土壤对变电站接地网腐蚀的研究

付丽君,刘伟伟,关艳玲,李国兴,王鲁昕,张 锐

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.华电电力科学研究院,杭州 310030)

土壤对变电站接地网腐蚀的研究

付丽君1,刘伟伟2,关艳玲1,李国兴1,王鲁昕1,张 锐1

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.华电电力科学研究院,杭州 310030)

为了研究土壤对变电站接地网腐蚀的影响,阐述了变电站接地网被腐蚀的原因和基本类型,分析了土壤的容重、含盐量、含水量、电阻率、微生物、pH值等因素对接地网腐蚀的影响,提出了阴极保护、金属镀层保护、导电防腐涂料等防腐蚀措施。分析结果表明,接地网腐蚀的原因是金属和介质电化学不均一性形成了腐蚀原电池,不同的土壤环境产生的腐蚀类型不同,采用加大接地体截面在综合考虑接地网局部腐蚀和平均腐蚀的基础上是较可靠的防腐措施,但损耗很大。

土壤;变电站;接地网;腐蚀

目前,电力系统变电站接地网主要用于保证变电站安全运行。土壤中的水分、溶盐、氧和微生物等对地下设施和构件的侵蚀而发生的腐蚀破坏现象称为土壤腐蚀或者地下腐蚀[1]。接地网埋设在地下,没有监视装置,不容易被看见,接地网某段导体被腐蚀后,接地网材料会变脆、起层、松散,甚至多处发生断裂,使接地电阻增大,降低其泄流性能,给变电站的输电线路造成隐患。若接地网被腐蚀后接地性能不良,则变电站内出现高电位差,毁坏其他主设备,危及工作人员的人身安全[2]。本文阐述了变电站接地网腐蚀的原因和类型,分析了土壤对接地材料腐蚀的影响现状及影响因素,提出了阴极保护、金属镀层保护、加大接地体截面等防腐蚀措施,解决了接地网腐蚀问题,延长了其使用寿命,保证了其接地性能稳定。

1 变电站接地网腐蚀原因分析

变电站输电线路接地网均被埋设于地面下0.5～0.8 m的土壤中,造成其腐蚀的环境介质主要是土壤。土壤具有复杂的多相结构,由水、空气、土粒组成,土粒中包含多种有机物质和无机矿物质,被看作是腐蚀性电解质和离子导体。接地网发生腐蚀的基本原因是金属和介质电化学不均一性而形成腐蚀原电池。接地网引下线由地面深入地下,下部腐蚀最严重,接触的土壤电解质含氧量不同,最下端含氧量最低,其电极电位为阳极,上端为阴极。土壤中含氧量和含水量是土壤腐蚀的关键因素。

2 变电站接地网的腐蚀类型

变电站接地网常见的腐蚀类型有宏电池腐蚀、杂散电流腐蚀、微电池腐蚀和微生物腐蚀。

2.1 宏电池腐蚀

宏电池腐蚀是由变电站接地网各处土壤成分不均匀形成的盐浓差电池以及各处土壤通气性差异形成的氧浓差电池而导致的不均匀腐蚀。多年埋设试验[2]表明,宏电池腐蚀能使钢铁试件的80%产生腐蚀。

1) 土壤不均匀性产生的宏观电池腐蚀。当长距离碳钢材料从一种土壤进入另一种土壤时,土壤类型、土壤质地、含盐量、地下水等会发生变化,接地网碳钢材料自然腐蚀电位在不同地段会产生差异,形成电池。碳钢接地网表面与无渗透性成分(砾石、砂石)接触,会产生点蚀[3]。在埋设碳钢接地网时,回填的土壤密度应均匀,不带夹杂物。

