外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在變電站接地網(wǎng)防腐中的應(yīng)用研究

劉 欣，張正華，裴 鋒，賈蕗路

（1.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；2.國家電投江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

外加電流陰極保護(hù)是防腐領(lǐng)域最常用的技術(shù)之一，在石油、船舶、橋梁等行業(yè)已廣泛應(yīng)用，能夠搶在腐蝕發(fā)生之前杜絕隱患發(fā)生，充分證明了其有效性。但是，由于不同行業(yè)的專業(yè)關(guān)注點(diǎn)不同，外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在國內(nèi)電網(wǎng)中的應(yīng)用較少。近年來，電網(wǎng)對材料防腐的要求日益提升，本文結(jié)合相關(guān)科研項(xiàng)目和示范工程，提出了此技術(shù)在變電站地網(wǎng)防腐中的應(yīng)用方法。

1 外加電流陰極保護(hù)防腐技術(shù)原理

接地網(wǎng)防腐的各種方法從根本上講都是防止或抑制Fe（扁鋼）失去電子。外加電流陰極保護(hù)防腐技術(shù)的原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由外加直流電源、輔助陽極、參比電極和測試樁組成。接地網(wǎng)與直流電源的負(fù)極相連，輔助陽極與正極相連，形成電源-接地網(wǎng)-土壤-輔助陽極回路，從而向接地網(wǎng)供應(yīng)大量電子，使之陰極極化，抑制腐蝕的發(fā)生。參比電極和測試樁用來監(jiān)測陰保系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。由于保護(hù)電流由外加電源驅(qū)動，所以只要電源的功率達(dá)標(biāo)，就可以保護(hù)大面積的接地網(wǎng)，且僅需進(jìn)行陽極和供電電纜的施工，適合變電站使用。

圖1 外加電流陰極保護(hù)原理

2 參考標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍

2.1 參考標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)可參照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：Q/GDW1781-2013、DL/T5394-2007、DL 475-2006、DL/T621-1997、GB/T21246-2007、GB/T21448-2008、SY/T0036-2000、NACERP－0572－85、NACERP－0169－83。

2.2 技術(shù)適用范圍

根據(jù)DL/T 5394-2007、Q/GDW 1781-2013規(guī)定和建議，土壤的腐蝕性為強(qiáng)時(shí)，接地裝置防腐措施應(yīng)采用陰極保護(hù)方法；接地裝置面積較小時(shí)（如桿塔接地裝置）宜采用犧牲陽極陰極保護(hù)，接地裝置面積較大時(shí)（如變電站接地網(wǎng)）宜采用外加電流陰極保護(hù)。此外，變電站接地網(wǎng)外加電流陰極保護(hù)改造的造價(jià)與接地網(wǎng)整體重做的價(jià)格大體相當(dāng)。因此，外加電流陰極保護(hù)技術(shù)適用于土壤腐蝕性強(qiáng)且接地網(wǎng)腐蝕速度過快的變電站。

2.3 變電站土壤腐蝕性評價(jià)方法

在電網(wǎng)生產(chǎn)工作中，運(yùn)維人員可從接地網(wǎng)腐蝕情況和土壤腐蝕性評價(jià)結(jié)果兩個(gè)方面判斷變電站是否適合采用此技術(shù)。

接地網(wǎng)常年埋在地下，難以直接觀察其腐蝕情況。現(xiàn)有的導(dǎo)通測試手段往往只能在接地網(wǎng)已發(fā)生斷裂的情況下發(fā)現(xiàn)問題。根據(jù)電化學(xué)腐蝕理論，接地引下線埋地部分是整個(gè)接地網(wǎng)最容易腐蝕的地方，可從一定程度上反映接地網(wǎng)的腐蝕趨勢。變電站運(yùn)維人員在巡檢過程中，可重點(diǎn)查看接地引下線埋地部分的腐蝕情況，適當(dāng)?shù)陌情_表層土壤對引下線進(jìn)行檢查。若發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重的情況，需結(jié)合引下線運(yùn)行年限初步判斷其腐蝕速度，若運(yùn)行年限較短就出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕甚至斷裂的情況，則應(yīng)取變電站土壤樣品進(jìn)行土壤腐蝕性評價(jià)。土壤腐蝕性評價(jià)可按DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013、DL/T248-2012、SY/T0087.1-2006、SY/T 0087.3-2010進(jìn)行。若發(fā)現(xiàn)土壤腐蝕性評級為強(qiáng)的變電站，且現(xiàn)場腐蝕情況嚴(yán)重，可考慮采用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)對接地網(wǎng)進(jìn)行防腐改造。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 資料收集和現(xiàn)場勘查

