犧牲陽極法在風電接地工程中的設(shè)計及應用

韓 源,靖 峰,孫紅雨,孫 靜,陳亮亮

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

作為風電項目重要環(huán)節(jié)，接地工程質(zhì)量受土壤條件影響巨大。長期處于各種惡劣土壤環(huán)境的接地材料會受到不同程度散雜電流、化學、電化學等腐蝕，此種情況在鹽殼地貌或海上等類型風電場更為顯著。因此防腐是接地工程設(shè)計中最為關(guān)注的問題之一。

目前接地工程的防腐措施有[1-3]：① 采用覆蓋層保護(如采用防腐導電涂料、鍍鋅鋼/鍍銅鋼等)；② 采用耐腐蝕度更高材質(zhì)(如銅材)；③ 采用電化學保護(犧牲陽極法/外加電流法)等。采用覆蓋層保護防腐措施投資最少，但其對運輸、施工工藝要求較高，若覆蓋層被破壞則接地體點腐蝕速度更快；采用銅材等耐腐蝕性更好，但成本會增加很多，這是由于中國銅資源相對匱乏所致。因此近幾年通過電化學保護對接地網(wǎng)進行防腐的方式在風電工程中越來越多的被提及。

1 防腐工程需求和犧牲陽極法原理

1.1 各種防腐措施存在的問題

(1) 通過覆蓋層保護

采用防腐導電涂料、鍍鋅/鍍銅材料本質(zhì)是利用覆蓋層保護。覆蓋層的作用在于使導體與外界隔離，以阻礙金屬表面的微電池腐蝕作用[4]。但無論非金屬覆蓋層或金屬覆蓋層，實際工程中均存在局部被破壞的可能。此時被保護體在覆蓋層破損處表現(xiàn)為陽極狀態(tài)，而被保護體在覆蓋層完好處表現(xiàn)為陰極狀態(tài)。整個被保護體表面會存在大陰極、小陽極，使被保護體在小陽極處被集中腐蝕，這類電化學腐蝕甚至比沒有覆蓋層保護的金屬構(gòu)件表面均勻腐蝕更具破壞性[5]。此外，防腐導電涂料存在無法量化防腐效果的問題，一般只做輔助防腐措施。

(2) 選擇更耐腐蝕材質(zhì)的接地體

與鋼相比，銅在土壤中的腐蝕速率更低，且具有更低的滲透性、更高的電導性和更好的熱穩(wěn)定性，在強腐蝕地區(qū)常用銅材代替鋼材做接地材料。但銅材會帶來如下問題：

1) 增加與之相連金屬構(gòu)筑物的電化學腐蝕。由于大量自然接地體的利用，接地網(wǎng)不可避免與金屬構(gòu)筑物相連，作為較正電位的金屬(銅)將作為陰極而受到保護，具有較負電位的金屬(鋼)將作為陽極而受到強烈的電化學腐蝕。

2) 對酸性介質(zhì)的防腐性能更差。DL/T 5394-2007《電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導則》(簡稱“DL/T5394”)有要求：在PH<4.5的酸性土壤地區(qū)，不宜采用銅材作為接地體。而在國家電網(wǎng)公司《十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)及編制說明》也有類似要求：對于110 kV及以上新建、改建變電站，在中性或酸性土壤地區(qū)，接地裝置選用熱鍍鋅鋼為宜。

3) 價格更高。銅材較鋼材成本增加了5～6倍[6]。

此外，理論上可通過增大接地導體截面，以滿足設(shè)計年限內(nèi)考慮腐蝕后導體仍滿足導流及熱穩(wěn)定的要求。但實際工程中，由于接地導體與土壤接觸的不均勻、土壤離子分布的不均勻等原因，導體存在點蝕現(xiàn)象，而點蝕速度隨環(huán)境的不同而變化，且比規(guī)范、手冊[7-8]要求的年平均腐蝕率高很多，增加了量化防腐設(shè)計難度。同時過大截面的接地導體，無論從經(jīng)濟性還是施工難度都有明顯劣勢。

1.2 犧牲陽極法在規(guī)范中的要求

犧牲陽極法作為防腐領(lǐng)域中常用技術(shù)，已在地下/水下構(gòu)筑物、化工及石化設(shè)備的腐蝕防護中被廣泛應用[9]，近些年也已逐步應用在發(fā)電廠和變電站這種被保護面積較小、土壤電阻率較低且分布均勻的接地網(wǎng)的防腐中。各種犧牲陽極適用范圍見表1。

