黃 濤，丁志鋒，朱小龍，蔣 駿，彭詩(shī)怡，高 超

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京210008；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京210000）

0 前言

接地網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全性具有重要意義。一旦接地網(wǎng)因腐蝕而發(fā)生斷裂，設(shè)備與運(yùn)行人員都將面臨巨大威脅。在很多地區(qū)，接地網(wǎng)腐蝕已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素[1-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接地材料的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。一方面是有關(guān)接地網(wǎng)腐蝕機(jī)制與接地材料耐腐蝕能力的研究，通過(guò)掌握接地材料腐蝕的條件及腐蝕速率的影響因素來(lái)抑制腐蝕的發(fā)生，延長(zhǎng)接地網(wǎng)的壽命[4-8]；另一方面則致力于開(kāi)發(fā)新型接地材料，通過(guò)材料本身的改性來(lái)提高其耐蝕性[9-11]。本文通過(guò)整理相關(guān)文獻(xiàn)，從腐蝕原理出發(fā)，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外防腐接地材料的研究現(xiàn)狀，闡述了提高接地材料耐蝕性的方法及應(yīng)用情況，為易腐蝕地區(qū)接地材料的選擇及設(shè)計(jì)提供參考。

1 接地材料的腐蝕機(jī)制

傳統(tǒng)接地材料為金屬材料，其腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。這兩者在實(shí)際中往往同時(shí)存在。

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是一種自發(fā)性的腐蝕，主要原因是金屬接地材料的表面與空氣、土壤中的非電解質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)腐蝕不會(huì)產(chǎn)生電流。桿塔引下線在空氣中的腐蝕就屬于化學(xué)腐蝕，如圖1所示。

圖1 桿塔引下線在空氣中的腐蝕

常見(jiàn)的接地材料發(fā)生化學(xué)腐蝕是由于非電解質(zhì)（包括O2、OH-、Cl2等）的存在。化學(xué)腐蝕后，典型特征是金屬表面會(huì)附著相應(yīng)的化合物（如氧化物、氯化物等）。

1.2 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕的原理是原電池原理，腐蝕部分包括陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)。陽(yáng)極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)得到電子。電化學(xué)腐蝕的特征在于腐蝕過(guò)程中電子從陽(yáng)極溢出并向陰極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。圖2為電化學(xué)腐蝕模型。

圖2 電化學(xué)腐蝕模型

1.3 其他因素對(duì)接地材料腐蝕的影響

除了接地材料本身性能的原因，環(huán)境和施工工藝也會(huì)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕產(chǎn)生很大影響。

（1）如果接地網(wǎng)埋深不夠，處于含氧量較多的上層土壤中，因接地材料與氧氣接觸較多，會(huì)使金屬材料發(fā)生吸氧腐蝕。

（2）回填土未按照有關(guān)規(guī)定采用細(xì)土，而是用碎砂石和其他顆粒較大的填充物，使接地網(wǎng)和土壤之間存在較大的間隙，造成接地體與空氣接觸。

（3）接地引下線和焊接接頭等易腐蝕部位沒(méi)有進(jìn)行防腐處理，有的接頭焊接不合格，容易造成焊接頭腐蝕。

（4）特殊的土壤環(huán)境也會(huì)對(duì)金屬材料有較大的影響，如在Cl-、SO2-4較多的土壤中腐蝕會(huì)明顯加劇[12]。

（5）含水量、Cl-的濃度對(duì)腐蝕速率的影響存在極點(diǎn)，即隨著含水量、Cl-濃度的增加，腐蝕速率增大，但超過(guò)某一值后，腐蝕速率反而降低[13]。

2 現(xiàn)有接地防腐材料

2.1 金屬接地材料

金屬的導(dǎo)電性能良好，是接地網(wǎng)最常用的材料。但大部分金屬材料易腐蝕，而耐蝕性較好的銅價(jià)格昂貴且伴隨重金屬污染問(wèn)題。因此，一些含電鍍金屬層的合金類(lèi)金屬接地材料被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。常見(jiàn)的接地材料有如下幾種。