在變電站外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工作開始之前，應(yīng)先進(jìn)行資料收集和現(xiàn)場勘查工作。所需的資料包括但不限于變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙、接地網(wǎng)材料規(guī)格和用量、變電站現(xiàn)有電纜溝分布情況等；現(xiàn)場勘查需確定變電站土壤電阻率、地面是否可挖電纜溝、變電站接地網(wǎng)外沿是否具有吊車施工的條件、控制室是否可安置陰保恒電位儀控制柜等。

3.2 工程設(shè)計(jì)計(jì)算

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由直流電源（恒電位儀）、輔助陽極、參比電極、監(jiān)控設(shè)備和電纜組成，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括保護(hù)電流、恒電位儀選型、輔助陽極選型、輔助陽極接地電阻估算、輔助陽極井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)、輔助陽極井?dāng)?shù)量、輔助陽極壽命、外加電流方案、監(jiān)測方案設(shè)計(jì)等。

3.2.1 保護(hù)電流設(shè)計(jì)

保護(hù)電流即為外加電源供給接地網(wǎng)的直流電流，為使接地網(wǎng)得到充分的陰極保護(hù)，并指導(dǎo)設(shè)備和材料選型，首先要估算保護(hù)電流的大小。

依據(jù)DL/T 5394-2007，變電站接地網(wǎng)所需保護(hù)電流大小為：

其中：

i—保護(hù)電流密度，mA/m2（依據(jù)DL/T 5394-2007相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，及現(xiàn)場試驗(yàn)情況選取，此值選取有一定難度且非常關(guān)鍵，有時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修正，建議咨詢有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)單位）；

S—保護(hù)面積，m2（地網(wǎng)材料總表面積+裕量，注意此值非地網(wǎng)占地面積，而是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和接地材料規(guī)格用量估算出的接地網(wǎng)材料總的外表面積）。

3.2.2 恒電位儀選型

依據(jù)計(jì)算得出的保護(hù)電流值，結(jié)合恒電位儀的最大輸出電流和最大輸出電壓，可進(jìn)行恒電位儀選型。此外，恒電位儀宜置于變電站控制室，尺寸應(yīng)盡量接近原有控制柜的規(guī)格以方便安裝。常用的恒電位儀技術(shù)參數(shù)如下：輸入電源AC380/50 Hz；最大輸出電流DC50 A，最大輸出電壓60 V；保護(hù)電位-0.30～-3.00 V連續(xù)可調(diào)。當(dāng)單臺恒電位儀功率難以滿足需求時(shí)，可購置多臺恒電位儀并聯(lián)使用。

3.2.3 輔助陽極選型

根據(jù)DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013的建議，輔助陽極應(yīng)采用性能穩(wěn)定、使用壽命長、消耗率低的成熟產(chǎn)品；對于腐蝕性較高的土壤區(qū)域，宜采用貴金屬氧化物陽極或含鉻高硅鑄鐵陽極。現(xiàn)市場上的陽極多為預(yù)組裝成套裝置，可根據(jù)后面的陽極接地電阻估算、陽極數(shù)量設(shè)計(jì)和陽極壽命估算情況綜合推敲后選用。

3.2.4 輔助陽極接地電阻估算

由于大多數(shù)變電站接地網(wǎng)的接地電阻值較低，因此陽極接地電阻是整個(gè)陰保回路中最重要的組成部分，預(yù)估單口陽極井的接地電阻可指導(dǎo)陽極和恒電位儀的選型。依據(jù)DL/T 5394-2007垂直輔助陽極接地電阻公式，單口陽極井的接地電阻：

其中：

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，現(xiàn)場實(shí)測值，Ω·m；

L—陽極長度（含填料），m；

D——陽極直徑（含填料），m。

3.2.5 輔助陽極井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)

為盡量使陰保電流沿地網(wǎng)均勻分布，輔助陽極井應(yīng)沿變電站地網(wǎng)四周盡量均勻布置，因此為方便設(shè)計(jì)調(diào)整陽極井?dāng)?shù)量：

其中：

N—輔助陽極數(shù)量；

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

U—恒電位儀最大輸出電壓，由恒電位儀選型結(jié)果而定，V；

I—保護(hù)電流設(shè)計(jì)值，A；

R0——接地網(wǎng)接地電阻，實(shí)測值，Ω；

一般而言，陽極井?dāng)?shù)量在3～4口為宜，當(dāng)上式計(jì)算結(jié)果不理想時(shí)，可調(diào)整輔助陽極或恒電位儀的選型，以得到理想的陽極井?dāng)?shù)量。

