變電站接地網腐蝕行為的實驗室快速測定

張利庭張元龍李汝彪魏狀

(1,浙江嘉興電力局,浙江 嘉興314033;2,浙江省電力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江杭州310032)

變電站接地網腐蝕行為的實驗室快速測定

張利庭1張元龍1李汝彪2魏狀3

(1,浙江嘉興電力局,浙江 嘉興314033;2,浙江省電力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江杭州310032)

根據變電站接地網腐蝕行為的研究現狀，在實驗室建立了一個模擬金屬土壤腐蝕行為的裝置。工作中以A3鋼為測試金屬，以嘉興地區兩個110 kV變電站的土壤為目標土樣，利用試片失重法和電化學測試技術對模擬裝置的有效性進行了評價。結果表明，在電化學活化控制條件下，所建的土壤模擬腐蝕裝置能有效地反應變電站現場A3鋼的腐蝕情況，兩者的實驗誤差在20%以內。以上研究成果對指導接地網運行具有重要的意義。

土壤腐蝕；接地網；腐蝕電流；極化曲線；失重

變電站接地網是電力系統電氣裝置為防止雷擊或接地短路電流危及人身和設備安全而采取的安全措施，其對電網的安全運行具有重要的意義。目前，國內在進行變電站接地網建設時，一般先查閱相關的腐蝕數據手冊，然后根據熱穩定性要求再決定接地網的尺寸大小。手冊上數據一般來源于特定地區和特定試樣的填埋試驗，由于氣候條件和土壤理化性質的差異性，所查數據對各個特定的變電站往往僅具參考價值，對實際生產的指導性并不是很強。因此，相應氣候條件下如何有效測定不同土壤中常規金屬材料的腐蝕速度對電力系統接地網的建設具有重要的實際意義[1-3]。

為了有效測定相關金屬材料在目標土壤中的腐蝕速度，在實驗室內建立能有效模擬各種常見金屬材料在不同種類土壤中的腐蝕行為是問題的關鍵。一般地，為了使模擬裝置的測試結果與實際現場的腐蝕速率有很好的相關性，建立的模擬裝置至少應滿足以下兩個基本條件：（1）表觀實驗條件下的模擬；（2）特定條件下金屬腐蝕動力學特性的模擬[4]。另外，由于模擬測試裝置得到的結果為瞬時腐蝕電流的大小，因此，如何確定一個相應較為完整的測試周期也是保證測試結果具有實際指導意義的重要保證。

本工作中研究了A3鋼在嘉興地區2個變電站的腐蝕行為（桐鄉110 KV的龍翔變電站和平湖110 KV的東方變電站）。根據現場分析及土壤理化性質的測試，我們在實驗室建立并優化了相應的模擬測試裝置，模擬裝置的有效性通過現場填埋試片的失重進行核證。

1 實驗方法與儀器

1.1 電化學測試及模擬裝置圖

電化學測試裝置采用三電極體系，恒電位儀為上海華辰的CHI660C。A3鋼模擬腐蝕裝置如圖1所示，模擬腐蝕裝置土樣的具體填埋要求如下：（1）土樣填埋深度要求大于12 cm，一般為16 cm左右；（2）兩片金屬試片平行放置，間距保證在2 cm以上；（3）夯土要求，首先在腐蝕模擬體系底部填埋約2 cm厚度的泥土，夯實之后，再添加2 cm厚度的泥土，再夯實，直到達到測試要求的規定為止；（4）在建好的測試裝置中添加適量的蒸餾水并放入恒溫恒濕箱內保存，加水頻率取決于現場土壤氧化還原電位的高低。

1.2 土樣理化性質的測定[5]

在2007年年初，我們按規定標準分別對這2個變電站進行了土壤樣品的采取、失重試片和測試件的現場填埋等工作。變電站的電化學性質進行現場測試，而其他指標根據相關標準程序在實驗室分析，兩個變電站土壤理化性質如表1所示。

表1-2 個變電站土壤的理化指標

1.3 動力學特性的分析及數據處理方法[4,6]