2) 电偶宏电池腐蚀。接地网维修后,新旧钢材自然腐蚀电位不同,接触后会产生电偶腐蚀宏电池,新旧金属构件接触形成的电偶宏电池如图1所示。

图1 新旧金属构件接触形成的电偶宏电池

由图1可知,电位负的新钢材表面未形成腐蚀产物的保护层,新接地体作为阳极腐蚀较快。不同金属接触也会产生电偶腐蚀[4],如图2所示。

由图2可知,两金属材料之间存在电位差,使电流从电偶序较低的金属(阳极)流入电解质,导致腐蚀。

2.2 杂散电流腐蚀

杂散电流腐蚀是土壤介质中存在的一种大小、方向都不固定的电流对接地网材料的腐蚀。杂散电流分为直流杂散电流和交流杂散电流。直流杂散电流对金属进行腐蚀时,阳极为正极,阴极为负极进行电化学反应,其腐蚀机理与电解腐蚀机理一致。直流杂散电流对接地网材料造成的集中腐蚀非常严重,交流杂散电流为工频杂散电流,同样电流密度下交流腐蚀量比直流的小,其危害性比直流腐蚀小[4]。很多学者关于杂散电流对土壤中金属腐蚀做了大量研究。文献[5-8]在研究杂散电流对钢腐蚀的影响时,发现在环境中有Cl-存在时更明显,交流电会使Q235钢腐蚀电位明显偏移,很多研究主要集中在杂散电流对埋地材料和阴极保护系统的电位影响上。

2.3 微电池腐蚀

微电池腐蚀是金属表面微观的化学成分不均或应力状况不均等电化学不均匀引起的在金属表面各处产生的腐蚀速度基本相同的均匀腐蚀。在土壤性质均匀或金属构件尺寸较小的情况下,主要产生微电池腐蚀。微电池腐蚀是普遍存在的,反应在微观状态下进行,反应微弱,均匀腐蚀,不会造成严重的危害事故。钢材中有杂质,如碳(C),这样钢材表面有很多铁(Fe)和碳(C)紧密结合在一起,与土壤(电解液)接触时,相当于浸泡在电解液中,Fe的电极电位偏负,构成一个闭合回路,有电流通过。Fe失去电子,变成Fe2+,Fe2+在土壤中参与离子反应,与OH-结合生成Fe(OH)2,甚至生成Fe(OH)3,Fe(OH)3不稳定,会生成FeOOH和Fe2O3.3H2O,Fe2O3.3H2O干燥时变成常见的Fe2O3。微电池腐蚀发生在水平接地网扁钢和潮湿的电缆沟屏蔽扁钢中,在钢材表面形成很多圆凹麻点,是宏观腐蚀和微观腐蚀共同作用的结果[[9-10]。

2.4 微生物腐蚀

微生物腐蚀是土壤中微生物的生命活动参与的对金属的腐蚀过程。微生物自身对金属不具有直接侵蚀作用,但其新陈代谢产物会对金属产生间接的腐蚀。地势较低的沼泽地带和有机质含量较高的土壤会发生微生物腐蚀。文献[11]通过库尔勒地区现场土壤、实验室内含水饱和土壤和土壤模拟溶液中埋设和浸泡试样的方法对X70钢在库尔勒土壤中腐蚀行为进行研究,发现土壤中存在微生物腐蚀使X70钢腐蚀速率较高;文献[12]研究不同湿度的同一土壤中硫酸盐还原菌对碳钢腐蚀影响规律时,发现相同湿度下接菌土壤中A3钢腐蚀速率和点蚀深度都明显大于灭菌土壤。

