(國電科學技術(shù)研究院有限公司，南京 210023)

接地系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站及高壓輸電線路裝置系統(tǒng)中的重要組成部分，不僅影響整個系統(tǒng)的工作效率，還起到保護人身和設(shè)備安全的作用[1]。在輸電線本體的建設(shè)過程中，桿塔接地工程對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行非常重要。在電極周圍的土壤中埋入降阻劑，降低桿塔處接地網(wǎng)的接地電阻，是提高線路耐雷水平、減少線路雷擊跳閘率的主要措施[2]。

某條500 kV輸電線路于2007年6月21日投入運行，運行不到6 a，發(fā)現(xiàn)40號、41號、42號和43號等4桿塔處接地網(wǎng)腐蝕嚴重，有些甚至出現(xiàn)斷裂。這4跟桿塔處于丘陵地區(qū)，土質(zhì)為黃土并夾雜大量石塊，土壤電阻率偏高，因此在塔桿周圍土壤中使用了物理降阻劑。

接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕斷裂后，若系統(tǒng)出現(xiàn)大接地短路電流，就可能會發(fā)生接地故障，引發(fā)電網(wǎng)事故，甚至危害設(shè)備和人身的安全。因此本工作研究了桿塔處接地網(wǎng)的腐蝕斷裂原因，同時采取有效措施，以期防止類似事故再次發(fā)生。

1 現(xiàn)場開挖情況

對該500 kV輸電線路的40～43號桿塔處接地網(wǎng)進行開挖檢查發(fā)現(xiàn)：40～43號桿塔接所處環(huán)境復雜、地質(zhì)條件差，接地網(wǎng)施工不規(guī)范,如接地網(wǎng)的埋深不夠，有些埋深甚至只有約30 cm，這一深度土壤含氧量較高，氧濃差電池反應(yīng)會造成接地體腐蝕加快；采用開挖出的碎石回填，導致接地體不能與周圍土壤保持可靠接觸，造成接地電阻偏高，同時還會加快接地網(wǎng)的腐蝕。降阻劑在施工時沒有嚴格按照相關(guān)設(shè)計規(guī)程和工藝進行，有些地方甚至整袋埋入，使土壤和降阻劑分離，人為地為接地網(wǎng)在降阻劑和土壤中發(fā)生電偶腐蝕創(chuàng)造了先決條件，這可能是接地網(wǎng)在兩種介質(zhì)分層處發(fā)生嚴重腐蝕甚至斷裂的原因。

2 腐蝕速率測量結(jié)果

接地網(wǎng)腐蝕速率直接決定了接地網(wǎng)的使用壽命。2013年4月25～26日，采用CMS-140A多功能土壤腐蝕速率測量儀，對42號桿塔處接地網(wǎng)D腿在土壤(含少量降阻劑)中的腐蝕速率進行測試，結(jié)果見圖1。

圖1 D腿在土壤中的腐蝕速率Fig. 1 Corrosion rates of leg D in soil

由圖1可見:D腿在土壤(含少量降阻劑)中的腐蝕速率為0.065～0.07 mm/a，大于《電力工程設(shè)計手冊》中碳鋼腐蝕速率參考值(0.065 mm/a)。《接地降阻劑暫行技術(shù)條件》規(guī)定，降阻劑在實驗室中對試塊的腐蝕速率應(yīng)不大于0.03 mm/a，對埋地金屬的腐蝕速率應(yīng)不大于0.05 mm/a；DL/T 380-2010《接地降阻材料技術(shù)條件》規(guī)定，降阻材料不應(yīng)對金屬接地體產(chǎn)生過量腐蝕，鋼接地體的平均腐蝕率應(yīng)小于0.03 mm/a。對比可見，該線路所用降阻劑的腐蝕性偏高，其對接地網(wǎng)造成的腐蝕明顯高于規(guī)定值。這與開挖檢查發(fā)現(xiàn)的接地網(wǎng)局部腐蝕明顯相一致。

