淺談500kV變電站接地網腐蝕與防護

摘要：電力接地網的可靠性直接關系到電網的安全運行，是造成大面積停電的事故原因之一。目前普遍采用的普通碳鋼構件存在腐蝕速率快、開挖修復周期短、可靠性差等問題。直接采用純銅作為接地體材料，或加大接地體截面雖然可以大大延長接地網使用壽命，但成本過高。鋼表面鍍鋅或采用陽極犧牲法等存在延壽有限和均勻性差等問題。鋼表面高溫鍍銅和涂覆導電防腐涂料的方法在提高耐土壤腐蝕性能的同時也兼顧了成本，可明顯延長接地網可靠使用壽命至30年以上，是今后接地體構件防腐技術的主要發展方向。

關鍵詞：接地網 腐蝕 防護 耐腐蝕

0 引言

電網的穩定運行主要取決于500kV變電站接地網的運行狀態，而且在某些情況下，大面積停電的事故也是因500kV變電站接地網的故障而造成的。施工單位都在地下埋設接地網，受地理環境惡劣和地下土壤不同的影響，土壤腐蝕是造成接地網的首要危害。山西省電力公司檢修公司負責運行維護全省的18座500kV變電站（開閉站），因其結構復雜不易于進行設備維護，我單位每隔五年要花費很多精力來開挖維護和翻修接地網。采用這種模式進行設備養護，不僅要注意現場運行情況，而且要盲目地做大量的工作，周期長、進度慢。鑒于此，我單位將接地網腐蝕的診斷和防護方案研究提上了議事日程，并在實踐中著力改進接地網材料的耐腐蝕性能，延長接地網的服務期限，從而確保500kV電網設備保持良好的運行狀態，節約運營成本。

1 接地網腐蝕機理

在我省500kV變電站中，水平接地體由圓鋼或扁鋼焊接而成，垂直接地體用角鋼或鋼管組成。整個系統的安全穩定運行就要依靠每個元件及其相互配合共同工作。若采用同等的接地裝置，則接地電阻變大，土壤電阻率也將隨之增大。在土壤內，特別是在接地引下線的地面和土壤交界處，金屬與介質的電化學不均一，就會形成腐蝕原電池使接地網遭到電化學腐蝕，而碳鋼則容易發生吸氧腐蝕。土壤內的氧被水溶解會加速擴散。土壤內電解質和氧的濃度、以及土壤的pH值可被土壤內厭氧微生物的新陳代謝產物改變，進而加速電化學腐蝕的陰極去極化過程，最終促進接地網更快的發生電化學腐蝕。接地網發生電化學腐蝕，除了土壤電解質被改變，陰、陽兩極還會發生電極反應。下文具體說明了電極反應的過程。

1.1 陽極反應過程 實際上，土壤腐蝕的陽極反應過程就是金屬材料的腐蝕過程，具體情況如下：

Fe→Fe2++2e

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

Fe（OH）3→FeOOH+H2O

2Fe（OH）3→Fe2O3·3H2O→Fe2O3+3H2O

土壤中接地網被腐蝕的主要過程主要通過上式反映出來。鐵在酸性土壤內以離子形式存在，而鐵離子和氫氧根離子若在堿性土壤或中性土壤內發生反應，就會形成氫氧化亞鐵，該物質又與土壤內的水、氧氣發生反應生成氫氧化鐵，并轉化成氧化鐵等腐蝕產物。

1.2 陰極反應過程 土壤內金屬所發生的陰極反應實際是氧的還原作用。氧的還原作用就是氧與電子結合生成氫氧根離子，方程式如下：O2+2H2O+4e→4OH-

若土壤的酸性極強，則會發生吸氧反應：2H++2e→H2

一般來講，陰極反應在接地網與土壤中發生電化學腐蝕的過程中起主導作用。

2 我省500kV變電站（開閉站）腐蝕現狀

我省500kV變電站分布于全省11個地市，且大多處在海拔高、土壤環境惡劣的地區。在這種土壤環境中埋設接地網設備，由于土壤的電化學腐蝕及運行設備泄流等引起的雜散電流腐蝕，接地網在投入使用后的兩到六年便可能出現故障，甚至斷裂。山西省500kV變電站地網腐蝕情況統計如下：

