不同腐蝕性下電力接地材料的選擇

李 博，陳國龍，盧 毅，高 靖，呂忠華

（1.營口職業技術學院，遼寧 營口 115000；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；3.國網營口供電公司，遼寧 營口 115000）

不同腐蝕性下電力接地材料的選擇

李 博1，陳國龍2，盧 毅3，高 靖2，呂忠華2

（1.營口職業技術學院，遼寧 營口 115000；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；3.國網營口供電公司，遼寧 營口 115000）

為合理經濟地選擇電力系統接地材料，必須研究土壤、地下水對不同種類金屬的腐蝕性。文中系統地分析前人的研究成果，明晰不同酸堿性下金屬材料選擇規律。依據國家已有的規范，按照地勘報告提供的土壤、地下水的pH值、鹽化物離子濃度等參數，判斷出接地網所處位置的腐蝕性，合理選擇接地材料，提高了工程設計過程中接地材料選擇的可靠性、經濟性。

金屬腐蝕；接地網；土壤

1 接地材料選擇概述

接地裝置在電力系統中具有重要的保護作用，當系統發生短路、遭受雷擊時，通過接地網提供電流安全泄漏通道，能夠將短路、雷擊電流及時導入大地，使事故處的過電壓控制在規程允許范圍內，確保人身安全、設備正常運行。

電力系統接地裝置主要指變電站、輸電桿塔敷設在地面0.8 m及以下的接地網及設備引上線，接地網分為以水平接地帶為主的水平地網和垂直接地極為主的垂直地網，以及二者聯合使用的復合接地網。

電力系統的接地網常規采用金屬材料，主要用鋼和銅。由于敷設于地下土壤中，因此會受到腐蝕，必須考慮所使用金屬接地材料的正常使用壽命周期。不同的金屬材料在同一種環境下受腐蝕的影響程度不一樣，同一種金屬材料不同截面尺寸使用壽命周期也不一樣，鋼的造價要遠低于銅。選擇接地材料時，要根據使用環境對不同金屬的腐蝕性加以選擇，以達到盡量選擇造價低的材料，減少接地材料使用量，延長地網使用壽命的目的。

2 金屬受腐蝕的相關研究

金屬埋于土壤中，土壤中發生的化學腐蝕非常復雜，土壤是由氣、液、固3種成分組成的復雜體系，土壤的含氣量、含水量、鹽分等因素都對土壤的腐蝕性有影響，影響因素互相交叉作用，隨著時間的變化，這些因素相互之間的作用也發生變化。

金屬在土壤介質中主要受到電化學腐蝕，鹽類水解后形成電解質溶液，金屬在電解質溶液中發生原電池反應而導致腐蝕，土壤中含有Cl－、、、O2等，都會對金屬材料造成腐蝕，土壤中的鐵會與、O2反應生成Fe2O3、FeSO4，銅會與Cl－、、O2反應生成CuCl2、Cu2O、CuSO4，并且多種生成物成分并存。土壤中地下水含水層，對金屬的腐蝕性與地下水的pH值，Cl－、濃度密切相關，尤其在土壤與地下水位交界的位置，腐蝕更加嚴重。

聶新輝等測試不同水土比制成的土壤溶液［1］，結果表明按1∶1制成的土壤溶液最能保持土壤特性，酸性土壤中，銅質接地材料的耐腐蝕性不如鋼。鄭敏聰等指出酸性土壤中銅的耐腐蝕性幾乎降低至與鋼材相當的水平［2］。楊明等研究指出堿性土壤對鍍鋅層呈高腐蝕性［3］，對鋼不具有保護性，在堿性土壤中，銅的耐腐蝕性明顯好于鍍鋅鋼。龔曉明等研究表明土壤配置液對鋼、銅兩種金屬的腐蝕性與pH值之間有直接關系［4］，弱酸土壤配置液對銅、鋼2種材料的腐蝕性明顯強于弱堿土壤配置液。

前人的研究成果表明，無論是酸性還是堿性土壤都對銅、鋼有腐蝕性，在酸性土壤中銅的耐腐蝕性不如鐵，在堿性土壤中銅的耐腐蝕性明顯好于鋼。鋼接地體接頭和本身腐蝕過程會出現點腐蝕，點腐蝕的速度是均勻腐蝕速度的4～60倍［5］，銅不存在點蝕。

