變電站鐵塔基礎(chǔ)接地網(wǎng)土壤腐蝕性研究

魏 敏，吳芳芳，田 浩

（1.嘉興電力局，浙江 嘉興 314033；2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

接地裝置長(zhǎng)期處于惡劣的運(yùn)行環(huán)境中，承受著地網(wǎng)散流與雜散電流的腐蝕，土壤的化學(xué)與電化學(xué)腐蝕也不可避免，接地網(wǎng)腐蝕會(huì)造成電氣設(shè)備“失地”，接地電阻升高，影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，確保接地網(wǎng)免受腐蝕是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要措施。而判定接地網(wǎng)周邊土壤的腐蝕性，是選擇保護(hù)措施的先決條件。

為了快速準(zhǔn)確地測(cè)定金屬材料在土壤介質(zhì)中的腐蝕速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，近年來(lái)相繼出現(xiàn)了一些電化學(xué)測(cè)試方法，如極化曲線法、交流阻抗技術(shù)等，為深入研究土壤腐蝕機(jī)理提供了技術(shù)支持。還有研究者采用測(cè)量對(duì)地電位（自腐蝕電位）、氧化還原電位等方法來(lái)測(cè)定對(duì)比金屬材料在不同土壤中的腐蝕速率。這些方法對(duì)土壤環(huán)境無(wú)干擾，但只能提供單一的與腐蝕有關(guān)的信息，與土壤的腐蝕速度關(guān)系不密切，因此實(shí)際應(yīng)用情況并不理想。

本文采用現(xiàn)代電化學(xué)測(cè)試手段和相關(guān)的儀器表征方法，通過(guò)數(shù)學(xué)方法研究碳鋼作為接地材料在某土壤環(huán)境下的腐蝕行為。通過(guò)對(duì)土壤取樣、理化性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)的分析、腐蝕電流的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定及與填埋失重法的比對(duì)分析等，以嘉興某220kV變電站為例，測(cè)定了接地網(wǎng)的腐蝕速度，估算其運(yùn)行壽命，為接地網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 土壤腐蝕性

1.1 土壤的特性

土壤是土粒、水和空氣的混合物。由于水中溶有各種鹽類，因此土壤是一種腐蝕性電解質(zhì)，金屬在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。

土壤中含有多種無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，其種類和含量影響土壤的酸堿性和導(dǎo)電性。土壤是不均勻的，長(zhǎng)距離的地下管道和大尺寸的地下設(shè)施，其各個(gè)部位接觸的土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可能有較大差異。而土壤中大量的微生物會(huì)加速金屬腐蝕。

1.2 影響土壤腐蝕性的因素

影響土壤腐蝕性的主要因素有：含水量、含氧量、含鹽量、電阻率、pH值。

（1）土壤含水量既影響土壤導(dǎo)電性，又影響含氧量。

（2）氧的含量對(duì)金屬的土壤腐蝕有很大影響，會(huì)產(chǎn)生氧濃度差腐蝕電池。

（3）土壤愈干燥，含鹽量愈少，土壤電阻率愈大；土壤愈潮濕，含鹽量愈多，土壤電阻率就愈小。隨電阻率減小，土壤腐蝕性增強(qiáng)。

（4）當(dāng)pH值小于6或者大于7.5時(shí)，土壤腐蝕性均增強(qiáng)。

2 土壤性能的研究

主要研究?jī)?nèi)容包括：土壤取樣與理化性質(zhì)測(cè)試、試片預(yù)埋與相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、腐蝕速率的實(shí)驗(yàn)室快速測(cè)定等。

2.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)試內(nèi)容與方法

測(cè)試內(nèi)容包括：土壤種類、氧化還原電位、pH值、含水率、總鹽度、硫酸根離子、氯離子含量和有機(jī)質(zhì)含量等，具體測(cè)試方法見表1。

表1 土壤理化指標(biāo)的測(cè)試方法

2.2 腐蝕速率的測(cè)定

測(cè)試方法主要包括：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)極化曲線法、簡(jiǎn)要的極化曲線法（即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法）、交流阻抗法和填埋失重法，在此基礎(chǔ)上還分析了材料在土壤中腐蝕速度的演化行為。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中得到的腐蝕速度用腐蝕電流來(lái)表示（即測(cè)得的是金屬的瞬時(shí)腐蝕速度），而常用的腐蝕速度都用失重率或年平均腐蝕厚度來(lái)表示，為了便于對(duì)比及與習(xí)慣說(shuō)法相一致，要對(duì)腐蝕電流進(jìn)行積分（不同時(shí)間段有不同的腐蝕電流）以得到年平均失重（g/cm2·a 或 mm/a）。

為了將測(cè)得的即時(shí)腐蝕電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為年平均失重，根據(jù)建立計(jì)算模型的需要，結(jié)合氣象資料，將1年的時(shí)間劃分3個(gè)不同時(shí)間段：10℃以下的2個(gè)月，10℃～25℃的6個(gè)月，25℃以上的4個(gè)月。將失重質(zhì)量m看作函數(shù)f（t），是以時(shí)間t為變量的函數(shù)，再根據(jù)劃分的時(shí)間段對(duì)其積分。

式中：（0，t1）為溫度在 10℃以下的時(shí)間段；（t1，t2）為溫度在 10℃～25℃的時(shí)間段； （t2，t3）為溫度在25℃以上的時(shí)間段；M為試片的原子量，此處取56；F為法拉第常數(shù)（96485）；i為腐蝕電流；S為試片表面積，此處取1 cm2。