在常規實驗條件下，現場測試件典型的極化曲線如圖2和圖3所示，不同條件下對不同極化電位內電位-電流關系的分析結果顯示。相關工藝條件研究表明兩個變電站A3鋼的腐蝕過程屬電化學活化控制。為此，我們可以利用下式來求算A3鋼在上述土壤中的腐蝕速率：

其中ic為腐蝕電流密度，Ec為腐蝕電位，βa和βb為陰、陽極極化過程的塔菲爾斜率。

1.4 腐蝕電流測試結果與試片失重法的比較

由于電化學測試法得到的是腐蝕電流，而試片失重法得到的腐蝕速度為某段時間內平均的腐蝕速度。為了便于比較，一般要對腐蝕電流進行積分以得到年（（或月）平均失重。根據建立計算模型的需要，結合查閱到近年來桐鄉和平湖地區的氣象資料，我們將1年時間簡單地劃分3個時段：10℃以下的2個月，10~25℃的6個月，25℃以上的4個月。在計算出各個時段的平均腐蝕電流后即可求算出A3在研究時間段的平均失重。

1.5 A3鋼填埋試片失重的測定[5]

A3鋼試片失重質量與平均腐蝕電流之間的換算公式是：

式子中ic是求算的腐蝕電流大小，單位是mA/cm2；2是腐蝕反應中得失的電子數；F是法拉第常數，等于96485；m是試片失重質量，單位是g；D表示填埋實驗進行的天數；S表示填埋試件的表觀面積。

2 結果與討論

對附近停用變電站接地網截取樣品的分析表明，桐鄉110KV的龍翔變電站和平湖110KV的東方變電站不存在細菌腐蝕問題。與從事接地網工作的技術人員交流得知，在嘉興地區，接地網的腐蝕以均勻腐蝕為主。排除上述因素后，對這兩個變電站接地網腐蝕行為的研究就可以進行簡單化處理。即除了電解腐蝕外，只要求算出A3鋼在目標土壤中的均勻腐蝕速度即可，而電解腐蝕通過相應的電量給出。在本研究中，失重試片與接地網并未連通，故電解腐蝕可以不用考慮。

2.1 土壤腐蝕裝置的優化

在測試初期，土壤模擬腐蝕裝置如圖1（左邊-舊）所示。測試結果的平均值與試片失重法換算得到的腐蝕電流相比表明（如表2所示），兩者差別過大，該裝置無法很好地模擬現場A3鋼的腐蝕行為。

經課題組的仔細分析討論和驗證，認為填埋試片屬均勻腐蝕及過程動力學特性屬電化學活化控制這兩個基礎沒有問題。以下幾個因素可能是造成該結果的主要原因：（1）模擬裝置腐蝕電流的時效性問題沒有考慮；（2）實驗室測試過程所取的點數不夠多；（3）氧化還原電位的模擬不夠到位（具體表現為加水次上）；（4）所建的電化學模擬裝置不夠理想。因此工作中有必要對上述幾個因素進行分析與優化，限于篇幅，本文以模擬裝置的時效性為例進行優化。

表2 模擬裝置所測得的腐蝕電流與試片失重法算得的腐蝕電流

2.2 模擬測試裝置腐蝕電流的時效性分析

在模擬裝置的測試過程中，由于土樣夯實程度的不同，所測腐蝕電流的大小肯定也會有一定的時效性。因此建好模擬裝置后在什么時間進行腐蝕極化曲線的測定有重要的優化價值。實驗中以桐鄉110 kV龍翔錢變的測試情況為例進行說明（圖4）。圖4結果表明，模擬裝置在剛建立的幾天內腐蝕電流值較大，這可能是剛建立的裝置土壤較松，氧氣的補充速率較快，從而導致體系有較大的腐蝕電流。隨著時間的推移，裝置中土壤的緊密度變好，此時所測腐蝕電流密度值有所下降。重復試驗表明，模擬裝置在10 d后才能測到較平穩的腐蝕電流值。裝置電化學阻抗譜的分析結果也有同樣的結論。

