耐蝕性金屬接地材料研究綜述

周佩朋，王 森，李志忠，張 波，曾 嶸

（1.電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系），北京市，100084；2.陜西電力科學研究院，西安市，710048）

0 引言

電力系統接地的目的是提供故障電流及雷電流的泄流通道，穩定電位，提供零電位參考點及降低絕緣水平。接地系統是確保電力系統、電氣設備的安全運行，確保運行人員及其他人員的人身安全的重要措施[1]。

由于銅材的短缺，我國主要以鍍鋅鋼作為接地裝置材料。在很多地區，接地網腐蝕已構成影響電力系統安全運行的重要因素。在我國，因接地網腐蝕而引起的電力系統事故時有發生，每次事故都會產生較大的經濟損失。

為了抑制接地網的腐蝕，國際上通常使用銅材為接地材料，但是銅材的價格昂貴，為此，在國內外市場上，出現了一些新型接地材料，如銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼等材料。銅鍍鋼已在國外獲得較多的使用，而其他材料尚無可以依據的使用標準或經驗，因此在生產及使用中存在一定的盲目性。針對上述問題，本文通過調研相關文獻、標準，收集數據，對部分接地金屬材料從耐腐蝕性、金屬截面積選擇、技術經濟比較3方面進行綜合分析，以供工程參考。

1 國內外各種新型接地材料調研

目前國內各種接地材料眾多，本文首先對國內外已使用和可能使用的材料進行匯總。

銅鍍鋼在國外獲得了較多的應用，美國、英國等國家都制訂了相關標準[2-4]。該種材料還有銅鑄鋼、銅包鋼等不同生產工藝[5]；市場上另有一種熱浸錫銅鍍鋼，即在銅鍍鋼的外邊鍍1層錫，其防腐性能更好。

近些年，鋅包鋼、不銹鋼接地棒逐漸出現在市場上。鋅包鋼是用擠壓包覆的工藝[6]將較厚的鋅層包覆在鋼表面，克服了熱浸鍍鋅鋼鍍層太薄的弊端，從而起到防腐的目的，這種材料在實際工程中應用不多，也沒有相關標準可以依據。不銹鋼的防腐性能是顯而易見的，但目前在接地工程中很少采用。有人提出過不銹鋼包鋼的想法，但是目前尚無成型產品。

在下面的分析中，本文將針對鍍鋅鋼、銅、銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼等材料進行詳細的比較。

2 金屬的耐腐蝕性

金屬的耐腐蝕性很大程度上決定了其在接地工程中的應用前景，在國內外曾進行過大量的相關實驗。

2.1 國外開展的相關實驗

美國和波蘭針對接地材料腐蝕特性進行了深入研究。美國國家標準局在1910—1955年開展了為期45年的“地下腐蝕”研究項目[7]；美國加利福尼亞國家海軍土木工程試驗室在20世紀60年代早期與美國國家腐蝕工程師協會合作開展了為期7年的“接地棒現場測試”研究項目[8]；美國國家接地研究計劃從1992年開始在國際電氣監察協會的南內華達州分部研究不同接地極材料的長期性能，該項目現在由防火研究基金會繼續進行試驗[9]。波蘭華沙技術大學材料科學工程系實驗室也進行了電鍍銅與鍍鋅鋼的腐蝕實驗[10]研究。

2.2 國外實驗結果

美國國家標準局“地下腐蝕”研究項目的主要研究成果如下：

（1）銅和銅鍍鋼。包括管狀和板狀樣品，其中銅鍍鋼的銅層厚度為0.254 mm。在14個不同場地埋入地中13年，根據重量測量，得到平均腐蝕深度為12.7×10-6mm。埋置在另外29個不同試驗場地8年的樣品的平均腐蝕深度為22.86×10-6mm。

（2）鍍鋅鋼。測試了208個鍍鋅鋼管，鍍層厚度約為0.121 mm，樣品埋入地中10年。10年后鍍鋅層的平均腐蝕厚度達0.063 5 mm。鍍鋅層下的鋼出現了點蝕。

（3）對軋制鋅材和鍍鋅鋼（平均鍍層厚度0.13 mm）在美國不同地點的50種土壤中進行了腐蝕性能的評定。數據顯示，鍍鋅鋼件的平均腐蝕速率與鋅基本一致，但是點蝕穿透率明顯低于鋅；而且當大部分鍍層被腐蝕后，腐蝕速率降低[11]。

