變電站內(nèi)交直流雜散電流對接地網(wǎng)腐蝕影響研究

聶新輝 薛慶堂 陳曉春

（1. 國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

變電站接地網(wǎng)的腐蝕不僅與接地網(wǎng)所處的土壤特性相關(guān)，同時(shí)還與變電站現(xiàn)場環(huán)境和相關(guān)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況密切相關(guān)。與其他埋地管道相比，變電站內(nèi)還存在雜散電流和泄漏電流，必然對接地網(wǎng)材料的耐蝕性產(chǎn)生影響，這也是研究接地網(wǎng)腐蝕與防護(hù)需要特別關(guān)注的地方[1,2]。

雜散電流可分為交流雜散電流和直流雜散電流。交流電引起的腐蝕要比直流電干擾的強(qiáng)度小得多，大約為直流電的1%[3]。雜散電流腐蝕作用與電解電池的作用過程類似，接地網(wǎng)有著明顯分開的陽極區(qū)和陰極區(qū)。如圖1所示，電流從土壤進(jìn)入金屬構(gòu)件的地方帶有負(fù)電荷，這一區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)；由金屬構(gòu)件流出的部位帶有正電荷，這一區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū)。

圖1 雜散電流導(dǎo)致接地網(wǎng)腐蝕

因此變電站雜散電流的危害主要是對接地網(wǎng)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，其電化學(xué)腐蝕過程發(fā)生如下反應(yīng)：

（1）析氫腐蝕

陽極反應(yīng)：2Fe→2Fe2＋＋4e

陰極反應(yīng)：4H＋＋4e→2H2↑（無氧酸性環(huán)境）

4H2O＋4e→4OH－＋2H2↑（無氧中性、堿性環(huán)境）

（2）吸氧腐蝕

陽極反應(yīng)：2Fe→2Fe2＋＋4e

陰極反應(yīng)：O2＋4H＋＋4e→2H2O（有氧酸性環(huán)境）

O2＋2H2O＋4e→4OH－（有氧中性、堿性環(huán)境）

接地網(wǎng)在沒有雜散電流時(shí)，只發(fā)生自然腐蝕，大部分屬于原電池腐蝕的模型。原電池腐蝕的驅(qū)動(dòng)電位只有幾百毫伏，而所產(chǎn)生的腐蝕電流充其量不過幾十毫安的數(shù)量級(jí)。而在土壤中的雜散電流腐蝕，一般屬于電解電池腐蝕的模型，即外來的直流電流或電位差，造成了土壤溶液中金屬的腐蝕，其腐蝕量與雜散電流強(qiáng)度成正比。也就是說，假如有1A的電流通過接地網(wǎng)表面，流向土壤溶液，那么一年就會(huì)溶解鋼鐵9.13kg[4]。

因此，對接地裝置加設(shè)測試樁，監(jiān)測雜散電流，預(yù)測接地裝置的腐蝕狀態(tài)，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施非常必要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測試方法

交流雜散電流最直觀的檢測參量就是交流電壓，SY/T 0032-2000和GB/T 50698-2011都給出了交流電壓測量的連線圖和數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可以找到測量點(diǎn)干擾電壓的最大值、最小值以及測量點(diǎn)干擾電壓隨時(shí)間變化的曲線[5]。交流電流密度可按公式（1）計(jì)算：

式中：JAC為評(píng)估的交流電流密度，A/m2；

V為交流干擾電壓有效平均值，V；

ρ為土壤電阻率，Ω·m；

d為破損點(diǎn)直徑，m。

ρ值應(yīng)取交流干擾電壓測試時(shí)，測試點(diǎn)處與接地網(wǎng)埋深相同的土壤電阻率實(shí)測值。d值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.0113m。

直流雜散電流如圖2所示，電極相距20m，測量兩電極間的電位差ΔV，再除以兩點(diǎn)間的距離（L），即為土壤電位梯度ΔG=ΔV/L。測量時(shí)，同時(shí)測量沿埋地金屬構(gòu)件垂直方向與平行方向的電位梯度，并記錄。