3 土壤对接地材料腐蚀的影响现状及影响因素分析

中国的接地材料过去普遍采用普通钢质材料和镀锌扁钢,现在逐渐过渡到使用铜绞线、铜包钢、低电阻接地模块等。美国和日本等已经开始使用铜材料的接地网[13]。普通碳钢在西安气象站的腐蚀速率接近6g/(dm2.a),在新疆中心站的腐蚀速率高达14 g/(dm2.a)[14]。中国电力行业标准《交流电气装置的接地》(DL/T 621-1997)规定“在腐蚀严重的地区,敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或地面上的接地线,宜采用热镀锌”。锌镀层可以阻碍腐蚀介质的和基体接触,当镀层破损后,可以对基体起到阴极保护的作用,但是,随着镀层覆膜的不断腐蚀而消失,基体会迅速被腐蚀[15]。在干燥的土壤环境中,铜的耐腐蚀能力很稳定,在潮湿的环境中铜表面生成致密的腐蚀产物,阻碍了内部的进一步氧化。国际上相关的国际标准推荐镀铜钢材料或钢材为主要接地材料[16]。

土壤的容重、含盐量、含水量、电阻率、微生物和pH值等都与接地网腐蚀相关,这些因素既相互联系,又共同作用。

3.1 土壤容重的影响

土壤的颗粒之间存在空隙,水或空气会存在于这些空隙中。土壤空隙的通气性和透水性等会对腐蚀过程产生直接影响。沙土的土壤颗粒间的空隙较大,通气性和透水性较强,埋设于这种土壤的接地网腐蚀程度较轻;黏性土壤的颗粒之间空隙小,透气性差,埋设于这种土壤的接地网腐蚀严重,粘性越大,腐蚀越严重。其原因是土壤透气性良好时,容易在金属表面生成腐蚀产物层,这种腐蚀产物层具有保护能力,使金属腐蚀速度减慢,

3.2 土壤含盐量的影响

土壤的含盐量越大,其电导率越大,腐蚀性越强。土壤含盐量参与土壤腐蚀介质的导电过程,对碳钢的电化学反应起作用。

3.3 土壤含水量的影响

土壤水分受当地的气候条件影响,与土壤的物理结构有关。接地网腐蚀受土壤中含水量影响很大。土壤中的水分是金属溶解和土壤电解质离子化必要的条件。研究表明,土壤含水量的饱和度大于95%时,阻碍了氧的扩散渗透,腐蚀减轻;土壤非常干燥时,土壤电阻增大,阳极极化增强,腐蚀缓慢;当土壤含水量的饱和度在10%～90%时,加速腐蚀[17]。

3.4 土壤电阻率的影响

土壤的电阻率不影响微电池腐蚀的腐蚀速率,对宏观电池的腐蚀影响较大。电阻率较大的土壤对接地网的腐蚀较轻,土壤电阻率越小,土壤对接地网的腐蚀越严重[18]。

3.5 土壤pH值的影响

土壤pH值过大或过小对接地网的腐蚀都严重。对于锌、铝、铅、锡等两性金属,土壤pH值的大小对其腐蚀的影响情况如图3所示。土壤pH值大小对铁的腐蚀情况如图4所示[19]。

图3 pH值对两性金属的腐蚀情况

图4 pH值对铁的腐蚀情况

由图3、图4可知,铁的氧化物在酸中容易被腐蚀,pH值小时,土壤溶液呈酸性,加速铁的表面氧化膜的溶解,促进腐蚀过程的进行。在碱性环境下,铁的腐蚀速度慢,氢氧化铁不溶于碱性溶液。

3.6 其他因素影响

1) 气候条件的影响。大气温度、降雨、通风状况等气候条件会影响土壤的理化性质和土壤中微生物的活动,影响接地网腐蚀情况,这种影响常有季节性和周期性的变化[20]。

2) 微生物的影响。土壤中的微生物能使土壤的某些物质发酵产生酸,会影响土壤的酸碱性质,从而影响对接地网的腐蚀情况。

3) 温度的影响。温度升高时,会加快化学反应的进行,从而加速对接地网的腐蚀。

4) 杂散电流的影响。电力系统的接地装置都会受到杂散电流的影响。杂散电流存在的时间和大小是影响接地网腐蚀的关键因素,因为杂散电流对金属的影响是电解腐蚀[12]。

4 变电站接地网的防腐蚀措施

接地网装置埋设在地下时,土壤本身复杂的理化性质和外界环境,对接地网腐蚀有很密切的影响。为了延长接地网的使用寿命,保障接地性能的稳定性,国内常采用的变电站接地网防腐蚀措施有阴极保护、金属镀层保护、加大接地体截面和其他防腐措施。