式（1）定義為：年平均腐蝕損失質(zhì)量就是對(duì)以時(shí)間t為X軸和腐蝕電流i為Y軸的函數(shù)進(jìn)行積分，積分結(jié)果再乘以常數(shù)M/2FS。

為便于計(jì)算和說(shuō)明，研究過(guò)程中可將上述3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的腐蝕電流近似看作相等（測(cè)試結(jié)果表明，該處理方法確實(shí)可行）。具體到每個(gè)時(shí)間段的腐蝕電流大小，工作中根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)條件等進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，結(jié)果平均后即可得到相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)平均腐蝕電流。式中：n為同一時(shí)間段內(nèi)腐蝕電流測(cè)定的次數(shù)；in為同一時(shí)間段內(nèi)第n次腐蝕電流的測(cè)量值。

計(jì)算試片在研究時(shí)間段內(nèi)的平均失重公式為：

式中：m為研究段時(shí)間內(nèi)試片的失重量；t為研究時(shí)間段的長(zhǎng)度。

若將1年分為3個(gè)時(shí)間段，則相關(guān)試片在目標(biāo)土壤中的年平均失重可通過(guò)以下公式求得：

具體計(jì)算示例如圖1所示。由于溫度變化原因，在不同時(shí)間段下的平均腐蝕電流是不同的。如圖1所示1-2月的腐蝕電流是i1，3-8月的腐蝕電流是i2，9-12月的腐蝕電流是i3，長(zhǎng)方形的面積表示試片失重的質(zhì)量。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 變電站土壤腐蝕性能的測(cè)定

嘉興某變電站位于嘉興市秀洲區(qū)油車港千金寺，所在場(chǎng)地周圍為農(nóng)田，地下水系發(fā)達(dá)，西側(cè)有一廢品回收站。

圖1 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同的平均腐蝕電流對(duì)比

選擇該變電站基建工程開展接地網(wǎng)土壤腐蝕與防護(hù)研究，通過(guò)測(cè)定設(shè)計(jì)所選用接地材料在基建施工區(qū)域土壤內(nèi)的腐蝕速率，預(yù)測(cè)其使用壽命并提出相應(yīng)防護(hù)整改措施，保證接地網(wǎng)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)可靠運(yùn)行。土壤的理化測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 變電站土壤理化測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 穩(wěn)態(tài)極化曲線測(cè)試

根據(jù)前期開展的接地網(wǎng)腐蝕研究成果，在嘉興地區(qū)的氣候條件和土壤環(huán)境下，接地網(wǎng)的年腐蝕速率可采用模擬系統(tǒng)快速測(cè)定，即利用試驗(yàn)分析裝置進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。由于實(shí)際土壤情況復(fù)雜，同一地點(diǎn)的土壤在不同環(huán)境條件下其物理化學(xué)性質(zhì)，如含水率、土壤充氣程度等也有不同，對(duì)電化學(xué)測(cè)試的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重要影響。為研究金屬材料在同一土壤試樣中不同情況下的腐蝕行為，模擬系統(tǒng)通過(guò)加入不含CO2的超純水，使被研究的土壤變?yōu)槟酀{狀（此時(shí)所研究土壤的含水率為飽和狀態(tài)），并采用電化學(xué)腐蝕測(cè)量方法（極化曲線法）進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析材料腐蝕速度和陰陽(yáng)極控制特性，求得自腐蝕電流，即在弱極化區(qū)求解相應(yīng)金屬材料的腐蝕電流。測(cè)試過(guò)程中，每天測(cè)試4～6次，擬合后計(jì)算得到相應(yīng)的腐蝕電流密度，然后對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。圖2是典型的穩(wěn)態(tài)極化曲線，圖3給出了2個(gè)測(cè)試周期（5天）內(nèi)的典型穩(wěn)態(tài)極化曲線對(duì)比，圖中的電位均指相對(duì)于銅-硫酸銅飽和參比電極電位。

圖2 典型穩(wěn)態(tài)極化曲線

圖3 5天內(nèi)的穩(wěn)態(tài)極化曲線變化對(duì)比

圖3的結(jié)果表明，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，填埋試片的腐蝕速度一直比較平穩(wěn)，說(shuō)明該測(cè)試裝置所得到的結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性，有較好的實(shí)際指導(dǎo)意義。

3.3 碳鋼試片腐蝕速度計(jì)算

根據(jù)式（3），試片在所研究時(shí)間段內(nèi)的平均失重公式為：

而在2個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)測(cè)得的平均腐蝕電流分別為 1.8923E-02 和 1.4627E-02（mA/cm2），取其平均值為1.6775 E-02（mA/cm2）。則可計(jì)算得出A3鋼在該土壤內(nèi)的年失重量為0.1535 g/cm2。

4 結(jié)論

經(jīng)測(cè)定，嘉興電力局某220kV變電站接地網(wǎng)（碳鋼）腐蝕電流的測(cè)定值 1.6775 E-02（mA/cm2）約為該地區(qū)其它變電所同期測(cè)定值8.555E-03（mA/cm2）的5倍，說(shuō)明該所的土壤環(huán)境對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕性較強(qiáng)，應(yīng)采取相應(yīng)的防腐措施，如陰極保護(hù)法。由此可見，對(duì)變電站（鐵塔基礎(chǔ)）接地網(wǎng)周邊的土壤特性進(jìn)行研究，對(duì)指導(dǎo)接地網(wǎng)的施工及保護(hù)有重要的價(jià)值。

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