3 腐蝕原因分析

3.1 土壤中離子含量對腐蝕的影響

接地網(wǎng)的腐蝕環(huán)境是土壤，除了受接地材料本身影響外，土壤理化性質(zhì)及其他因素也會影響接地網(wǎng)的腐蝕。

由表1可見:42號和43號桿塔處土壤及所用降阻劑均呈弱堿性；降阻劑中陰離子含量較高，特別是Cl-含量較高，這可能是造成接地網(wǎng)局部腐蝕的主要原因；降阻劑中的陽離子含量及pH與周圍土壤的相差不大，這是因為降阻劑隨雨水沖刷及長時間擴散作用，離子含量及pH與周圍土壤的趨于平衡。

表1 42號和43號塔桿處土壤及降阻劑的成分Tab. 1 Composition of soil and resistance-reducing agent at towers No. 42 and No. 43

由圖2可見:降阻劑的主要成分是C、CaCO3、SiO2，還有少量的CaCl2，這進一步說明降阻劑中Cl-含量較高。

圖2 降阻劑的XRD圖譜Fig. 2 XRD pattern of resistance-reducing agent

3.2 土壤電阻率對腐蝕的影響

土壤電阻率是單位長度土壤電阻的平均值，是影響接地裝置腐蝕的一個最基本參數(shù)，它綜合反映了土壤的導電性能。

2013年4月26號，現(xiàn)場測試42號和43號桿塔處土壤電阻率，其結(jié)果見表2，ρ15表示土壤溫度為15 ℃的土壤電阻率。

由于桿塔所處地理環(huán)境，土壤組成較為復雜。由表2可見： 在塔桿附近很小的區(qū)域土壤分層十分明顯，且42號桿塔處的土壤組成更加復雜，不僅橫向分層明顯，縱向也有分層。土壤電阻率的不均勻會造成接地網(wǎng)材料的自腐蝕電位有差異，土壤電阻率高的地方，接地網(wǎng)自腐蝕電位偏正，成為陰極；土壤電阻率低的地方，接地網(wǎng)自腐蝕電位偏負，成為陽極。在接地網(wǎng)材料從土壤陽極區(qū)進入土壤陰極區(qū)的地方，便形成宏電池，從而產(chǎn)生宏電池腐蝕。

表2 42號和43號桿塔處土壤電阻率(ρ15) Tab. 2 Soil resistivity at towers No. 42 and No. 43 (ρ15) Ω·m

3.3 雜散電流對腐蝕的影響

雜散電流是由電力設(shè)備產(chǎn)生的、經(jīng)由金屬導體在電解質(zhì)(土壤、水)中流動的一種電流。電流離開導體進入周圍電解質(zhì)的部位，會引起陽極型腐蝕[3]。

參照DL/T 5394-2007《電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導則》，當埋地金屬構(gòu)件任意點上的管地電位較自然電位偏移20 mV或埋地金屬構(gòu)件附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時，確認存在直流雜散電流干擾。

交流電對接地裝置干擾腐蝕程度，可采用交流干擾電位(電位波動值)進行判定。

表3是采用電位梯度值判斷直流雜散電流強弱的指標，表4是交流雜散電流干擾程度判斷指標。

表3 直流雜散電流強弱程度的判斷指標Tab. 3 Judging index of the strength of DC stray current

表4 交流雜散電流干擾程度判斷指標Tab. 4 Judging index of the strength of AC stray current

3.3.1 直流雜散電流

2013年4月26日，使用SCM-200A雜散電流測量儀，采用土壤電位梯度方法連續(xù)監(jiān)測42號桿塔附近直流雜散電流，結(jié)果見圖3和表5。

由圖3和表5可見：42號桿塔處平行主線方向電位梯度達到16.7 mV/m，參照表3評價標準，42號桿塔處平行主線方向有很強的直流雜散電流。由于存在較強直流雜散電流，在沒有采取排流措施的情況下，會導致接地裝置腐蝕加劇。

圖3 42號桿塔處的土壤電位梯度變化曲線Fig. 3 Soil potential gradient curves at tower No. 42

測試點測試方向電位差值電位梯度結(jié)果判斷42號桿塔附近平行主線157～167 mV15.7～16.7 mV/m≥5(強)垂直主線-3～4 mV0～0.4 mV/m<0.5(弱)