4.1 阴极保护

阴极保护最基本的两种方法是牺牲阳极法和强制电流法[11]。牺牲阳极法是将一种更容易失去电子的金属与被保护的电气设备连接,当发生电化学腐蚀时,易失去电子的金属会被腐蚀,电气设备得到保护。强制电流法是外置一个直流电源,负极与被保护的埋地设施连接,正极与辅助性阳极接地体连接,电流通过大地可以构成回路。埋地设施的阳极会有大量电子强制流入,弥补了其流失的电子,从而得到保护。总之,为了防止接地网腐蚀,阴极保护是通过使被保护的金属设施变成一个大阴极从而起到保护作用[21]。

目前,变电站埋地设施比较多,且与接地网连接,很难做到对变电站钢接地网实现经济可靠的阴极保护。牺牲阳极法不需要外部电源,投产后可不需管理,保护电流分布均匀、利用率高,但是此种方法不适宜在高电阻率的环境中使用,会消耗有色金属,保护电流几乎不可调,投产调试工作较复杂。强制电流法的保护范围大,输出电流连续可调,饱和装置寿命长,不受环境电阻率的限制,但需要连接外部电源,维护管理工作复杂,工作量大[22]。

4.2 金属镀层保护

中国电力系统普遍采用热镀锌做金属镀层,热镀锌钢是最常见的防腐蚀接地材料,具有耐蚀作用。热镀锌钢中锌对钢实现阳极保护,钢与土壤电解质被其表面的非导电性的氧化膜隔离,使腐蚀电流的流动受到阻碍[14]。热镀锌钢在有电流作用时,热镀层不能有效防止接地网的腐蚀,与普通碳钢比,耐蚀性能提高很少。

4.3 其他防腐措施

在综合考虑接地网局部腐蚀和平均腐蚀的基础上,加大接地体截面是较可靠的防腐措施。变电站对接地电阻要求比较高,接地网的面积决定了接地网接地电阻的大小。增大接地体面积可以降低接地电阻。印度的接地网材料大多数是钢,这一方法在印度被普遍推广应用[15]。但是,这种方法投资较大,接地体之间具有屏蔽作用,各接地体的电阻并联值小于接地网的接地电阻,损耗的钢材量大。为了减少投资,选用导电防腐涂料能够克服上述缺点,具有施工方便简单、导电性能好、实用价值高、附着力好、防腐性能优良等优点[23]。

5 结 论

1) 接地网发生腐蚀的原因是金属和介质电化学不均一性形成腐蚀原电池。土壤中含氧量和含水量是土壤腐蚀的关键因素。

2) 变电站接地网中较为常见的腐蚀类型有宏电池腐蚀、杂散电流腐蚀、微电池腐蚀和微生物腐蚀。不同的土壤环境产生的腐蚀类型不同。

3) 土壤的理化性质、杂散电流、微生物、气候条件等都是影响土壤对接地网腐蚀的因素。

4) 国内变电站接地网常采用的防腐蚀措施是阴极保护、金属镀层保护、加大接地体截面。防止变电站接地网腐蚀要确定主要的影响因子,从而采取适当的处理和防护措施。

[1] 刘秀晨，安成强.金属腐蚀学[M].北京：国防工业出版社，2002.LIU Xiuchen,AN Chengqiang.Corrosion science of metal[M].Beijing:National Defence Industry Press,2002.