（1）鍍鋅鋼

利用熱浸工藝在鋼材表面鍍一層均勻、有光澤的鋅層，形成了鍍鋅鋼材料。鍍鋅鋼因具有優(yōu)異的耐腐蝕能力而被廣泛應(yīng)用。但實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，熱鍍鋅鋼材容易發(fā)生點(diǎn)蝕，程度甚至比腐蝕還要嚴(yán)重，正常使用壽命約為7～12 a[14]。

（2）銅覆鋼

銅覆鋼表面和純銅表面一樣，能產(chǎn)生氧化物，阻止進(jìn)一步腐蝕。趨膚效應(yīng)使銅覆鋼的電導(dǎo)率比純鋼材的電導(dǎo)率要高，而且其耐熱性也比鍍鋅鋼的耐熱性要好。銅覆鋼的價(jià)格高于鋼材的價(jià)格，但比純銅的價(jià)格要低很多。雖然銅覆鋼的點(diǎn)蝕問(wèn)題比鍍鋅鋼的有所改善，但其表面薄銅層容易破裂，并且一旦破裂會(huì)加快內(nèi)部鋼材料的腐蝕速率[15]。此外，銅在堿性土壤中極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。因此，在我國(guó)西北地區(qū)的荒漠土壤中應(yīng)特別注意銅材的腐蝕情況。

（3）不銹鋼

不銹鋼在嚴(yán)重腐蝕的環(huán)境下性能依舊穩(wěn)定，耐蝕性優(yōu)異，但價(jià)格較高，并且土壤中Cl-的含量對(duì)其耐蝕性影響很大。

不銹鋼包鋼材料是在傳統(tǒng)鋼材表面覆蓋一層不銹鋼鍍層，這種材料結(jié)合了不銹鋼的耐蝕性和普通碳鋼的經(jīng)濟(jì)性，成為近期金屬接地材料的研究熱點(diǎn)。但不銹鋼包鋼材料的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，其應(yīng)用前景與效果依舊有待考證。

（4）其他金屬材料

目前各種新式金屬合金材料不斷涌現(xiàn)，按材料可分為金屬合金和稀土合金。例如：銅-鋁-稀土合金材料，主要通過(guò)添加微量稀土元素細(xì)化晶粒，改善材料表面的電負(fù)性，穩(wěn)定保護(hù)膜層[16]；鋅-鎂合金銅材料，采用98%鋅和2%鎂的合金作為保護(hù)層，鋅基合金的自腐蝕電位由于鎂的加入而正移，自腐蝕電流下降，延緩了鋅的腐蝕進(jìn)程；此外，高磷合金鋼、高鉻合金鋼、高硅稀土合金鋼的設(shè)計(jì)依據(jù)也與上述類(lèi)似，通過(guò)細(xì)化晶粒，使銹層致密化，或是改變電位，延緩腐蝕，還有抑制微生物腐蝕等[17]。但這些新型合金材料目前均實(shí)施較少，其實(shí)際效果也有待驗(yàn)證。

2.2 非金屬接地材料

即使不斷有研究與突破，金屬材料的腐蝕問(wèn)題依舊無(wú)法從根源上完全得到解決。正因如此，非金屬接地材料的研究也在不斷取得進(jìn)展。

導(dǎo)電涂料主要有鎳粉、石墨粉，以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的納米碳導(dǎo)電涂料。利用納米碳的高電導(dǎo)率和環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)異的結(jié)合力，從而保證接地網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[18]。這些導(dǎo)電涂料或者導(dǎo)電膠體需要在埋入地下前對(duì)接地材料進(jìn)行涂敷，以起到在物理上阻斷電化學(xué)腐蝕路徑的作用，對(duì)于已建成的接地網(wǎng)不適用。另外，這種導(dǎo)電防腐膠是否長(zhǎng)期有效，也是說(shuō)法不一。