2013年4月25日，采用土壤電位梯度方法連續(xù)監(jiān)測43號桿塔處的直流雜散電流，結(jié)果見圖4和表6。

圖4 43號桿塔處的土壤電位梯度變化曲線Fig. 4 Soil potential gradient curves at tower No. 43

測試點測試方向電位差值電位梯度結(jié)果判斷43號桿塔附近平行主線-4～13 mV0～0.65 mV/m0.5～<5(中)垂直主線-23～-15 mV0.75～1.15 mV/m0.5～<5(中)

由圖4和表6可見：43號桿塔處兩個方向的電位梯度均不超過1.15 mV/m，參照表3評價標準，43號桿塔處有中等強度直流雜散電流，因此43號桿塔處的直流雜散電流對接地裝置腐蝕影響較42號桿塔處的小。

3.3.2 交流雜散電流

2013年4月25～26日，對42號，43號桿塔處的交流雜散電流進行測試，結(jié)果如圖5、圖6及表7。

由圖5～6及表7可見：42號桿塔A腿附近電位差值約為3.5 V，43號桿塔C腿附近電位差值約為1.9 V，均小于10 V，對應(yīng)表4評價標準，兩桿塔處只存在弱級別的交流雜散電流，因此交流雜散電流對兩桿塔接地裝置的腐蝕影響可以忽略。

圖5 42號桿塔A腿附近交流雜散電流Fig. 5 AC stray current near leg A of tower No. 42

圖6 43號桿塔C腿附近交流雜散電流Fig. 6 AC stray current near leg C of tower No. 43

測試點電位最小值/V電位最大值/V差值/V42號桿塔A腿附近-2.51.03.543號桿塔C腿附近-1.20.71.9

4 電化學試驗

分析研究極化曲線，是解釋金屬腐蝕規(guī)律、探討金屬腐蝕機理和解決控制腐蝕途徑的基本方法之一。電化學阻抗譜在研究電極界面雙電層結(jié)構(gòu)、電極上的各種吸附行為、金屬表面鈍化膜和電結(jié)晶過程等方面優(yōu)于其他技術(shù)[4]。

將風干的土樣通過20篩孔(1 mm)處理，按水、土質(zhì)量比1∶1配制水土混合液作為試驗溶液。其中,40號桿塔處土壤與水的混合液為1號溶液，41號桿塔處土壤與水的混合液為2號溶液，42號桿塔處土壤與水的混合液為3號溶液，44號桿塔處土壤與水的混合液為4號溶液，降阻劑與水的混合液(質(zhì)量比1∶1)為5號溶液。試驗材料為碳鋼，工作面是直徑為0.8 cm的圓形，背面焊上導線，非工作面用環(huán)氧樹脂封裝。試驗前用砂紙(0～6號)逐級打磨工作面后，再用酒精脫脂，去離子水沖洗。

試驗儀器采用美國阿美特克集團公司PARSTAT 4000電化學工作站。采用三電極體系，以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。文中電位若無特指，均相對于SCE。極化曲線掃描速率為1 mV/s，掃描范圍(Ecorr±200) mV，電化學阻抗譜頻率范圍為0.1 Hz～10 kHz。

4.1 極化曲線

由圖7可見：5條極化曲線都屬于活化極化控制的極化曲線，說明碳鋼試樣在5種溶液中沒有受到明顯的氧擴散控制。由表8可見：碳鋼在5號溶液中的腐蝕電流密度(Jcorr)最大，為6.560 μA/cm2，約是在其他溶液中的兩倍，即碳鋼試樣在5號溶液中的腐蝕速率最大。

圖7 碳鋼試樣在5種溶液中的極化曲線Fig. 7 Polarization curves of carbon steel samples in five kinds of test solutions

溶液Ecorr/mVJcorr/(μA·cm-2)ba/(mV·dec-1)bc/(mV·dec-1)1號-7681.844205.055158.2192號-7334.011343.443196.0713號-7602.178164.439131.9674號-7653.920203.176152.9575號-7426.560830.984318.861

由表8還可見：碳鋼試樣在1～4號溶液中的陽極和陰極塔菲爾常數(shù)(ba、bc)之間相差不大，說明碳鋼試樣在這4種溶液中屬于均勻腐蝕。但在5號溶液中，碳鋼試樣的陽極和陰極塔菲爾常數(shù)相差較大，即在5號溶液中，碳鋼試樣存在局部腐蝕傾向。這是因為降阻劑中含有較多的陰離子，特別是Cl-含量較高，是造成局部腐蝕的主要原因之一。