[2] 肖新华，刘华，陈先禄，等.接地网腐蚀和断点的诊断理论分析[J].重庆大学学报(自然科学版)，2001，24(3)：72-75.XIAO Xinhua,LIU Hua,CHEN Xianlu,et al.Theory analysis of corrosion and fault spot in grounding grid[J].Journal of Chongqing University(Natural Science Edition),2001,24(3):72-75.

[3] 张秀英.模糊物元理论在土壤腐蚀性评价中的应用[J].山东师范大学学报(自然科学版)，2004，19(1)：44-47.ZHANG Xiuying.Application of fuzzy matter-element theory in evaluating soil corrosivity[J].Journal of Shangdong Normal University(Natural Science),2004,19(1):44-47.

[4] 高书君，王森，胡亚博，等.杂散电流对接地材料在陕北土壤模拟溶液中腐蚀行为影响[J].北京科技大学学报，2013，35(10)：1327-1332.GAO Shujun,WANG Sen,HU Yabo,et al.Effect of stray current on the corrosion behavior of typical grounded materials in northern Shaanxi soil simulation solution[J].Journal of University of Science and Technology Beijing.2013,35(10):1327-1332.

[5] Bertolini L,Carsana M,Pedeferri P.Corrosion behavior of steel in concrete in the presence of stray current[J].Corros Sci,2007,49(3):1056-1060.

[6] ATTIA M S,RAGAB A R,El-Raghy S.Failure analysis of buried piping and cold drain vessel[J].Eng Failure Anal,2011,18(3):933-937.

[7] 姜子涛，杜艳霞，董亮，等.交流电对Q235钢腐蚀电位的影响规律研究[J].金属学报，2011，47(8)：997-1002.JIANG Zitao,DU Yanxia,DONG Liang,et al.Effect of AC current on corrosion potential of Q235 steel[J].Acta Metallurgica Sinica,2011,47(8):997-1002.

[8] 李自力，丁清苗，张迎芳，等.用电化学方法建立交流干扰下X70钢的最佳阴极保护电位[J].腐蚀与防护，2010，31(6)：436-439.LI Zili,DING Qingmiao,ZHANG Yingfang,et al.Optimal cathodic protection potential for X70 Steel with AC interference determined by electrochemical methods[J].Corrosion&Protection,2010,31(6):436-439.

[9] 顾梦君，杨凡，邓亚文.变电所接地装置钢质腐蚀及电化学保护的分析探讨[J].云南电力技术，2004，32 (2)：17-18.GU Mengjun,YANG Fan,DENG Yawen.Discussion of electrochemical protection and corrosion of grounding device of substation[J].Yunnan Electric Power,2004,32(2):17-18.

[10] 吴丹，付磊，邱春辉.接地网的腐蚀评价和防腐保护策略[J].科技创业，2014(7)：171-172.WU Dan,FU Lei,QIU Chunhui.Corrosion evaluation and protection strategy of grounding grid[J].Pioneering with Science & Technology Monthly,2014(7):171-172.

[11] 杜翠薇，李晓刚，武俊伟，等.三种土壤对X70钢腐蚀行为的比较[J].北京科技大学学报，2004，26(5)：529-532.DU Cuiwei,LI Xiaogang,WU Junwei,et al.Corrosion behavior comparison of X70 steel in three different environments[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2004,26(5):529-532.

[12] 何斌，孙成，韩恩厚，等.不同湿度土壤中硫酸盐还原菌对碳钢腐蚀的影响[J].腐蚀科学与防护技术，2003，15(1)：1-4.HE Bin,SUN Cheng,HAN Anhou,et al.Effects of SRB on corrosion of carbon steel in soils with different humidities[J].Corrosion Science and Protection Technology,2003,15(1):1-4.

[13] 李月强，冯浩，杜翠薇，等.接地极的土壤腐蚀[J].环境技术，2010，28(1)：15-18.LI Yueqiang,FENG Hao,DU Cuiwei,et al.Soil corrosion of grounding electrode[J].Environmental Testing,2010,28(1):15-18.