3.2.6 輔助陽極壽命計(jì)算

當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)得到充分保護(hù)時(shí)，扁鋼幾乎不會發(fā)生腐蝕，因此只需考慮輔助陽極的使用壽命即可較大程度的反映整個(gè)接地系統(tǒng)的壽命。根據(jù)DL/T 5394-2007中公式，陽極壽命：

其中：

T—陽極使用壽命，a；

G—陽極重量，kg；

K—陽極利用系數(shù)，取0.7～0.85；

g—陽極消耗率，商品參數(shù)或?qū)崪y值，kg/（A·a）；

IW——單陽極電流，保護(hù)電流分?jǐn)傊羻侮枠O，A。

3.2.7 外加電流方案設(shè)計(jì)

在司法實(shí)踐中，一些職務(wù)犯罪的被指控人聲稱在調(diào)查階段受到了各種非法強(qiáng)迫手段，逼取口供。監(jiān)察機(jī)關(guān)辦理的職務(wù)犯罪案件，被調(diào)查人處于留置狀態(tài)時(shí)，身處辦案場所，缺乏第三方參與，在實(shí)踐中不能排除受到各種手段逼供的可能性。根據(jù)《監(jiān)察法》的規(guī)定，對訊問等取證行為進(jìn)行全程錄音錄像，這在客觀上使得調(diào)查人員在錄音錄像的情況下取證，可能會對取證行為進(jìn)行自我約束，從而保障被調(diào)查人的權(quán)利。此外，錄制完成的錄音錄像保留了可能存在的非法取證行為的視聽資料，為被調(diào)查人日后權(quán)利救濟(jì)提供了證明。

當(dāng)確定了恒電位儀、輔助陽極相關(guān)參數(shù)后，即可設(shè)計(jì)外加電流的方案，包括保護(hù)電流注入點(diǎn)、陽極井布置、電纜布置、恒電位儀安置等。保護(hù)電流應(yīng)盡量均勻的分布在地網(wǎng)上，并重點(diǎn)照顧一次設(shè)備區(qū)，一般應(yīng)設(shè)3～4個(gè)以上，并偏向一次設(shè)備區(qū)；陽極井應(yīng)盡量均勻的分布在地網(wǎng)外沿，同時(shí)應(yīng)盡量安置在地下水位較高或潮濕低洼處，且應(yīng)確保地下無巨石及人工構(gòu)筑物、地上可進(jìn)行吊車施工；電纜應(yīng)盡量利用變電站原有電纜溝布置，新開挖的電纜溝不應(yīng)影響電網(wǎng)安全運(yùn)行；恒電位儀宜安裝在控制室內(nèi)。

3.2.8 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

變電站外加電流陰極保護(hù)監(jiān)測一般由測試樁和參比電極組成，有條件時(shí)可設(shè)置遠(yuǎn)程無線監(jiān)測裝置。測試樁和參比電極的設(shè)置數(shù)量一般不應(yīng)少于3個(gè)，一般安裝于電流注入點(diǎn)附近、陽極中間點(diǎn)附近、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域等。參比電極可選用Cu/CuSO4電極或極化探頭，測試樁應(yīng)具有測量保護(hù)電位、自然電位、保護(hù)電流等參數(shù)的功能，同時(shí)為恒電位儀提供控制信號。此外，有條件時(shí)可埋設(shè)腐蝕試片對陰保效果進(jìn)行驗(yàn)證，腐蝕試片材料應(yīng)與接地網(wǎng)材料相同，試片應(yīng)分兩組，一組與受陰極保護(hù)，一組為自然腐蝕狀態(tài)不受保護(hù)，定期開挖對比。

4 工程施工

4.1 工程概況

變電站外加電流陰極保護(hù)工程建設(shè)包括陽極深井鉆建和陽極吊裝、恒電位儀安裝、測試樁和參比電極安裝、電流注入點(diǎn)施工、配套電纜鋪設(shè)等。整個(gè)施工過程不停電，不妨礙電網(wǎng)和現(xiàn)有設(shè)備正常運(yùn)行。施工應(yīng)嚴(yán)格按照事先確定的施工方案進(jìn)行，施工人員需經(jīng)過安全培訓(xùn)才可上崗，施工時(shí)須有電力公司負(fù)責(zé)人在場并執(zhí)行相關(guān)規(guī)章制度。