圖2 雜散電流的土壤電位梯度測定方法

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，交流于擾的程度可按表1交流于擾程度的判斷指標(biāo)的規(guī)定判定。

參照DL/T 5394-2007《電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導(dǎo)則》，當(dāng)埋地金屬構(gòu)件任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位偏移20mV或埋地金屬構(gòu)件附近土壤電位梯度大于0.5mV/m時(shí)，確認(rèn)為直流雜散電流干擾。表2是電位梯度值判斷直流雜散電流強(qiáng)弱的指標(biāo)。

表2 直流雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷指標(biāo)

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

采用中國科學(xué)院金屬研究所研制的SCM-4200交直流雜散電流測量儀，SCM-4200是一臺(tái)多功能雜散電流測試儀器，可以測量與雜散電流腐蝕相關(guān)的各類電極電位、腐蝕電流密度、電位梯度等直接或間接參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2009～2013年，先后多次采用監(jiān)測干擾電壓和電位梯度連續(xù)測定方法對安徽省9座500kV變電站500kV區(qū)域內(nèi)的雜散電流進(jìn)行了測試。本文僅以FC 500kV變電站測試結(jié)果為例，其他變電站詳細(xì)測試結(jié)果不一一列舉。

2.1 交流雜散電流測試

圖3和表3為FC變500kV區(qū)域，交流干擾電壓測試結(jié)果。

表3 FC變500kV區(qū)域交流雜散電流判斷結(jié)果

圖3 FC變500kV區(qū)域交流干擾電壓隨時(shí)間變化

測得FC變500kV區(qū)域土壤電阻率為56.12Ω?m，將交流電壓均值代入公式（1），可求得交流電流密度為6.12A/m2，根據(jù)表1判斷，交流干擾程度為弱。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)

2.2 直流雜散電流測試

圖4和表4為FC變500kV區(qū)域，直流雜散電流電位梯度法測試結(jié)果。

圖4 FC變500kV區(qū)域土壤電位梯度變化曲線

從圖4和表4中可以看出，兩組參比電極的電位差值分別在-7～-2mV和13～23mV之間，最大電位梯度為1.15mV/m，因此FC變500kV區(qū)域存在中等強(qiáng)度直流雜散電流。

表4 FC變500kV區(qū)域土壤電位梯度測試結(jié)果

依照上述測量及分析方法，F(xiàn)C變及其他超高壓變電站交直流雜散電流測試及判斷結(jié)果如表5所示。

表5 安徽省9座超高壓變電站500kV區(qū)域交直流雜散電流測試及判斷結(jié)果

由表5可以看出，9座變電站500kV區(qū)域均存在弱級(jí)別的交流雜散電流，其中ZG變交流電流密度最大，為15.6A/m2；最小是JT變，交流電流密度僅為3.23A/m2，因此由交流雜散電流引起的接地網(wǎng)腐蝕問題不用考慮。9座變電站500kV區(qū)域有6座存在中等強(qiáng)度直流雜散電流，3座存在弱級(jí)別直流雜散電流。其中FX變電位梯度值最大，為1.6mV/m；SX變最小，僅為0.35mV/m。

3 結(jié)語

通過對安徽省內(nèi)九座超高壓變電站內(nèi)500kV區(qū)域交直流雜散電流的干擾強(qiáng)度測量，得如下結(jié)論：

（1）9座變電站內(nèi)均只存在弱級(jí)別的交流雜散電流，6座存在中等強(qiáng)度直流雜散電流，3座存在弱級(jí)別直流雜散電流；

（2）以土壤電位梯度值判斷，多數(shù)變電站內(nèi)存在直流雜散電流干擾，干擾程度為中等。應(yīng)密切關(guān)注由直雜散電流產(chǎn)生的腐蝕問題，交流雜散電流產(chǎn)生的腐蝕問題暫不考慮；

（3）加強(qiáng)變電站內(nèi)電氣設(shè)備接地設(shè)計(jì)和安裝的檢查，加強(qiáng)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況的檢查，防止由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀況不良導(dǎo)致的直流雜散電流腐蝕問題。