[14] 曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京：化学工业出版社，2004.CAO Chunan.Engineering&Material[M].Beijing:Chemical Industry Press,2004.

[15] 张朝生.热镀锌钢板在水溶液中的腐蚀研究[J].表面工程咨询，2005，4(5)：10-13.ZHANG Chaosheng.Research on corrosion of hot dip galvanized steel sheet in aqueous solution[J].Biaomian gongcheng zixun,2005,4(5):10-13.

[16] Srivastava A,Balasubramaniam R.Microstructural characterization of copper corrosion in aqueous and soil environments[J].Material Characterization,2005,55(1):127-135.

[17] 黄小华，邵玉学.变电站接地网的腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制，2007，21(5)：22-25.HUANG Xiaohua,SHAO Yuxue.Corrosion and protection of grounding grid in substation[J].Total Corrosion Control,2007,21(5):22-25.

[18] 潘文霞.不均匀土壤接地网接地电阻的降低及效果分析[J].南京理工大学学报，2001，25(5)：504.PAN Wenxia.Effect analysis on decreasing grounding grid resistance in non-uniform soils.[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2001,25(5):504.

[19] 魏其巍.埋地金属设施腐蚀情况的分析[J].电力建设，2004，25(10)：22-27.WEI Qiwei.Analysis on corrosion of buried metallic facilities[J].Electric Power Construction,2004,25(10):22-27.

[20] 闫爱军，刘瑞，宋卫荣，等.土壤环境因素对碳钢接地材料腐蚀性影响[J].腐蚀与防护，2012，33(10)：159-165.YAN Aijun,LIU Rui,SONG Weirong,et al.Study of the corrosion behavior of copper clad steel in soil solution under different pH values[J].Corrosion and Protection,2012,33(10):159-165.

[21] 王守奎，汪海涛.接地材料和连接方式的选择[J].华东电力，2003，32(11)：52-54.WANG Shoukui,WANG Haitao.Selection on grounding materials and connecting methods[J].East China Electric Power,2003,32(11):52-54.

[22] 朱志平，马骁，荆玲玲，等.变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析[J].电瓷避雷器，2009(4)：18-22.ZHU Zhiping,MA Xiao,JING Linlin,et al.Soil corrosion evaluation of substation and metal corrosion charateristics analysis for grounding grid[J].Insulators and Surge Arresters,2009(4):18-22.

[23] 彭敏放，何怡刚，俞东江.高土壤电阻率地区接地网建设中若干问题的探讨[J].华北电力技术，2003(7)：51-53.PENG Minfang,HE Yigang,YU Dongjiang.Discussion on grounding systems construction in high soil resistivity area[J].North China Electric Power,2003(7):51-53.

(责任编辑 侯世春)

Study on the corrosion of grounding grid in substation

FU Lijun1,LIU Weiwei2,GUAN Yanling1,LI Guoxing1,WANG Luxin1,ZHANG Rui1

(1.Heilongjiang Province Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China; 2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China)

In order to study the impact of soil on the grounding grid corrosion in substation,the author expounded the reasons of grounding grid corrosion in substation and the basic types and analyzed the impact of bulk density,salt content,water content,resistivity,microorganism,pH value and other factors on grounding grid corrosion in soil.The corrosion prevention measures were proposed by cathodic protection,metal coating protection and conductive anti-corrosion coating.The analysis results show that the reason why grounding grid was corroded is that the electrochemical inhomogeneity of metal and dielectric formed corrosion cell and corrosion types vary in different soil environments.The anti-corrosion measure of increasing section of grounding body based on the local and average corrosions of grounding grid is more reliable,but the loss is very large.

soil; substation; grounding grid; corrosion

2016-05-11。

付丽君(1985—),女,硕士,助理工程师,主要从事电力化学检测技术工作。

S153.2;TM862

A

2095-6843(2016)06-0516-05