4.2 施工步驟

4.2.1 輔助陽極井鉆建和陽極吊裝

陽極井鉆建施工量占整個(gè)工程施工量的大半以上。具體步驟如下：

1）地上、地下障礙物都處理完畢，達(dá)到“三通一平”，施工用臨時(shí)設(shè)施準(zhǔn)備就緒；

2）按照施工圖中選定的井位，現(xiàn)場復(fù)查確定后人工開挖1米深坑，確定無地下結(jié)構(gòu)物、管道、電纜后定位開挖；

3）鉆孔機(jī)就位：利用吊車安裝好鉆孔機(jī)和井架，確保不發(fā)生傾斜、位移。

4）鉆孔：調(diào)整機(jī)架挺桿，對好樁位（用對位圈）開動機(jī)器鉆進(jìn)、出土，達(dá)到控制深度后停鉆，提鉆。

5）檢查成孔質(zhì)量：①鉆探測定：用測深繩或手提燈測量孔深及虛土厚度，虛土厚度不超過10 cm。②孔徑控制：鉆進(jìn)遇到有含石塊較多的土層，或含水量較大的軟、塑粘土層時(shí)，必須防止鉆桿晃動引起孔徑擴(kuò)大，致使孔壁附著擾動土和孔底增加回落土。

6）井孔土清理：鉆到預(yù)定的深度后，必需在孔底處進(jìn)行空轉(zhuǎn)清土，然后停止轉(zhuǎn)動；提鉆桿，不得曲轉(zhuǎn)鉆桿。

7）吊裝陽極體：①將規(guī)定量的填料倒入井內(nèi)作為基底。②將陽極體的電纜打開，吊起第一根陽極體。③吊放陽極體時(shí)，要對準(zhǔn)孔位吊直扶穩(wěn)，緩慢下沉，避免碰撞孔壁。④第一根陽極體上端到達(dá)井口時(shí)，利用懸架固定好，把第一根陽極體的電纜線穿入第二根陽極體中心的PVC管中，起吊第二根陽極體對兩根陽極體進(jìn)行垂直焊接，焊接必須結(jié)實(shí)焊縫必須平整。⑤當(dāng)所有陽極體均安上述步驟焊接完成后，將所有電纜穿入外連PVC管中，并把PVC管和陽極體用二通連接牢靠。⑥邊吊放陽極體，邊加長外連PVC管，直至陽極體放到設(shè)計(jì)位置，立即固定，確保陽極體的位置正確。⑦用填料將陽極井回填至地平面下約50 cm。

8）移鉆機(jī)到下一井位：填好井位施工記錄，拆除鉆架，移走鉆機(jī)到下一井位。

9）用水泥和預(yù)制PVC框架將井口制成檢查井，并蓋好面板

4.2.2 恒電位儀安裝

恒電位儀系統(tǒng)宜置于變電站主控室中，安裝步驟如下：開箱就位、單機(jī)檢查；按產(chǎn)品說明書接線，進(jìn)行外線電氣安裝和陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試；調(diào)試應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行，注意用電安全；設(shè)備內(nèi)接線應(yīng)做好標(biāo)識牌，以備后期檢修。

4.2.3 測試樁和參比電極安裝

測試樁安裝位置不的妨礙其他設(shè)備工作，與道路、設(shè)備、建筑物保持一定距離。測試樁地下埋設(shè)深度不小于0.5 m，安裝完成后夯實(shí)。測試樁內(nèi)接線應(yīng)規(guī)整，且留好各參數(shù)的測試頭，各電纜和測試頭應(yīng)有醒目標(biāo)識。與測試樁配合工作的參比電極應(yīng)盡量接近扁鋼埋設(shè)。

4.2.4 電纜鋪設(shè)

工程所需電纜鋪設(shè)盡量利用變電站原有橋架和電纜溝，無法利用時(shí)則采取直埋鋪設(shè)，電纜直埋時(shí)均采取穿管保護(hù)措施。所有電纜在關(guān)鍵位置均配置標(biāo)識牌，電纜需排列整齊并留有裕量，防止發(fā)生應(yīng)力破損。

5 工程驗(yàn)收和運(yùn)維

5.1 工程驗(yàn)收

當(dāng)外加電流陰極保護(hù)工程竣工后，應(yīng)至少進(jìn)行連續(xù)168 h時(shí)的通電試驗(yàn)，并記錄所有參比電極的保護(hù)電位和恒電位儀的輸出電流、輸出電壓讀數(shù)，合格后方可進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收。

