发电厂、变电站铜材接地网使用中需注意的问题

郑 斌

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 430071

一、引言

接地网的设计和施工在发电厂、变电站的运行使用中，占有十分重要的地位。对于人工接地体材料的选用，在一般的情况下，普遍采用的是钢材；而在土壤腐蚀性较高的场合，例如在沿海地区、盐碱地等，目前的趋势是更倾向于采用铜材作为人工接地体的材料。

二、问题的出现

在使用铜材作为人工接地材料的电厂、变电站的电气工程项目，经过一段时间的运行，有不少工程反映，接地网附近混凝土内的钢筋和钢构架，都出现了不同程度的腐蚀，有些情况较严重；另外，接地网附近的循环水、消防水及生活水等地下管道也存在不同程度的腐蚀现象。此类腐蚀现象的出现必然对电气工程项目的运行造成安全隐患。于是，国内“倒铜”的声音也逐渐增多了起来，有些学者及电气工程技术人员专门发表了文章，列举了铜材作为人工接地体材料的危害，并且明确反对将铜材作为人工接地体的材料。

三、有关规范对接地网的规定和描述

在此，我们简要摘录一下有关规范对接地网及材料的规定或描述：

3.1 《IEEE80－2000交流变电站安全指南》中有关的规定和描述

第9.6章节“应该用足够载流量和机械强度的导体连接到下列物体，包括所有接地电极、接地井以及一些可连接的地方、金属、水或气管道”

第11.2.1章节“铜是常用的接地材料。铜导体除了具备高的导电性能外，在防止地下大多数腐蚀的问题上，也有其优越性”

第11.2.5章节“铜质或镀铜钢制地网会跟埋地的钢结构、管道形成原电池，这种原电池会加速后着的腐蚀”

3.2 《GB50169－2016电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》中有关的规定和描述

第4.1.1章节“可利用下列接地级，包括

1埋设在地下的金属管道但不包括有可燃或有爆炸物质的管道

2金属井管

3与大地有可靠连接的建筑物的金属结构

4水工构筑物及其他坐落于水或潮湿环境的构筑物的金属管、桩、基础层钢筋网”

3.3 归纳一下上述两本规范的要点

相同点：都提到了可利用地下的金属管网及建筑物构架等作为自然接地体。

不同点：《IEEE80－2000交流变电站安全指南》中提到了，采用铜材作为主接地网材料后，会和埋地的铁制金属形成原电池(铁铜原电池)，加速铁制金属的腐蚀；而《GB50169－2016电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》中，对原电池效应及地下铁制设备腐蚀等并没有相关的描述。

四、问题的探索

4.0阅 读本文的建议

由于是涉及电气专业，预计本文的读者绝大多数均为电气专业工程师，那么从本文此处开始，建议读者一定要转换一下身份，“不要再将自己当做电气专业工程师，而要把自己作为一名化学专业工程师(甚至是化学学习者)”，从化学专业工程师的角度去观察和讨论问题。笔者之所以这样强烈而中肯的建议，原因有三个：

第一、读者一般对电气相关的接地规范较熟悉，而且本文第三章节也简要回顾了一下

第二、本文共有四张附图，附图中的电气回路非常简单。(直接将电极的正负极相连接)

第三、《IEEE80－2000交流变电站安全指南》提到了铁铜原电池，也提到了这会造成地下铁制设备的加速腐蚀，但更深入的原因及预防等措施没有提及；同样的，国内“倒铜派”发表的文章，也仅仅描述了采用铜接地网后的种种危害，并且列举了一些表面现象。

如果仅仅把自己局限于电气工程师，问题似乎到此为止了，从电气上看，也无再深入下去的必要。但如果深入的再想一下，是什么原因造成了地下铁制设备的加速腐蚀?这就需要我们从化学科学的角度去寻找答案，因此从此处开始，之后的内容几乎全部是化学上的讨论和分析，笔者也深信，一定能从化学分析中找到地下铁制设备加速腐蚀的答案。

4.1 简要回顾一下基础化学公开试验课——锌铜原电池反应 为了探索当采用铜材作为主接地网的材料后，地下铁制金属加速腐蚀的原因，首先我们回顾一下基础化学公开试验课——锌铜原电池反应，参见图1：

图1 锌铜原电池反应模型

图1 中，所用实验仪器及用品为：烧杯、锌棒、铜棒、电流计、导线、小刀开关K、硫酸溶液、LED低电压型灯、绝缘插座。(绝缘插座用于固定锌棒、铜棒)；

实验操作过程：用绝缘插座将锌棒、铜棒分别固在空烧杯的底部，然后倒入硫酸溶液，使锌棒和铜棒充分浸泡在硫酸溶液中，再用导线、小刀开关K、电流表及LED灯把锌棒和铜棒连接起来。当小刀开关K接通后，可以看到电流表的指针发生偏转，LED点亮，表明锌棒和铜棒间有电流产生，同时铜棒周围有氢气逸出。