采用傳統接地材料（如角鋼、扁鋼），單位材料的價格便宜，使用年限短，維護和改造頻繁。銅材料價格較高，使用年限長。因此，在設計中應綜合比較選擇材料，以獲得最優的設計方案［6］。

3 工程設計面臨的問題

3.1 規范支撐問題

土壤的腐蝕性與氣、液、固態腐蝕介質的濃度有直接關系，接地網埋于地下，因此必須考慮固態（土壤）介質、液態（地下水）介質對金屬的腐蝕。目前在工程設計階段，土壤對金屬的腐蝕性判斷，有《水利水電工程地質勘察規范》［7］、《巖土工程勘察規范》［8］相關條款可供執行。《巖土工程勘察規范》規定腐蝕性分為強腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕、微腐蝕4個等級。2種規范中前一種明確了地下對鋼材腐蝕性判斷標準，后一種明確了土壤對鋼結構的腐蝕性判斷標準。如何按照Cl－、離子濃度含量、pH值判斷土壤、地下水對鋼材的腐蝕性，2種規范給出了部分pH值范圍內對鋼的腐蝕性，不足之處在于：側重于酸性條件下土壤、水對鋼材的腐蝕性判斷，對堿性條件腐蝕性論述不足或無論述；都缺少土壤、水對銅的腐蝕性判斷標準。國內目前缺少土壤、水對銅腐蝕性的相關規程，判定對銅腐蝕性只能參考前人相關研究成果。

3.2 地勘報告問題

電力工程設計過程中，初步設計階段，需要明確接地材料選擇。目前判定土壤對金屬的腐蝕性可依據的地質支撐文件來源于巖土工程勘察報告（簡稱地勘報告）。事實上，絕大多數的地勘報告側重于結構基礎設計的需要，主要提供工程力學方面的數據，涉及到土壤腐蝕性的數據不全面。存在以下問題：普遍沒有分層土壤的腐蝕性數據；簡單地將勘察深度無地下水認定為土壤對鋼無腐蝕；有地下水，僅給出地下水對金屬的腐蝕性；有的報告提供Cl－、離子濃度，有的不提供；地勘報告論述的腐蝕性更多的是基于對鋼材的腐蝕性，普遍缺少土壤對銅的腐蝕性數據。

4 接地材料選擇方法步驟

4.1 材料選擇原則

選擇接地網材料的，首先要借助規范中土壤、地下水腐蝕性評價標準。評價土壤對鋼的腐蝕性時，按《巖土工程勘察規范》中“表12.2.5”規定執行，如表1所示。

表1 土對鋼結構腐蝕性評價

評價地下水對鋼材的腐蝕性時，按《水利水電工程地質勘察規范》中“表L.0.4”規定執行，如表2所示。

表2 地下水對鋼結構腐蝕性評價

確定腐蝕性時，如果整個地網處于地下水位以上時，應按土的腐蝕性選擇；如果地網處于地下水位以下時，應按地下水的腐蝕性選擇；如果地網部分處于水位以上，部分處于水位以下，應分別考慮地下水、土的腐蝕性，按兩者之間最嚴重的腐蝕性進行選擇。

4.2 材料選擇方法

4.2.1 對地勘報告的要求

各設計單位在自己或委托做巖土勘測時，地勘報告中需要增加地網埋置層土壤的pH值，地下水的pH值、離子濃度等數據。

4.2.2 腐蝕性等級判斷

目前巖土工程地勘鉆探范圍包括從地面開始往下的4個土層，深度根據需要確定。電力系統變電站一般采用水平接地網為主、垂直接地網為輔的復合接地網，埋于0.8 m深，接地極長2.5 m。首先判斷地面下接地極埋深處（地面下3.3 m左右）有無地下水，如果整個接地網所處區域含水量小于3%，則可以認為是干燥土層，可認為是微腐蝕性。接地網在地下水以下，在地下水以上，部分在地下水以上、部分在地下水下可相應的依據pH值、離子含量，參照4.1判斷出土壤、地下水對鋼的腐蝕性等級。