2.3 其他幾個因素的優化說明

仔細對比分析實驗室模擬裝置和現場土壤體系，課題組認為圖1（左-舊）的測試裝置還存在以下幾點的不足：（1）模擬裝置中所填金屬試片底部的泥層厚度偏小；（2）為了模擬實際體系的氧化還原電位，工作中需對裝置進行了加水處理，由于圖1（左-舊）模擬裝置并沒有考慮相應的排水出口，導致裝置內有明顯的積水現象，從而影響測試結果。針對上述存在的兩個主要缺陷，我們對模擬測試裝置進行改進，改進后的模擬測試裝置圖1（右-改進后）所示。改進后的裝置在底部打了許多小孔，以便所加水的順利排出，另外，金屬試片底部泥土的厚度也明顯加厚（達10 cm），以便更好地模擬實際土壤腐蝕體系。

由于這兩個目標變電站接地網的腐蝕屬電化學活化控制，故利用加水頻率來控制模擬裝置氧化還原電位的方法對測試結果的準確性具有重要意義。

2.4 優化后的測試結果

利用改進后的模擬裝置，在優化后的測試條件下，對A3鋼在上述兩個變電站的腐蝕行為進行了測定。試片的填埋工作從2007年3月開始，到10月份的試片取回共經歷了近8個月的時間。模擬裝置優化后測得的腐蝕電流與失重法換算得到的腐蝕電流值結果如表3所示，裝置測得的腐蝕電流與實際試片失重法所換算得到的腐蝕電流較為接近，實驗結果的相對誤差的20%以內。以上對比結果表明，優化后的裝置能有效地反應對現場接地網的腐蝕情況，測試結果對接地網的正常運行有著很好的指導作用。

表3 裝置及工藝條件優化后的腐蝕電流測定值

3 結論

（1）根據氣候條件和預研結果，可以將嘉興地區一年的氣候條件分為三類，其中氣溫低于10℃的有2個月，10~25℃之間有6個月，25℃以上的有4個月。

（2）建立并優化了模擬接地網腐蝕的測試裝置，根據兩個變電站接地網腐蝕的動力學特點，通過對氧化還原電位的有效模擬和測試裝置腐蝕電流時效性問題的研究，所測結果與失重法所得結果較為接近，兩者的相對誤差在20%以內。

[1]電力設備接地設計技術規程SDJ8-79[M].北京:中國電力出版社，1979.

[2]胡學文，許崇武，李建華，等.接地網電化學防蝕保護若干個問題研究[J].中國電力，2002，35（7）：75-79.

[3]呂承杰，王芷芳.變電站接地網的腐蝕及犧牲陽極的應用[J].全面腐蝕控制，2005，19（5）:33-35.

[4]曹楚南.腐蝕電化學原理（第2版）[M].北京：化學工業出版社，2004:4.

[5]全國土壤腐蝕實驗網站.材料土壤腐蝕實驗方法[M].北京：科學出版社，1990:3.

[6]查全性.電極過程動力學導論[M].北京：科學出版社，2004:1.

Quick Measurement of the Corrosion Rate of Ground Network in Laboratory

ZHANG Li-ting1,ZHANG Yun-long1,LI Ru-biao2,WEI Zhuang3
(1.Zhejiang Jiaxing Electric Power Bureau,314033,China；2.Zhejiang Electric Power Corporation,310007,China; 3.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032, China)

A kind of simulating equipment was set up in our lab to study soil corrosion behavior of general metal on the basis of development of corrosion behavior of network.The validity of simulating equipment was tested in two 110kV transformer substations(Jiaxing,Zhejiang province)through comparing the in situ corrosive speed of A3 steel with that obtained from this simulating equipment.The experimental results show that this simulating equipment can effectively reflect in situ corrosion behavior of A3 steel under control by electrochemical kinetic process,and the error of two corrosive speeds is within 20%.Therefore,this kind of simulating equipment is very significant for effective operation of ground network.

soil corrosion;ground network;corrosion current;polarization curve;loss mass

1006-4184（2010）07-0023-04

2010-03-24

張利庭(1967-)，男，碩士，高級工程師，從事變電所檢修維護及技術管理。