談得意，羅向強(qiáng)，趙 淵，蘭 澳

（1.國網(wǎng)四川省電力公司 檢修公司,四川 成都 610000；2.國網(wǎng)湖北直流運(yùn)檢公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

輸電線路接地網(wǎng)是保障線路安全穩(wěn)定運(yùn)行和檢修人員人身安全的重要設(shè)備。當(dāng)接地網(wǎng)在土壤中受到周邊環(huán)境影響而產(chǎn)生不同程度的腐蝕時(shí)，雷電流及短路電流無法迅速有效的由接地網(wǎng)向大地傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致輸電鐵塔附近產(chǎn)生跨步電壓升高，出現(xiàn)威脅現(xiàn)場檢修人員安全的問題[1]。在全世界已經(jīng)出現(xiàn)多起因接地網(wǎng)本身缺陷而造成的電網(wǎng)事故，因此研究如何提高接地網(wǎng)使用壽命，降低腐蝕速率非常有必要。

1 現(xiàn)有輸電線路接地網(wǎng)防腐措施

現(xiàn)有接地網(wǎng)主要是利用角鋼和圓鋼相互焊接構(gòu)成，并且長期埋設(shè)在地下，材料的腐蝕速率受土壤環(huán)境影響較大，特別是酸性土壤會(huì)極大加速材料的腐蝕[2]。下面介紹幾種常用的接地網(wǎng)防腐技術(shù)。

1.1 增大接地材料橫截面積

增大接地材料橫截面積是目前改善接地網(wǎng)腐蝕最直接的措施。由于現(xiàn)有接地網(wǎng)材料在土壤中一定存在腐蝕情況，因此對(duì)于土壤環(huán)境干燥的地區(qū)可以通過選用更大規(guī)格的接地材料來增大接地網(wǎng)使用壽命[3]。但這種方式會(huì)造成鋼材的消耗量大幅度增加，并且增大施工成本。

1.2 噴涂導(dǎo)電材料

在鋼材表面噴涂導(dǎo)電材料是一種常用的防腐方法，主要原理是利用有機(jī)高分子聚合物耐腐蝕的特點(diǎn)，在聚合物內(nèi)部加入部分導(dǎo)電顆粒，使材料既能耐腐蝕，也具有良好的導(dǎo)電特性[4]。但是由于涂層硬度不高，與原鋼等材料的結(jié)合強(qiáng)度不夠，容易在施工時(shí)造成涂層破損。因此該方法主要應(yīng)用在電路板等電子行業(yè)內(nèi)，在輸電線路接地網(wǎng)上的應(yīng)用較少。

1.3 犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)

目前，該方法是非常有效的一種防腐技術(shù)，主要原理是通過在被保護(hù)鋼材附近放置活潑金屬，如鋅塊，然后將被保護(hù)鋼材和鋅塊連接起來。因?yàn)殇\的金屬活潑性大于鐵，所以在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，接地網(wǎng)作為陰極不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[5]。在陰極保護(hù)裝置設(shè)計(jì)過程中需要考慮土壤特點(diǎn)和接地網(wǎng)總面積等因素，并且由于鋅塊作為消耗性材料，需要定期開展維護(hù)，存在使用成本過高的問題。

1.4 選擇不同接地網(wǎng)材料

到現(xiàn)在為止，國內(nèi)輸電線路接地體的材料主要是鋼和銅。相對(duì)于鋼來說，銅的導(dǎo)電性能和化學(xué)穩(wěn)定性都優(yōu)于鋼，在土壤環(huán)境中的腐蝕速率更低，僅為鋼腐蝕速率的25%左右。在國外，主要采用銅制接地體，但在國內(nèi)，由于價(jià)格因素，銅采用的相對(duì)較少。此外，當(dāng)銅長時(shí)間埋設(shè)在土壤中時(shí)，會(huì)造成該地區(qū)重金屬污染，嚴(yán)重影響附近居民的生產(chǎn)生活。