美國加利福尼亞國家海軍土木工程試驗室對9種不同材料的垂直接地棒（長2.4m，直徑16 mm），埋入地下7年，分別在1年后、3年后、7年后從土壤中挖出測量，得到的實驗結果如下：

（1）7年后，大多數試品的鍍鋅鋼鍍層腐蝕掉了，鋼芯出現了點蝕。

（2）包不銹鋼的鋼接地棒基本沒有腐蝕，但是鋼芯出現了約25.4 mm深的點蝕。

（3）銅鍍鋼接地棒沒有腐蝕，只是在端部鋼芯出現了約50.8 mm深的點蝕。

美國海軍在其公布的接地體現場測試報告中提供了一些現場測試結果[8,12]，腐蝕數據如表1所示。

表1 單一接地體埋在土壤中的腐蝕數據Tab.1 Corrosion data of single metal buried in soil

美國國家接地研究計劃的試驗材料包括了鍍鋅鋼和電鍍銅材料。5個試驗場地中的4個分別在試驗9年、11年、12年進行了開挖。結果表明，鍍鋅鋼出現了中等到嚴重的腐蝕，電鍍銅導體只有輕微的腐蝕。

波蘭華沙技術大學材料科學工程系實驗室的研究表明，在相同腐蝕環境及波蘭土壤條件下，腐蝕速率是均勻的，并且和暴露的時間成比例。熱鍍鋅棒的平均腐蝕速率為1.1 mm/a，電鍍銅棒的腐蝕速度是它的1/25。

另外，文獻[13]給出了國外某些在接地裝置中可能出現的金屬埋在數十種土壤中進行腐蝕評估試驗的平均結果，見表2。從表2中可見，從平均腐蝕率來看，鋼鐵和鋅的腐蝕速度最快，銅和鉛的腐蝕速度要慢很多，僅約為鋼鐵和鋅的1/8；從點蝕速度來看，鋼鐵的最大點蝕速度達到了1.4 mm/a，而銅的最大點蝕速度不到0.2 mm/a，為鋼鐵的1/7。

表2 金屬材料在土壤中的腐蝕速率Tab.2 Corrosion rate of metal materials in soil

2.3 國內研究成果

在金屬材料的土壤腐蝕方面，國內尚無針對上述幾種金屬材料的全面試驗比較，但也做了大量的相關研究。

中國科學院金屬腐蝕與防護研究所用原位測試方法對碳鋼、不銹鋼、H62黃銅及金屬鋁在土壤中的腐蝕進行了研究[14-15]，認為1年內，鋁、碳鋼、不銹鋼、H62黃銅的平均腐蝕率之比為1：22：0.5：4。該所還研究了1Cr13、1Cr18Ni9Ti兩種不銹鋼在酸性、中性及堿性土壤中經過1年、3年、5年3個試驗周期后的腐蝕特征[16]，結果表明，1Cr18Ni9Ti耐蝕性優于1Cr13，2種不銹鋼在酸性及中性土壤中腐蝕輕微，在高鹽堿性土壤中腐蝕嚴重，以點蝕為主。

電信科學技術第五研究所采用自然埋藏的研究方法，對線纜金屬材料銅、鋁、鉛在我國各種土壤中的腐蝕進行研究[17-18]，結果表明：銅、鋁、鉛平均腐蝕率隨時間變化規律基本遵循方程式V=AtB（式中：V為腐蝕速率，g/dm2·a；A、B為常數；t為時間，a）；銅在內陸鹽土，鋁在堿性土壤，鉛在酸性土及潮濕草甸土、紫色土中呈局部斑點腐蝕；局部腐蝕產物不具保護性。

北京科技大學利用汽車鍍鋅板，研究了完整鍍鋅板、基板和鍍鋅層不同程度破損試樣在泥漿和NaC1水溶液中的腐蝕規律[19]。結果表明：完整鍍鋅層的腐蝕速率高于基板；鍍鋅層破損試樣的腐蝕失重隨鍍鋅層破損面積的增加而增大。

2.4 綜合討論

依據美國海軍的試驗結果，該實驗室的專家認為，只有電鍍銅厚度為0.25 mm的鋼棒以及不銹鋼棒的抗腐蝕速度可以被接受[6]。另外，從8～13年在43種不同土壤中銅試品的測試結果中的41種計算得到30年的平均點蝕深度為0.17 mm，因此一些國際標準都將電鍍銅鋼棒的銅鍍層的要求確定為至少0.25 mm，包括英國BS7430和美國的UL467[3-4]。