表1 犧牲陽極法適用范圍表

考慮到地處鹽殼地、海上等類型風電工程單個接地系統(tǒng)保護面積較小、土壤電阻率過低，本文主要分析犧牲陽極法的設(shè)計和應用。

1.3 犧牲陽極法的原理

原電池是不同電勢差的兩級在介質(zhì)中產(chǎn)生定向電子流動的過程。犧牲陽極法本質(zhì)上運用了原電池原理：將接地材料與比其更活潑、更易失電子的金屬埋地后通過導體連接，形成了原電池(見圖1)。在原電池外部，被稱為犧牲陽極的更活潑金屬(負極)失去的電子，通過導體流向接地材料(正極)，即導體中會形成從接地材料流向犧牲陽極的腐蝕電流；在原電池內(nèi)部，犧牲陽極會因為失電子而逐漸溶解，在此過程中產(chǎn)生的正離子通過土壤流向接地材料。這就為接地材料提供了一個持續(xù)循環(huán)的陰極保護電流，使作為陰極的接地材料陰極極化到保護電位，表面富集電子而不再產(chǎn)生離子，從而免遭腐蝕[10]。

圖1 犧牲陽極法原理示意圖

與同屬陰極保護的外加電流法相比，犧牲陽極法無需外部電源。同時兼具保護電流分布均勻、施工安裝簡單、適用于小規(guī)模接地網(wǎng)、對其他金屬構(gòu)筑物影響小等優(yōu)點，在風電接地工程中具有實用價值。

1.4 犧牲陽極材料需滿足的要求

為使犧牲陽極能夠釋放穩(wěn)定電流，實現(xiàn)對被保護金屬的保護，除上述提到的需具備比被保護金屬更易發(fā)生氧化反應的特點外，犧牲陽極還應該具備以下特征：

(1) 提供充足且穩(wěn)定的負電位。在犧牲陽極和被保護金屬之間總有電阻存在，需要充足的電壓克服回路中電阻，為被保護金屬提供足夠大的陰極保護電流。同時需考慮犧牲陽極的工作壽命滿足設(shè)計年限要求，它的負電位應長時間保持穩(wěn)定。

(2) 提供高效而穩(wěn)定的電流。由于局部電池作用，犧牲陽極有部分電量消耗于自腐蝕中，選擇效率高、自腐蝕電流小的犧牲陽極，可有效提高其使用壽命。

(3) 土壤電阻率或陽極填包料電阻率足夠低。

(4) 表面溶解應均勻，腐蝕產(chǎn)物松軟易脫落，不致形成高阻層。

(5) 來源充足、價格低廉、制作簡易。

考慮到風電工程易腐蝕的接地材料一般為碳鋼，鎂合金和鋅合金作為相較于碳鋼還原性更強、電位更低，且比鎂、鋅單位重量的陽極材料發(fā)電量大的犧牲陽極，在風電工程推薦使用。

2 犧牲陽極法在工程設(shè)計中的應用

2.1 犧牲陽極法的計算流程

分析歸納DL/T5394的附錄C和GB/T21448-2008

《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》(簡稱GB/T21448)的附錄A，犧牲陽極法計算可按下列公式計算。

(1) 保護電流計算

I=i×S

(1)

式中：i為保護電流密度，A/m2；S為保護面積，m2。

(2) 單支犧牲陽極接地電阻計算

單支水平式犧牲陽極接地電阻：

(2)

單支立式犧牲陽極接地電阻：

(3)

式中：Rh為單支犧牲陽極接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；lg為裸犧牲陽極長度，m，lg?dg；Dg為預包裝犧牲陽極直徑，m；tg為犧牲陽極中心至地面的距離，m，tg?lg/4；ρg為填包料電阻率，Ω·m；dg為裸犧牲陽極等效直徑，m，dg=C/π(C為周長,m)。

(3) 每支陽極的發(fā)生電流計算

(4)

式中：If為每只陽極的發(fā)生電流，A；ΔE為陽極驅(qū)動電位，V(鋅合金陽極取ΔE=0.25 V，鎂合金陽極取ΔE=0.65 V)。

(4) 所需犧牲陽極支數(shù)

(5)

式中：n為陽極支數(shù)；B為備用系數(shù)，取2～3；I為保護電流，A。

(5) 犧牲陽極工作壽命計算

(6)

式中：Tg為犧牲陽極工作壽命，a；Wg為犧牲陽極組凈質(zhì)量，kg；ωg為犧牲陽極消耗率，kg/(A·a)。

(6) 多支犧牲陽極接地電阻計算

(7)

式中：Rg為多支組合犧牲陽極接地電阻，Ω；f為犧牲陽極電阻修正系數(shù)；n為陽極支數(shù)。

犧牲陽極法計算流程如圖2所示。

2.2 犧牲陽極法的工程實例

某風電場配套升壓站位于新疆羅布泊，場地地表分布有田垅狀鹽殼，地基土體電阻率值取7 Ω·m。本工程采用自然接地體和人工接地體相結(jié)合的接地布置方式，人工接地體埋深1 m。原有接地系統(tǒng)已滿足相關(guān)設(shè)計要求。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，本工程地基土對鋼結(jié)構(gòu)有強腐蝕性，需要采取防腐措施，同時結(jié)合表1結(jié)論，本工程采取鋅合金犧牲陽極法。