2 鎳基金屬陶瓷涂層的制備

我國輸電線路接地網(wǎng)常采用Q235鋼制成，該材料具有價(jià)格低廉和導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)。在接地網(wǎng)實(shí)際工作環(huán)境中，接地網(wǎng)涂層需滿足相應(yīng)的條件。即涂層需具備良好的導(dǎo)電性能，而且為保證在施工過程中不出現(xiàn)涂層破損等問題，涂層應(yīng)具有一定的硬度[6]。因此，本文以Q235鋼材為基底，使用超音速火焰噴涂法在表面噴涂NiCr金屬陶瓷涂層進(jìn)行相應(yīng)研究試驗(yàn)。

2.1 基底材料前期處理

基底材料的前期處理步驟如下。首先將Q235鋼切割成45 mm×45 mm×10 mm的長方體形式；其次利用LH型油污清洗劑對(duì)基底進(jìn)行浸泡，然后對(duì)基底進(jìn)行清洗風(fēng)干；最后使用TS-GY-9080加壓式噴砂機(jī)對(duì)基底噴砂除銹。

2.2 制備流程

由于涂層厚度是影響抗腐蝕效果的一個(gè)重要因素，而超音速火焰噴涂設(shè)備的送粉電壓及噴涂層數(shù)會(huì)對(duì)涂層厚度產(chǎn)生影響。因此本文以送粉電壓及噴涂層數(shù)作為變量進(jìn)行試驗(yàn)制備，并對(duì)個(gè)試驗(yàn)材料進(jìn)行編號(hào)，如表1所示，其中編號(hào)的第一個(gè)數(shù)字表示送粉電壓，第二個(gè)數(shù)字表示噴涂層數(shù)，如編號(hào)3-2指送粉電壓為3 V，噴涂層數(shù)為兩層。

表1 涂層制備試驗(yàn)表

使用超音速火焰噴涂法將NiCr金屬陶瓷材料制備到Q235鋼基底上的流程如圖1所示。

圖1 金屬陶瓷涂層制備流程圖

3 涂層性能試驗(yàn)分析

由于需要探究制備的金屬陶瓷涂層性能是否滿足硬度、導(dǎo)電性能以及抗腐蝕性能的要求，因此試驗(yàn)中采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）掃描電鏡測量涂層厚度，利用顯微硬度計(jì)測量涂層的硬度，利用劃痕試驗(yàn)法測量涂層與Q235鋼基底之間的結(jié)合強(qiáng)度是否滿足要求。

3.1 涂層厚度測量

利用超音速火焰噴涂法制備了不同噴涂層數(shù)的金屬陶瓷涂層試樣，并利用SEM掃描電鏡儀獲得了不同試樣的SEM圖，如圖2所示。整體來看，在1 000倍顯微鏡下金屬陶瓷涂層隨著噴涂層數(shù)的增大，涂層厚度明顯增厚；層數(shù)多的涂層外表面相對(duì)更加平滑，可能是由于多次噴涂過程中金屬微粒更容易附著在凹面處。利用軟件多次測量涂層不同位置厚度，取平均值，得到涂層厚度如表2所示。

表2 NiCr金屬陶瓷涂層厚度

圖2 金屬陶瓷涂層SEM圖

3.2 涂層硬度測量

本次試驗(yàn)采用顯微硬度計(jì)，基于維氏硬度測量法對(duì)制備的各個(gè)涂層樣品進(jìn)行硬度測量。樣品涂層厚度大約為64 μm，壓力荷載采用150 g，劃痕作用時(shí)間為6 s。對(duì)每個(gè)試樣測量6次并取平均，得到如圖3所示的試樣硬度值。通過圖中可以容易看出涂層硬度為852 HV，高于基底Q235鋼的硬度，因此涂層硬度滿足試驗(yàn)要求。

圖3 金屬陶瓷涂層及Q235鋼硬度圖

3.3 涂層抗腐蝕性能試驗(yàn)

