考慮土壤腐蝕的桿塔接地網設計方法

國網福建省電力有限公司建設分公司 黃明祥

在土壤對金屬導體的腐蝕特性方面，針對國內埋地金屬主要應用的碳鋼、不銹鋼和鍍鋅鋼等材料的腐蝕特性很早就開展研究，李謀成[1]等人進行了碳鋼的電化學腐蝕研究，國內張紅[2]和美國Zhang X G[3]等人分別研究了鍍鋅層在溶液中的腐蝕特性，得出鍍鋅層會對基體碳鋼起到一定的保護作用。國內外對于不銹鋼材料的耐腐蝕性質的研究表明[4-5]，在酸性和中性土壤中，由于不銹鋼表面鈍化膜的保護作用使得其在土壤中的腐蝕速率較低。但在一些高堿性土壤中，由于的含量較高，在自催化機理的作用下，不銹鋼的腐蝕速率隨含量的增加而增大[6]。

另外，在透氣性較差的土壤中不銹鋼的耐蝕性也會隨之減弱。美國的Deni son和Hobbs[7]得出腐蝕速率與土壤酸度呈正比。國內賈思洋[8]等人也研究了不同pH值土壤中的腐蝕速率。李健[9]等人通過失重法、觀測腐蝕形貌、分析腐蝕產物和測量極化曲線得出。Goidanich[10]等的實驗結果表明交流電流的增大會導致金屬腐蝕速率增大，在電流密度為10A/m2時，交流腐蝕速率是無電流作用時腐蝕速率的2倍左右。楊燕[11]等研究了金屬X70鋼在中性電解液中的交流腐蝕行為，結果表明腐蝕速率和交流電流密度呈正冪函數關系。劉騁[12]等研究了交流雜散電流的腐蝕特性，Wakelin[13]等發現交流電流密度低于20A/m2時材料幾乎不發生腐蝕。

1 影響埋地金屬腐蝕速率的因素

1.1 土壤酸堿度對腐蝕速度的影響

按照金屬腐蝕領域的研究，在酸性和堿性土壤中鋼材發生腐蝕的原理完全不同。在酸性土壤環境中，Fe2+與水分子化合溶解在土壤中：Fe2++nH2O→Fe2+·nH2O，而在中性或堿性土壤環境中Fe2+與OH-反應形成了Fe(OH)2，并在H2O和O2作用下進一步反應生成Fe(OH)3，其難溶且不穩定，最后反應生成鐵銹。對于鍍鋅鋼而言，由于Zn的標準電極電位比Fe低，隨著埋設在土壤環境的時間增加，土壤對鍍鋅鋼材料不斷進行腐蝕，鋅層最先開始發生反應，由于鍍鋅層的厚度有限且熱浸鍍過程中容易存在工藝缺陷，部分鋅層被腐蝕掉后，鋅和與土壤接觸的碳鋼同時發生反應。因此隨著腐蝕時間的增加或土壤環境腐蝕情況進一步加重，在鋅層破壞后，碳鋼基體逐漸發生腐蝕破壞。

嚴格意義上講，不同酸堿度的土壤環境雖然對于金屬腐蝕存在差異，但除非是針對特定土壤的測試試驗，否則很難定量給出不同土壤環境下的金屬腐蝕速率。以上分析是基于金屬材料在簡單溶液體系下的腐蝕電位與溶液pH值的關系，對于土壤這種復雜的三相體系情況則復雜得多：酸性環境下腐蝕速率大、耐蝕性低，堿性環境下腐蝕速率小、耐蝕性高。當模擬土壤的pH值降低時，一方面使得H的電極電位Ee(H2/H+)變正，而標準狀況下Ee(Fe/Fe2+)=-0.440V，所以腐蝕過程發生作用的驅動力即電位差ΔE=Ee(H2/H+)-Ee(Fe/Fe2+)也變大，腐蝕速率加快。