圖2 犧牲陽極法計算流程圖

2.2.1 計算保護面積

本工程人工接地體包括作為水平接地極、規(guī)格為60 mm×8 mm的熱鍍鋅扁鋼2 500 m和作為垂直接地極、長度為3 m、直徑為0.025 m的熱鍍鋅圓鋼59個。保護面積取所有人工接地體的表面積，即353.9 m2。

2.2.2 計算保護電流

鋼在不同介質(zhì)中保護電流密度見表2。

表2 鋼在不同介質(zhì)中的最小保護電流密度表

保護電流密度取35 mA/m2，保護電流為12.39 A。

2.2.3 計算單支犧牲陽極接地電阻

根據(jù)DL/T5394所列常用埋地陽極的規(guī)格型號，結(jié)合本站地電阻率，本項目選用規(guī)格：1000 mm×(78+88) mm×85 mm、重量為50 kg的鋅陽極。同時該規(guī)范要求：犧牲陽極頂部埋深距地面不小于1 m或與水平接地體埋深設(shè)在同一標高，考慮到水平式布置，犧牲陽極中心至地面的距離由凍土層厚度、陽極的1/2邊長、填包料厚度(為確保填包料的厚度應在各個方向均保持5～10 cm[11]。本工程最終取填包料厚度為10 cm)3部分組成；考慮到填包料的電阻率應比土壤電阻率小，咨詢相關(guān)廠家后，本工程填包料電阻率取5 Ω·m。根據(jù)式(2)本工程單支水平式犧牲陽極接地電阻為3.25 Ω。

2.2.4 計算單支犧牲陽極發(fā)生電流

根據(jù)式(4)，單支犧牲陽極發(fā)生電流為0.077 A。

2.2.5 計算所需犧牲陽極數(shù)量

根據(jù)式(5)，所需犧牲陽極數(shù)量為322個。

2.2.6 復核是否滿足設(shè)計年限

GB/T21448要求：在土壤0.03 mA/cm2條件下，鋅合金犧牲陽極的消耗率ωg≤ 17.25kg/(A·a)，為保守起見，本工程取ωg=17.25kg/(A·a)，因此：

滿足本工程設(shè)計年限30 a。

2.2.7 多支犧牲陽極接地電阻計算

GB/T21448要求：成組布置時，陽極間距以2～3 m為宜。本工程取陽極間距為3 m。犧牲陽極電阻修正系數(shù)參見圖3[12]。

圖3 犧牲陽極電阻修正系數(shù)圖

當陽極長為1 m時，從圖3可知修正系數(shù)與犧牲陽極并聯(lián)支數(shù)成正比且收斂，為保守起見可取修正系數(shù)為2。因此本工程多支犧牲陽極接地電阻為0.02 Ω。

由于填包料電阻率較低、犧牲陽極數(shù)量較大，犧牲陽極的總接地電阻遠小于原接地主網(wǎng)接地電阻，接入接地主網(wǎng)后會使主網(wǎng)接地電阻降低。但犧牲陽極會隨時間而腐蝕，且腐蝕速率無法量化，該方法不作為常規(guī)接地主網(wǎng)降阻的方法。

2.2.8 結(jié)合原接地網(wǎng)復核相關(guān)要求

更新原接地系統(tǒng)，得出新接地系統(tǒng)接地電阻，經(jīng)復核滿足本接地工程接地電阻要求。同時在未改變最大跨步電勢、接觸電勢差的前提下，滿足防腐要求，并滿足設(shè)計年限要求。

風電場區(qū)域接地計算方法同理。

3 結(jié) 語

本文從分析接地材料常規(guī)防腐方法出發(fā)，總結(jié)了風電接地工程防腐設(shè)計要求，提出犧牲陽極法，并結(jié)合具體工程案例給出設(shè)計流程，為需采用犧牲陽極法防腐的接地工程設(shè)計工作提供參考。

(1) 總結(jié)了各種防腐措施的問題和犧牲陽極法的優(yōu)勢，給出了其的適用范圍。

(2) 從犧牲陽極法的原理出發(fā)，給出作為犧牲陽極材質(zhì)的要求，確定鎂合金和鋅合金作為風電工程犧牲陽極的推薦材料。

(3) 從計算保護電流、計算單支犧牲陽極發(fā)生電流得出具體工程犧牲陽極的需要數(shù)量，根據(jù)數(shù)量確定犧牲陽極壽命是否滿足設(shè)計年限以決定增加犧牲陽極個數(shù)與否。完成防腐措施后計算總犧牲陽極接地電阻，反饋并更新主接地網(wǎng)參數(shù)信息。

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