但是值得注意的是，在文獻[20]中提到，在透氣性較差的土壤中，不銹鋼的耐腐蝕性會減弱，而且不同材質的不銹鋼具有不同的耐腐蝕性，因此該文獻建議將不銹鋼接地從有關標準中移除。

以上大量實驗數據表明：

（1）銅、不銹鋼的耐腐蝕性遠遠好于鍍鋅鋼，但是他們在特殊土壤中的腐蝕也是不能忽略的，而且不同材質不銹鋼的耐腐蝕性不同。

（2）銅鍍鋼30年的平均腐蝕深度一般不大于0.17 mm。依據不銹鋼包鋼棒與其他金屬材料的一些試驗結果，可以認為不銹鋼包鋼也具有與銅鍍鋼類似的耐腐蝕性。

（3）鋅材的腐蝕速率與鍍鋅鋼的腐蝕速度相當，因此鋅包鋼從包覆層的腐蝕速度上來說沒有明顯優勢，主要是利用其陰極保護能力犧牲自己來實現保護其他金屬構件的目的。

（4）鍍層破壞會減弱鍍鋅鋼的抗腐蝕能力。

因此可以認為，在保證產品質量的前提下，銅、不銹鋼、銅鍍鋼的耐腐蝕性要好于鍍鋅鋼，鋅包鋼也能起到一定的陰極保護作用。雖然國內外開展了土壤中金屬材料的腐蝕研究，但很多試驗對應的環境條件并不明確。鑒于多種金屬材料仍缺乏足夠的土壤腐蝕試驗數據，很難確定其在不同土壤中的腐蝕速率，因此建議多開展此類試驗，積累數據，為工程中金屬截面的選取提供參考。

3 金屬截面積選擇

對于接地材料截面積的選取，除了要考慮其耐腐蝕性能外，還要考慮其足夠的通流能力。美國IEEE std.80—2000中推薦式（1）的簡化計算公式：

式中：Akcmil為接地材料截面積，單位為kcmil，1 kcmil＝0.507 mm2；Ig為流過接地線的短路電流穩定值，A；te為短路的等效持續時間，s；Kf為接地導體材料的材料系數，可從表3中取值[21]，不同材料的Kf是根據材料最高容許溫度取值的（周圍環境溫度取40℃時）。該標準還提出，當采用硬拉銅線時，由于機械強度的原因，應謹防導體溫度超過250℃，以防止導體淬火，韌性降低。據此標準，按照250℃計算，硬銅導體的最小截面積分別要在原熱穩定計算的截面基礎上，擴大1.67倍。

表3 部分金屬的材料系數Tab.3 Material coefficients of some metals

我國電力行業標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》推薦式（2）的簡化公式：

式（2）與式（1）類似，不同之處在于：Ag的單位為mm2；c為熱穩定系數，該標準中只對鋼、鋁、銅的熱穩定系數給出推薦值，鋼、銅的熱穩定系數分別取值70和210，而對于表3中所列其他金屬，沒有給出推薦值[22]。該標準還規定了按機械強度要求的接地鋼導體的最小尺寸，其中圓鋼的最小直徑為8 mm或10 mm，這里取保守值10 mm，因此銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼、鋅包鋼接地棒按機械強度要求的最小直徑為10 mm，即實際使用的最小截面積為78.54 mm2。

假設短路時間為0.5 s，入地故障電流Ig為10 kA，按IEEE標準、我國電力行業標準計算，再考慮機械強度要求得到不同接地線的截面和半徑如表4所示。表4中，銅、銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼均認為沒有腐蝕，只需進行熱穩定條件校核，故其截面積比考慮腐蝕的鍍鋅鋼要小的多；表4中鍍鋅鋼接地體截面選擇包含4種情況：不考慮腐蝕、輕度腐蝕（0.05 mm/a）、強腐蝕（0.1 mm/a）、嚴重腐蝕（0.2 mm/a），同時考慮50年的腐蝕量，以及1.2的不均勻腐蝕程度。對于鋅包鋼（包覆層厚3 mm），由于其耐腐蝕性沒有準確的數據，而且其部分防腐性能體現在作為犧牲陽極上，所以這里沒有對其截面選擇作計算。