实验结论：锌铜两种金属在硫酸中发生了原电池反应，锌被氧化腐蚀。

对于图1——锌铜原电池反应的模型，为方便问题的阐述，可以分成两个部分，

液体中的部分：液体中的锌棒和铜棒，通过电解质硫酸作为媒介，产生了电子的转移，发生了化学反应，并且在锌棒和铜棒支间建立了电压，同时锌棒被氧化腐蚀。液体中，主要发生的是化学反应。(限于篇幅和本文的侧重点，这里不过多讨论，读者只要记住化学结论即可，更深入的化学描述，可以参考和阅读基础化学书籍)

液体上的部分：当小刀开关闭合时，电流表中有电流流过，电流表针发生了偏转，同时LED被点亮，此部分是电学中最基本的电气回路了。(另外需要说明的是，如果将小刀开关、电流表、导线均放置在液体平面之下，从电气回路上看，和放置在液体平面之上相比，两者是等效的)

可见，锌铜原电池反应，同时发生了化学反应和电学现象，因此，锌铜原电池反应也常称为锌铜电化学反应。

根据电化学理论，原电池间发生反应需要同时满足三个条件：

1：电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料(非金属或某些氧化物等)组成。

2：两电极间电解质的存在。

3：两电极间有导线连接，形成闭合回路。

为了更为透彻的表达本文的观点以及对腐蚀问题的探索，有必要对原电池反应的这三个条件分别论述一下：

第一：对于条件1“两种电极材料”

常用的电极有几种a.活泼性不同的金属：b.金属和非金属(非金属必须能导电)c.金属与化合物d.惰性电极。根据本文的议题，我们只讨论a活泼性不同的金属，并且只限定锌、铁、铜三种金属。这三种金属的活跃性依次为锌、铁、铜。

根据电化学理论，锌铜作为电极，原电池的反应是最活跃和有效的。

结合电气工程项目，形成原电池电极的金属只限定铁和铜两种金属。

第二：对于条件2“两电极间电解质的存在”

图1的电解质由专用硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成，根据电化学理论，

强电解质一般有：强酸、强碱，活泼金属氧化物和大多数盐，如：硫酸、盐酸、碳酸钙、硫酸铜等。

弱电解质一般有：弱酸、弱碱，少部分盐，如：醋酸、一水合氨(NH3·H2 O)、醋酸铅、氯化汞。另外，水是极弱电解质。

根据条件2，可以尝试一下的方法就是将地下铁制设备(例如地下管网)的表层进行处理，将其进行绝对的防水处理，隔离电解质，但根据后文表一的结论，此方法在工程实施中并不现实。

第三 对于条件3“两电极间有导线连接，形成闭合回路”

大家看到，如果图1中没有外部导线连接，则锌铜两种金属在硫酸溶液中虽然构成原电池，并且建立起电压，但无法发生原电池反应，同时锌棒也不会被加速腐蚀。

举个日常生活中的实例，大家购买的干电池时就可以充分证明了这一点。如果干电池不使用的话，电极之间还是稳定的，即使长时间置放，干电池两级之间的电压也不会明显的降低。一般的，我们从市场购买的干电池都是很多天之前生产的。

4.2 地下管网和铜接地网间的原电池回路 根据本文第三章节有关规范的要求，地下铁制管网作为了自然接地体，并且和人工接地体铜接地网相连，地下管网和铜接地网之间充满土壤，土壤中含有水份。参见图2——地下铁制管网与铜接地网原电池反应回路图，图中的Fe代表地下管网，Cu代表地下铜接地网。

可以看到，图2和 公开实验课中的图1(锌铜原电池反应)是何等的类似，地下管网和铜接地网间形成了原电池回路，形成了两个电极，由于电极间直接连接的原因，地下管网和铜接地网间发生了原电池反应，从而加速了埋地铁制管网的腐蚀。

图2 地下铁制管网与铜接地网原电池反应模型

需要说明一下的是，水是极弱电解质，在潮湿的环境下，尤其是雨后，随着土壤中的含水量的增多，电解性质表现的要突出许多。实际工程中，土壤中的水往往含有弱酸，弱碱或者盐分，其电解性进一步增强。随着时间的推移，在铜接地网的作用下，地下铁制管网加速腐蚀。

4.3 混凝土内钢筋在铜接地网的作用下的腐蚀 为讨论混凝土内的钢筋，在铜接地网的作用下的腐蚀过程，请看工程图——钢结构立柱和铜接地网的连接图。

工程图来自工程实例，来源于某2x660 MW发电厂工程项目，设计方为某省级电力设计院(该设计院在省级电力设计院中，国内综合实力排名前三甲)。此工程图很有代表性，国内电力设计院几乎均将此图作为典设图集，并在工程中普通使用。