4.2.3 材料選擇過程

通過對前人研究成果的總結，結合《水利水電工程地質勘察規范》、《巖土工程勘察規范》，在接地材料選擇過程中建議按照以下幾個主要原則。

接地網位于地下水位以上時，按照土壤腐蝕性考慮，當pH≈7時，微腐蝕性可按無腐蝕性考慮，選擇銅、鋼做接地材料皆可，從節省造價和材料使用年限角度考慮，戶外變電站建議選擇鋼，全戶內變電站建議選擇銅；當土壤呈酸性，5.5＜pH＜7時，對鋼材為微腐蝕性，4.5＜pH＜5.5時，對鋼材為弱腐蝕性，此時可以建議接地材料考慮采用鋼，當pH＜4.5時，對鋼材為中、強腐蝕性，建議在接地材料選擇鋼的同時，考慮采用埋置陰極金屬補償等措施降低接地網材料的腐蝕；pH＞7時，土壤呈堿性，建議選擇銅作為接地材料。

接地網位于地下水位以下時，按照地下水腐蝕性考慮，地下水pH為3～11、（Cl－＋）濃度＜500 mg／L，對鋼材為弱腐蝕性，建議選擇鋼；當3＜pH＜7、（Cl－＋）濃度≥500 mg／L時，對鋼材為中腐蝕性，建議接地材料采用鋼，當7＜pH＜11時，建議接地材料采用銅，考慮采用埋置陰極金屬補償等措施降低接地網材料的腐蝕；當地下水pH＜3時，建議采用鋼，并考慮采用埋置陰極金屬補償等措施降低接地網材料的腐蝕。

接地網部分位于地下水位以上、部分位于地下水位以下時，分別按照土壤、地下水判斷出對鋼的腐蝕性，并取最嚴重作為整體的腐蝕性，參照上述2方面論述過程選擇接地材料。

5 結束語

土壤、地下水對接地網的腐蝕是非常復雜的，腐蝕成因難以盡述。進行工程設計時更要加強土壤、地下水對金屬腐蝕方面的考察工作。金屬鋼的選擇可以參考規范的要求，金屬銅的選擇更多是根據前人的實踐成果。因此要認真掌握規范對腐蝕性的認定標準，加強地勘報告中關于土壤、地下水腐蝕性的深度要求。在具體選擇接地材料時，大致遵照土壤、地下水pH值呈中性情況下，即腐蝕性評價為微腐蝕時，選擇銅、鋼做接地材料皆可；偏酸性土壤，傾向于選擇鋼；偏堿性土壤，傾向于選擇銅。

［1］ 聶新輝，鄭敏聰，李建華.銅質接地網材料電化學腐蝕行為［J］.腐蝕與防護，2012，33（9）：7－21.

［2］ 鄭敏聰，陳自年，李建華.大型變電站接地裝置腐蝕規律及防腐［J］.華東電力，2009，37（9）：1 463－1 467.

［3］ 楊 明，程 好.鹽堿環境中變電站接地體材料的腐蝕行為研究［J］.江蘇電機工程，2013，32（6）：130－150.

［4］ 龔曉明，葛紅花，劉 蕊，等.碳鋼和純銅在試驗土壤中的腐蝕研究［J］.上海電力學院報，2009，25（6）：125－129.

［5］ 王東燁，王 勇，譚立佐.鍍銅接地網與鋼、銅接地網技術經濟比較［J］.東北電力技術，2011，32（1）：18－20.

［6］ 張春華，王雪梅.220 kV變電站接地系統設計［J］.東北電力技術，2010，31（5）：38－40.

［7］ 巖土工程勘察規范：GB50021—2001［S］.

［8］ 水利水電工程地質勘察規范：GB 50487—2008［S］.

Choice of Earth Material under Different Corrosive Conditions

LI Bo1，CHEN Guo?long2，LU Yi3，GAO Jing2，Lü Zhong?hua2
（1.Yingkou Vocational and Technical College，Yingkou，Liaoning 115000，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；3.State Grid Yingkou Power Supply Company，Yingkou，Liaoning 115000，China）

In order to realize the reasonable and economical choice of earth materials in electric power system，this paper researches the corrosion of different metals.The research results analyses the selection rules of metal materials under different acid and alkaline conditions.On the basis of the existing national standard，the earth grid in the position of the corrosion grade are judged by the geolog?ical exploration report，groundwater pH and salt ion concentration parameter.According to the reasonable choice of earth material，the reliability and economy of earth material selection in engineering design process are improved.

Metallic corrosion；Earth?electrode network；Soil

TM862

A

1004－7913（2016）01－0044－03

李 博（1977—），女，碩士，副教授，主要從事計算機及供配電研究工作。

2015－10－10）