本次制備的NiCr金屬陶瓷涂層不僅需滿足硬度要求，還需要檢驗(yàn)其抗腐蝕性能是否更強(qiáng)。因此，本文采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)開展試樣抗腐蝕性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，首先將制備好的試樣以及同樣尺寸的Q235原鋼稱重后，放置到鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱內(nèi)。其次利用高純度NaCl顆粒與蒸餾水調(diào)制15 L濃度為（50±5）g/L的鹽水溶液，PH值為7。最后在箱體內(nèi)加入配置好的溶液，打開鹽霧噴噴頭，開始進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)。每隔一段時(shí)間，取出樣品進(jìn)行除銹工作后稱量，得到不同時(shí)間點(diǎn)試樣銹蝕失重值。

開展120 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，試樣銹蝕如圖4所示。通過圖中可以看出，原鋼已經(jīng)全面銹蝕。而金屬陶瓷涂層試樣隨著噴涂層數(shù)的增加，試樣銹蝕程度越低。而3-4、3-5和3-6號(hào)涂層銹蝕程度大致相同。

圖4 試樣鹽霧銹蝕圖片

在中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)中，分別在不同時(shí)間段對(duì)除銹后的試樣進(jìn)行稱量，得到每個(gè)試樣失重量，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖5所示的NiCr金屬陶瓷涂層銹蝕失重-時(shí)間曲線。從中可以看出，利用超音速火焰噴涂制備的NiCr金屬陶瓷涂層的抗腐蝕性能高于Q235鋼，并且試樣編號(hào)為3-4的金屬陶瓷涂層樣品的抗腐蝕性能最優(yōu)。

圖5 NiCr金屬陶瓷涂層銹蝕失重-時(shí)間曲線

3.4 涂層電學(xué)性能試驗(yàn)

3.4.1 涂層的體積電阻率

制備成的金屬陶瓷涂層材料接地網(wǎng)電氣性能主要體現(xiàn)在體積電阻率上。因此本文利用數(shù)字微歐計(jì)結(jié)合四探針法測量金屬陶瓷涂層的體積電阻率。所制備金屬陶瓷涂層的體積電導(dǎo)率如表3所示。

表3 試樣體積電阻率

從表3可以看出，制備的金屬陶瓷涂層體積電阻率隨著涂層厚度的增加而增加，但和未噴涂的Q235鋼體積電阻率相比，最大也只增加78.8 μΩ·cm，滿足作為接地網(wǎng)散流的電氣要求。

3.4.2 接地體接地電阻

由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，輸電線路接地網(wǎng)接地電阻需滿足一定的要求，因此本文使用DET2/2型接地阻抗測量儀，采用三角形測量法測量試樣接地電阻。此次試驗(yàn)制備的材料尺寸為20 cm×5 cm×0.5 cm，試樣的接地電阻如圖6所示。

圖6 試樣材料接地電阻平均值

通過分析可知，試樣材料最大接地電阻為109.3 Ω，最小值為64.5 Ω，其中同樣試樣參數(shù)的Q235鋼接地電阻值為62.8 Ω。通過比較分析，編號(hào)3-2、3-3、3-4的試樣接地電阻值未過大超過Q235鋼接地電阻值的20%，因此上述3種編號(hào)的NiCr金屬陶瓷涂層試樣的接地電阻性能滿足工程要求。

4 結(jié) 論

通過對(duì)制備試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析得出以下3點(diǎn)結(jié)論。一是利用超音速火焰噴涂制備的NiCr金屬陶瓷涂層的電氣性能滿足工程實(shí)際要求。二是通過中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，NiCr金屬陶瓷涂層的抗銹蝕能力優(yōu)于現(xiàn)有Q235鋼接地體。三是當(dāng)金屬陶瓷涂層制備參數(shù)與編號(hào)為3-4試樣的參數(shù)相同，既送粉電壓為3 V，噴涂層數(shù)為4層時(shí)，制備出的NiCr金屬陶瓷涂層抗腐蝕性能最好并滿足實(shí)際工程電氣性能要求。