4.2 電化學阻抗譜

由圖8可見：碳鋼試樣在1～4號溶液中的電化學阻抗譜均為單容抗弧，對應(yīng)的Bode圖也只有一個時間常數(shù)，反應(yīng)只有一個過程；碳鋼試樣在5號溶液中的電化學阻抗譜存在兩個容抗弧，對應(yīng)的Bode圖有兩個時間常數(shù)，反應(yīng)有兩個過程，圖9分別是兩種情況擬合所用等效電路圖，表9為等效電路擬合結(jié)果。

(a) Nyquist

(b) Bode圖8 碳鋼試樣在5種溶液中的電化學阻抗譜Fig. 8 EIS of carbon steel samples in five kinds of test solutions

(a) 一個時間常數(shù)擬合等效電路圖

(b) 兩個時間常數(shù)擬合等效電路圖圖9 電化學阻抗譜的擬合等效電路圖Fig. 9 Equivalent circuit diagrams of EIS:(a) one time constant fitting equivalent circuit diagram;(b) two time constants fitting equivalent circuit diagram

編號Rs/(Ω·cm2)CPE1/μFnR1/(Ω·cm2)CPE2/μFnRct/(Ω·cm2)1號1 776.0---90.660.639 511 3102號2 429.0---106.300.647 58 0173號731.8---112.800.719 05 7984號983.9---111.200.685 55 4655號549.167.050.317 318 47043.880.675 73 724

等效電路中，通常用相位角元件Q來代替電容。等效電路中Rs為溶液電阻，R1為膜層電阻，Rct對應(yīng)基體金屬與溶液兩相界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻，反映基體金屬的腐蝕速率，CPE為基體與溶液兩相界面的雙電層。

由表9可見：碳鋼試樣在1～4號溶液中，短時間內(nèi)沒有鈍化膜形成，而在5號溶液中很快就形成鈍化膜。這主要是因為降阻劑中各種離子含量較高，短時間內(nèi)易形成鈍化膜，但是由于Cl-含量較高，鈍化膜很快便被破壞。

碳鋼試樣在1號溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻最大，為11 310 Ω·cm2；在5號溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻最小，為3 724 Ω·cm2。即碳鋼試樣在1號溶液中的腐蝕速率最小，在5號溶液中的腐蝕速率最大，這與極化曲線結(jié)果完全一致。

由此可見，降阻劑的存在降低了碳鋼的腐蝕阻力，引發(fā)了碳鋼的局部腐蝕。

5 結(jié)論與建議

通過對某500 kV線40～43號桿塔處接地網(wǎng)開挖檢查、現(xiàn)場測試及實驗室分析，得出如下結(jié)論：

(1) 降阻劑選擇和使用不當，是造成40～43號桿塔處接地網(wǎng)腐蝕嚴重的主要原因。

(2) 由于施工不規(guī)范，導致接地網(wǎng)附近土壤組成更加復雜，由土壤電阻率分布極不均勻產(chǎn)生的宏電池加速了接地網(wǎng)的腐蝕進程。

(3) 極強的雜散電流進一步加劇了接地網(wǎng)的腐蝕。

針對桿塔接地網(wǎng)存在的問題提出如下建議：

(1) 根據(jù)每基桿塔所在位置的地形、地勢、地質(zhì)、土壤電阻率分布以及土壤腐蝕情況，設(shè)計符合現(xiàn)場實際的接地裝置圖，并制定出切合實際的降阻措施、防腐蝕措施和施工方案，施工過程中實行全過程的技術(shù)監(jiān)督。

(2) 根據(jù)土壤電阻率測量結(jié)果，42號和43號桿塔處土壤電阻率較高且分布不均勻，建議采用接地模塊，且使用前必須經(jīng)過嚴格檢測和論證。

(3) 如果其他桿塔處土壤電阻率小于100 Ω·m，且土壤腐蝕性較大，建議采用犧牲陽極陰極保護措施。