从工程图可以看出，混凝土上方为钢结构立柱，立柱通过专用的地脚螺栓固定在混凝土表面上，混凝土内充满了非常密的钢筋，所有的钢筋都是紧密连接的，已经浇筑在混凝土内。图中左侧，钢筋的一根向上方引出，牢固的焊接在钢结构立柱底部；图中右侧，钢结构立柱通过一根截面积240 mm2的铜绞线和地下铜接地网紧紧的连接。

由于工程图过于复杂(更多地表达了施工的工艺过程)，不利于问题的讨论，为此，我们将工程图简化成图3——混凝土内钢筋和铜接地网原电池反应模型。仔细对比图3和工程图，在原电池反应回路方面，两者是等效的。(即图3是工程图的另一种表达和简化)

工程图 钢结构立柱和铜接地网的连接图

图3 混凝土内钢筋和铜接地网 原电池反应模型

图3 和图2相比，从回路上看两者几乎是等同的，只是图3中的Fe和Cu之间，从空间物理结构上看，多了混凝土的“隔离带”，由于“隔离带”的存在，和图2相比，在其它条件相同的情况下，图3中的Fe和Cu间的原电池反应更为偏弱和困难一些。

关于混凝土及钢筋，这里有必要说明一下，

1：钢筋是导体，混凝土含有硅酸盐，如果混凝土内的水分较多，其导电能力尚可，能够较好的连接到大地。因此，在民用建筑领域，混凝土内的钢筋也通常作为接地极或防雷接地装置来使用。《民用建筑电气设计规范JGJ16－2016》第11.8.8章节规定“民用建筑宜优先利用混凝土内钢筋作为防雷接地装置”

2：混凝土在施工过程中加入了较多的水分，成形后结构中密布着很多大大小小的毛细孔洞，因此就有了一些水分储存。当埋入地下后，地下的潮气，又可通过毛细管作用吸入混凝土中，保持一定的湿度。?

3：钢筋混凝土在其干燥时，是不良导体，电阻率较大，但当具有一定湿度时，就成了较好的导电物质，电阻率常可达100－200Ω.m。潮湿的混凝土导电性能较好，是因为混凝土内的硅酸盐与水形成导电性盐基性溶液。

根据土建专业施工规范的要求，地下部分的混凝土在土方回填之前都要涂唰沥青漆进行防腐处理，沥青漆虽然也有一定的防水性能，但还不能对水起到绝对隔离的作用，不能阻碍电解质。混凝土内的钢筋和地下铜接地网间仍能通过水的媒介作用，使得两者形成原电池回路，发生电化学反应，进而加速钢筋的腐蚀。

另外，水往往是无孔不入的，对于需要绝对防水的场合(阻碍铁铜原电池的电解质)，要做专门的措施，成本也较高。

即使在军用领域，尤其是海上，如果船只(甚至航母)长时间不运行和定期养护，同样会发生严重腐蚀。舰船绝对的防腐(或防水)依旧是难题，也在探索和提高的阶段，并没有完全解决。限于篇幅和本文的方向，不能再过多讨论了，读者有兴趣可自行查阅公开的资料。

4.4 小结

总体上看，图3和 图2是属于同一类型的，针对于不同的场合和条件(图3多了混凝土隔离)而已，因此我们就只对 图1和 图2，做个横向的对比，对比结果见表：

表 图1锌铜原电池反应模型 和图2地下管网及铜接地网原电池反应模型 的对比

注：关于反应时间的预期，也可以看做阳极(图1为锌，图2为铁)被腐蚀的时间的预期，当电气工程师看到图1的锌铜原电池在数分钟内完成反应，锌被腐蚀，灯泡被点亮，电流表指针的偏转，再看看图2，还真的有信心保证铁制管网在地下能够坚持50年吗?

五、结论

通过上一章节四的讨论，我们很自然的得到了问题的答案，所有问题的原因都在于：地下铁制设备 和 铜接地网的外部连接上，而且是非常直接的连接，电阻几乎可忽略!如果没有外部连接，地下铁铜间虽然能构成原电池，但不会发生持续的原电池反应，地下铁制设备也不会加速腐蚀。

因此，我们可以得出一重要的结论，在铜材作为人工接地体材料的情况下，地下铁制物体或设备是绝对不能再作为自然接地体来使用的，不能连接到地下铜接地网!

六、尾声

站在化学科学的角度，我们知道了地下铁铜间的原电池反应，也找到了地下铁被加速腐蚀的原因。同样的，通过更多的化学分析，也能找到更多问题的答案，包括铜接地网条件(如果将地下铁铜连接)下：土壤和水资源的污染，地下设备阴极保护的失效等等。