1.2 接地網導體散流密度對腐蝕速率的影響

在有交流電流通過桿塔接地網導體流入土壤的情況下，其腐蝕機理非常復雜。大量研究者根據實驗數據及理論推導得出幾種不同的交流腐蝕機理，主要為法拉第整流效應、陽極反應的去極化作用、陽極反應的不可逆性、金屬/介質界面的振蕩作用和強電場理論。由于接地網干擾源的不同，散流對接地網的腐蝕可分為直流雜散電流腐蝕和交流雜散電流腐蝕以及地磁場。直流、交流兩種雜散電流的腐蝕機理不同，因此腐蝕速率也不同。

交流雜散電流在低于20A/m2時主要為電容充放電，參與了碳鋼腐蝕反應的電流很小，因此接地網的腐蝕速率和無電流狀態下的腐蝕強度相近；交流雜散電流在20～100A/m2范圍中參與接地網材料腐蝕反應的交流電流增加，即電解質中各種離子的移動速度使接地網的腐蝕反應加快；交流雜散電流在100～200A/m2范圍內接地網腐蝕反應初期非常快，但是隨著腐蝕產物的不斷堆積，如在表面生成致密氧化物會對基體起保護作用，腐蝕速率會有一定減緩（表1）。

在較高電流密度的交流雜散電流作用下，碳鋼的腐蝕形式會由均勻腐蝕轉變為局部腐蝕，使得內層碳鋼上出現了蜂窩狀的點蝕坑。在酸性土壤環境中，交流雜散電流密度越大接地網的腐蝕速率越大；在上述中性環境中，由于腐蝕產物的致密性交流雜散電流腐蝕速率會被抑制，當土壤的pH值足夠高時腐蝕速率會降至較低的程度，且微弱交流電頻率對接地網材料的交流雜散電流腐蝕影響很小。

表1 不同雜散電流對腐蝕速率的影響

2 典型桿塔接地網導體電流的分布

目前桿塔接地網的設計大多按照矩形結合輻射狀導體的形式進行設計。以500kV輸電線路常用的接地體結構為例，主要包括TB3、TB5、TB10、TC5、TC10、TC15、TA20和TJ幾種類型。其中的數字3、5、10、15、20分別代表土壤電阻率分別為300、500、1000、1500和2000Ω·m。不同接地裝置的結構如圖1所示，其中相應的參數列于表2中。

由于接地網導體流入大地的電流密度既是影響動、熱穩定性的重要指標，也是影響腐蝕速度的主要因素。在線路正常運行情況下，由于相線和地線的感應，桿塔必然存在入地電流。但這一數值在不同情況下存在較大差異，按照不同文獻的計算分析，電流數值從10幾A到100多A不等。表2給出了入地電流100A情況下，最大泄漏電流位置和最小泄漏電流位置。為了使泄漏電流密度小于20A/m2需要的最小接地網導體半徑，如果以常用的12mm直徑圓鋼為參考，在TC5、TB5、TB3、TA3四種接地網結構下，需考慮更粗的接地網導體或使用耐腐蝕的新型接地材料。

表2 不同形式接地網單位長泄漏電流需要的接地網導體半徑（100A入地電流）

3 結語

土壤的酸堿性差異對金屬腐蝕速度存在差異，一般情況下酸性土壤的腐蝕更強，堿性其次，中性最弱，但即使酸堿性相同，腐蝕速度也受入地電流因素影響，因此針對一條輸電線路的桿塔接地網進行腐蝕程度分析時，建議對接地網所在區域全部進行采樣分析其腐蝕速度；接地網的散流會加速接地網的腐蝕速度，在接地網設計時需考慮接地網散流盡可能均勻，避免出現局部腐蝕速度過快的問題；本文通過研究，提出了結合金屬在不同土壤中的腐蝕速度設計接地網導體尺寸，并對典型接地網分析其散流大小，提出了通過添加分支、減少主網的散流提高接地網壽命。