驗(yàn)收時(shí)應(yīng)具備以下資料：

1）體現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)文件及設(shè)計(jì)變更通知書；

2）所用材料、設(shè)備及儀器的產(chǎn)地和材質(zhì)證明書；

3）含有氣候狀況的施工記錄；

4）外加電流陰極保護(hù)的調(diào)試記錄和調(diào)試報(bào)告。

現(xiàn)場驗(yàn)收時(shí)，需測量陰保系統(tǒng)保護(hù)電流、恒電位儀輸出電壓和電流、陽極接地電阻、保護(hù)電位、極化電位、接地網(wǎng)接地電阻、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（如有）等運(yùn)行參數(shù)，并與設(shè)計(jì)值比對。恒電位儀不應(yīng)有超負(fù)荷運(yùn)行情況出現(xiàn)，且輸出穩(wěn)定可靠，陰保系統(tǒng)有效性可按下文確認(rèn)。

根據(jù) Q/GDW 1781-2013、GB/T 21448-2008和DL/T 5394-2007，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性用以下判據(jù)進(jìn)行評判（達(dá)到以下指標(biāo)之一即可）：

1）保護(hù)電位：施加陰極保護(hù)電流時(shí)，接地網(wǎng)對參比電極（極化探頭）電位不高于-850 mV；

2）極化電位：陰極保護(hù)極化形成或衰減過程中，接地網(wǎng)對參比電極（極化探頭）電位變化值不小于100 mV。

5.2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維

工程驗(yàn)收后，應(yīng)建立變電站接地網(wǎng)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)檔案，包括：

1）接地裝置的設(shè)計(jì)、施工資料，包括竣工日期和竣工圖紙；

2）陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)、施工資料和竣工圖紙；

3）巡檢記錄，應(yīng)包括工程名稱、檢查方式、日期、環(huán)境條件、發(fā)現(xiàn)異常的部位和程度、處理建議等；

4）陰極保護(hù)系統(tǒng)維修的設(shè)計(jì)和施工方案、施工記錄和驗(yàn)收結(jié)論。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)自投運(yùn)之日起，應(yīng)每周測量一次保護(hù)電位、極化電位、恒電位儀輸出電壓和電流；當(dāng)數(shù)值穩(wěn)定后，改為半年測試一次。當(dāng)保護(hù)電位不滿足要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整恒電位儀輸出參數(shù)，并于一周后復(fù)測。

6 總結(jié)和建議

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)適用于土壤腐蝕性強(qiáng)且接地網(wǎng)腐蝕速度過快的變電站接地網(wǎng)防腐，其施工量小、地網(wǎng)防腐效果卓越，能夠搶在腐蝕發(fā)生之前杜絕隱患發(fā)生，有著廣泛的應(yīng)用前景。

變電站運(yùn)維人員在日常巡檢工作中，應(yīng)關(guān)注接地網(wǎng)特別是接地引下線的腐蝕情況，若發(fā)現(xiàn)運(yùn)行年限較短就出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕甚至斷裂的情況，則應(yīng)取土樣對其進(jìn)行腐蝕性評價(jià)。若發(fā)現(xiàn)土壤腐蝕性評級為強(qiáng)的變電站，且現(xiàn)場腐蝕情況嚴(yán)重，可考慮采用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)對接地網(wǎng)進(jìn)行防腐改造。

在利用此技術(shù)對變電站接地網(wǎng)改造的過程中，應(yīng)特別注重前期的科學(xué)設(shè)計(jì)，防止因設(shè)計(jì)不周導(dǎo)致保護(hù)效果不足；施工過程應(yīng)做好全過程控制，防止出現(xiàn)生產(chǎn)事故；竣工后嚴(yán)格驗(yàn)收并定期檢測，確保陰保系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，保護(hù)效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]Q/GDW1781-2013交流電力工程接地防腐技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DL/T5394-2007電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導(dǎo)則[S].

[3]DL 475-2006接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導(dǎo)則[S].

[4]DL/T621-1997交流電氣裝置的接地[S].

[5]GB/T 21246-2007埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測試方法[S].

[6]GB/T 21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[7]SY/T 0036-2000埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]NACE RP－0572－85外加電流深井陽極地床的設(shè)計(jì)、安裝、操作和維護(hù)[S].

[9]NACERP－0169－83埋地或浸水金屬管道外部腐蝕控制[S].