接地模塊是用導(dǎo)電水泥將扁鋼等金屬接地材料包裹制成的，常見(jiàn)的外形包括圓柱體與立方體。導(dǎo)電水泥在物理上進(jìn)行隔離，在減少腐蝕的同時(shí)降低接地電阻。接地模塊在工程中已有不少應(yīng)用，但一段時(shí)間后挖開(kāi)接地模塊發(fā)現(xiàn)防腐效果與預(yù)期有一定差距，主要原因是水與空氣等介質(zhì)滲透進(jìn)模塊內(nèi)部造成保護(hù)失效。

近年來(lái)興起的柔性石墨復(fù)合接地材料具有天然的耐蝕性[19]。此種材料由高純鱗片石墨（純度不小于95%）、無(wú)機(jī)纖維與合成纖維，以及一定配比的水乳型粘合劑制備而成。柔性石墨具有良好的導(dǎo)電性與沖擊電流耐受特性，而且石墨的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在酸、堿、鹽等傳統(tǒng)金屬材料易腐蝕的土壤條件下依舊保持優(yōu)良的耐蝕性。

3 接地材料防腐技術(shù)

3.1 金屬材料的防腐技術(shù)

目前工程上常用的防腐措施有以下幾種。

（1）通過(guò)改變接地體自身特性，以延緩腐蝕速率。如加大接地體的橫截面積，或者直接采用耐蝕性更好的接地材料等。

（2）采用物理保護(hù)方法，主要是在物理上隔絕接地材料與造成腐蝕的非電解質(zhì)接觸。目前應(yīng)用較多的有導(dǎo)電防腐涂料與導(dǎo)電模塊。

（3）采用化學(xué)保護(hù)方法，也叫作陰極保護(hù)法，其依據(jù)是原電池原理，包括外加電流法和犧牲陽(yáng)極法。陰極保護(hù)法是目前最有效且應(yīng)用最多的方法。

（4）使用GPF-94高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑等產(chǎn)品延緩腐蝕。

3.2 非金屬材料在防腐技術(shù)中的應(yīng)用

3.2.1 降阻石墨布

降阻石墨布的制備過(guò)程為：先將蠕蟲(chóng)石墨（含碳量高于85%）制成蠕蟲(chóng)石墨紙，經(jīng)熱固、輥壓得到復(fù)合石墨紙，捻合壓制得到復(fù)合石墨條，最終編織成降阻石墨布。將降阻石墨布包覆接地材料一起施工埋入地下，可起到對(duì)接地材料金屬接頭防腐降阻的作用，如圖3所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，降阻石墨布具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）采用降阻石墨布代替降阻劑，其降阻效果不會(huì)隨地下水移動(dòng)而流失，可保證降阻效果的長(zhǎng)久有效，同時(shí)還可避免降阻劑導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題。

圖3 降阻石墨布的使用

（2）制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)防雷接地技術(shù)領(lǐng)域具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2.2 非金屬接頭

石墨復(fù)合接地材料金屬接頭的腐蝕問(wèn)題依然存在，耐蝕性強(qiáng)的非金屬接頭的研制能有效解決這個(gè)問(wèn)題。選擇非金屬材料應(yīng)具備以下要求：良好的耐腐蝕性能與抗老化性能；可靠的力學(xué)連接強(qiáng)度；盡可能增加石墨復(fù)合接地材料的接觸面積，減小接觸電阻；減小對(duì)散流的影響；非金屬接頭采用夾板、螺桿和螺栓固定。經(jīng)過(guò)材料比較，上下夾板選擇高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂材料，螺桿、螺栓選擇杜邦特氟龍材料，如圖4所示。

圖4 非金屬接頭

4 結(jié)論

綜上所述，要解決接地體的腐蝕問(wèn)題，主要有兩個(gè)方面：一方面是接地材料本身的改性；另一方面，施工工藝及設(shè)計(jì)是影響接地體壽命的重要因素。需要結(jié)合理論與實(shí)踐，獲得更合理的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)與選址的經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)當(dāng)出臺(tái)統(tǒng)一的接地材料選用標(biāo)準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)材料選擇，使其更加規(guī)范與可操作。除此之外，應(yīng)該規(guī)范施工過(guò)程，保證工程質(zhì)量，盡量杜絕因施工不規(guī)范而造成的接地網(wǎng)腐蝕事故。