表4 不同金屬接地線的截面選擇Tab.4 Cross-section selection of grounding wires of different metals

由表4可見，2種標準計算的鋼接地線的尺寸相差很小，對于銅接地線的尺寸，IEEE標準更顯保守一些。考慮腐蝕后各種接地材料的金屬截面積選擇差異很大，采用純銅、銅鍍鋼、不銹鋼、不銹鋼包鋼的截面積遠遠小于鍍鋅鋼和鋅包鋼，尤其是鍍鋅鋼在腐蝕較為嚴重時截面會大大增加。

4 不同金屬接地材料的技術經濟比較

由于IEEE標準全面給出了各種金屬的熱穩定系數，因此下面的分析中選擇IEEE標準進行不同金屬的技術經濟比較。

在考慮了材料的耐腐蝕特性、保證材料足夠的通流能力后，最終材料的選取還要看其綜合的技術經濟比較結果，包括材料用量、價格、施工難度、維護成本等。這里主要針對銅、銅鍍鋼、不銹鋼、鋅包鋼4種耐蝕性金屬，與鍍鋅鋼進行比較。各金屬材料的價格見表5，調查于2009年12月中旬，銅包鋼依據的是部分市場調查，其余金屬參考全國市場的報價。由于鋅包鋼是新出現的產品，其市面價格尚不穩定，因此在表5中以及后面的技術經濟比較中并未列出。

表5 各金屬材料的價格Tab.5 Prices of different metals

考慮不同腐蝕情況下50年的耐用年限，同時根據機械強度要求，根據不同短路電流情況（其幅值分別取值10、15、20、30、50 kA，持續時間分別取值0.25、0.5、1、2、3 s）計算各耐蝕金屬與鍍鋅鋼的材料費用比，再進行匯總后如表6所示。其中，銅的材料費用按照軟銅考慮，如果是硬拉銅，則費用需乘1.67倍。可見，隨著土壤腐蝕性的增強，使用銅、銅鍍鋼、不銹鋼會顯現出更好的經濟性；在產品質量有保證的前提下，相對純銅而言，使用銅鍍鋼、不銹鋼大大節約了材料費用。

表6 考慮不同腐蝕情況下的材料費用比Tab.6 Material cost ratio under different corrosion degrees

值得注意的是，表6的計算是理想的情況，即不考慮不銹鋼和銅的腐蝕等附加因素[22]。在實際應用中考慮到上述問題，采取的截面會略大，其材料費用也會增加。

對銅、銅鍍鋼、不銹鋼構成的接地網的性能綜合總結如表7所示。從表7中可以看出，由于這3種金屬的價格要高于鋼材的價格，在一般情況下，一次性投資比建設鋼接地網時大；但這3種金屬的接地網一般不需要改造，省去了大量的人力、物力和財力進行大規模開挖檢查。因此，總體來說，耐蝕性金屬接地網雖然一次性投資大，但是省去了接地網改造的費用，更重要的是它使得系統更加可靠，更加穩定，消除了產生事故的隱患[24]。

表7 幾種金屬構成的接地系統綜合比較Tab.7 Comprehensive comparison of grounding systems of different metals

5 結論

銅、銅鍍鋼、鋅包鋼、不銹鋼等是可以選擇的潛在耐蝕性金屬接地材料。調研數據表明，銅、鍍銅材料、不銹鋼材料的防腐性能比鍍鋅鋼好得多，鋅包鋼能起到犧牲自己來實現保護其他金屬構件的防腐效果。可認為，銅、性能較高的不銹鋼、鍍層厚度0.25 mm以上的銅鍍鋼、厚度足夠且包覆較好的鋅包鋼都能維持遠超過鍍鋅鋼的使用壽命。在強腐蝕土壤中采用耐蝕性金屬導體，比采用鋼導體的費用低。從長遠效益看，采用耐腐蝕性金屬材料減少了接地網的腐蝕，減少了維護費用，提高了運行的安全性和可靠性。對于耐蝕性金屬，我國基本沒有相關標準可依據，其使用也存在著一些盲目性和爭議，生產工藝水平也有待提高，應該多開展這方面的研究和試驗，編制國家標準，將耐蝕性金屬納入接地材料中，使發變電站接地系統工程的實際施工更具可操作性和規范性。由于目前的施工工藝下，深長垂直接地極通常仍然使用鋼材，其與以上耐蝕性金屬的連接和防腐也是需要深入研究的課題。

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