2.1 主地網腐蝕。運行時間較長的變電站，整個接地體都已腐蝕，部分接地體地網變脆、起層、銹層松散易脫落，嚴重時生銹斷裂。

2.2 接地引下線熱容量不夠，接地引下線多為Φ12mm或Φ8mm的圓鋼，而且個別站同一電壓等級設備的接地引下線規格不齊，并有多點焊接。

2.3 接地引下線與水平地線截面配合不當。如某個500kV變電站內220kV部分接地引下線截面Φ22mm圓鋼，而接地引下線與地網干線相連的地線截面卻為Φ12mm圓鋼，35kV母線接地引下線為Φ10mm的圓鋼，主網為40×4mm扁鐵。

2.4 沒有按照圖紙施工，接地引下線連接不合理。部分設備接地引下線是經過操作機構再引到主網的，甚至有部分設備接地引下線直接引進電纜溝內扁鐵上。

2.5 后期工程的接地引下線沒有與一期工程的主地網相連接。

2.6 不同金屬在土壤中腐蝕情況統計

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3 接地網防腐蝕防護措施

3.1 接地網截面的選擇 在接地網截面的選擇上，要綜合考慮施工情況、保護的可靠性等情況，確定短路電流作用的時間，保證選擇要滿足熱穩定的要求。規程規定，應取主保護動作時間加上失靈保護動作時間作為有效接地系統接地裝置的熱穩定校驗時間；消弧線圈接地系統接地裝置熱穩定校驗時間，也就是第一后備保護動作時間應該取2s。

3.2 接地極截面的選擇 從近年來山西省檢修公司維護的500kV變電站（開閉站）的地網開挖檢查結果來看，由于在相同的導電截面下，圓鋼的表面積相比于扁鋼更小，這使得在同樣潮濕的土壤中，在與土壤接觸的面積上，同樣截面的圓鋼要小于扁鋼，因此圓鋼受潮濕土壤的腐蝕程度要更小，因此，在變電站設計、施工中建議采用圓鋼。

3.3 設備接地引下線截面與主網干線截面的配合 在老式的變電站設計中，相比主地網干線的截面，接地引下線截面更小，這容易造成短路故障的擴大。我省大部分地網事故中，往往就是接地引下線被短路電流燒斷，進而帶來更大的麻煩。其原因就在于，在發生短路故障時，流過接地引下線的故障電流是主接地網干線的2倍，接地引下線較小的截面很難承受全部的短路電流，因此會出現被燒斷的現象，這也成為地網中的一個薄弱環節。因此，在變電站設計中，接地引下線截面不應小于地網干線截面。

3.4 設備接地引下線的連接 在實際中，很多設備的接地引下線接到了電纜溝內的扁鐵上，這將帶來很大的隱患。因為一旦發生短路故障，短路電流會通過僅有的幾個電纜溝扁鐵與主網連接的連接點流向主網，倘若故障點與主接地網干線連接點的距離較遠，則會導致故障點的電位被抬高，從而威脅二次回路構成。除了要避免上述問題外，還要注意對大電流進行沿途分流，應增加電纜溝內的扁鐵與地網主網的連接點，并且保證溝內電纜支架與接地網的可靠連接，避免電纜兩端出現高電位差。

3.5 涂層防腐 涂層對于接地網防腐蝕防護也有很好的效果。在涂料的選擇上，首先要具有良好的導電性，使主地網短路電流能夠順利通過地網安全導出。另外，還要注意涂料防腐性能必須優良。在對主網的保護上，可以采用熱鍍鋅、熱鍍錫鋼做防腐處理。除此之外，可以通過涂刷瀝青等防腐涂料對引下線、電纜溝接地和地下部分的焊接頭進行防腐保護。對地網進行防腐蝕防護的另一種辦法，就是將涂層與陰極保護結合起來，其優點就在于既減少了陰極保護的電能消耗，又彌補了保護層的不足，從而加強了防腐的效果。

4 小結

電力接地網的可靠性直接關系到電網的安全運行，因此，接地網必須具有足夠的熱穩定性來承受強大的接地電流，并且能夠保證長期抗耐土壤腐蝕。除此之外，要根據設計要求安排接地電阻，將地電位限制在允許范圍內，并且保證接地網電位的均衡。選擇合適的接地材料以滿足這些接地網的要求，是確保防腐效果、增強可接地網靠性、延長接地網使用壽命的關鍵。

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