)電化學(xué)腐蝕主要是因為接地網(wǎng)的扁鋼作為電解電路的陽極而發(fā)生氧化反應(yīng)

(3)外加活潑金屬能夠強(qiáng)制接地網(wǎng)為陰極，活潑金屬為陽極，以活潑金屬的腐蝕為代價而保護(hù)接地網(wǎng)的扁鋼。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳坤漢. 500 kV橫瀝變電站接地網(wǎng)狀態(tài)評估與改造[J]. 電瓷避雷器,2011(3):61-64.

CHEN chun-han. 500 kv horizontal drain substation ground network state evaluation and retrofit [J]. Electric porcelain arrester, 2011(3):61-64.

[2]張繼超,宋祎昕,陳揚(yáng),等. 埋地燃?xì)夤艿罓奚枠O陰極保護(hù)法的改進(jìn)[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(5)：56-58.

ZHANG Ji-chao，SONG Yi-xin, CHEN Yang,et al. Buried gas pipeline improvement of sacrificial anode cathodic protection [J]. Journal of chongqing institute of technology (natural science edition), 2011(5):56-58.

[3]宋景博,潘文霞,普珍,等. 考慮接觸電壓的風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計[J]. 電瓷避雷器,2013(6):56-60.

SONG Jing-bo，PAN wen-xia, PU Zhen, et al. Considering the contact voltage of wind turbines grounding network optimization design [J]. Electric porcelain arrester, 2013(6):56-60.

[4]何玉龍. 電化學(xué)腐蝕防護(hù)技術(shù)分析[J]. 科技與企業(yè),2013(21):356.

HE Yu-long. Electrochemical corrosion protection technology analysis [J]. Science and technology and enterprise, 2013( 21):356.

[5]畢武喜,劉月發(fā),趙君,等. 油氣管道陰極保護(hù)陽極干擾檢測與分析[J]. 腐蝕與防護(hù),2013(12):1111-1113，1118.

BI Wu-xi, LIU Yue-fa，ZHAO Jun, et al. Anode interference detection and analysis of oil and gas pipelines cathodic protection [J]. Journal of corrosion and protection, 2013(12):1111-1113，1118.

[6]高健. 埋地硫酸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的改造[J]. 腐蝕與防護(hù),2013(12):1128-1130.

GAO Jian. Buried pipeline cathodic protection system of sulfate transformation [J]. Journal of corrosion and protection, 2013(12):1128-1130.

[7]趙慧萍,趙文娟,張曉芳. 金屬電化學(xué)腐蝕與防腐淺析[J]. 化學(xué)工程與裝備,2013(10):135-136.

ZHAO Hui-ping, ZHAO Wen-juan， ZHANG Xiao-fang. Metal shallow of electrochemical corrosion and anticorrosion [J]. Journal of chemical engineering and equipment, 2013(10), 135-136.

[8]李華. 汕頭電網(wǎng)220 kV變電站接地網(wǎng)改造的研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.

(本文編輯：趙艷粉)

Based on Electrochemical Applied in Ground Net.Through Grounding Modification

FANG Meng-ge1，HU Hai-ze1，YUAN Xue-qiong1，ZHAO Jun1，F(xiàn)U Chao1，SONG Ya-nan1，JING Liang-bing2，HUANG Jia-rui3

(1. School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000, China;2. Electric power company in hunan province loudi power supply bureau，Loudi 417000，China;3. Hunan changsha Xinchang electricity technology, Changsha 410000，China)

Abstract:The article the author through the substation ground network this serious corrosion by analyzing the corrosion reasons, from the Angle of the electrochemical staging its corrosion principle, using the electrochemical principle are put forward based on electrochemical corrosion principle based on the principle of anode protection law, and puts forward the selection of different anode material under various soil environment protection, and put forward the general use of a substation grounding network flat more active metal and grounding network connection, form the passive circuit model, the method of using sacrificial anode to protect cathode grounding network, and finally from the point of view of electrochemical very practical substation ground network anticorrosion scheme.

Key words:grounding network; corrosion; electrochemistry; anodic protection; the passive circuit

DOI：10.11973/dlyny201601027

作者簡介：方夢鴿(1995)，女，從事高電壓防雷技術(shù)研究。

中圖分類號：TM86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-11-09