變電站鐵塔基礎接地網土壤腐蝕性研究

魏 敏，吳芳芳，田 浩

（1.嘉興電力局，浙江 嘉興 314033；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

接地裝置長期處于惡劣的運行環境中，承受著地網散流與雜散電流的腐蝕，土壤的化學與電化學腐蝕也不可避免，接地網腐蝕會造成電氣設備“失地”，接地電阻升高，影響電氣設備的安全運行。因此，確保接地網免受腐蝕是保證電網安全穩定運行的主要措施。而判定接地網周邊土壤的腐蝕性，是選擇保護措施的先決條件。

為了快速準確地測定金屬材料在土壤介質中的腐蝕速度隨時間的變化規律，近年來相繼出現了一些電化學測試方法，如極化曲線法、交流阻抗技術等，為深入研究土壤腐蝕機理提供了技術支持。還有研究者采用測量對地電位（自腐蝕電位）、氧化還原電位等方法來測定對比金屬材料在不同土壤中的腐蝕速率。這些方法對土壤環境無干擾，但只能提供單一的與腐蝕有關的信息，與土壤的腐蝕速度關系不密切，因此實際應用情況并不理想。

本文采用現代電化學測試手段和相關的儀器表征方法，通過數學方法研究碳鋼作為接地材料在某土壤環境下的腐蝕行為。通過對土壤取樣、理化性質和電化學性質的分析、腐蝕電流的現場和實驗室測定及與填埋失重法的比對分析等，以嘉興某220kV變電站為例，測定了接地網的腐蝕速度，估算其運行壽命，為接地網的運行和維護提供理論依據。

1 土壤腐蝕性

1.1 土壤的特性

土壤是土粒、水和空氣的混合物。由于水中溶有各種鹽類，因此土壤是一種腐蝕性電解質，金屬在土壤中的腐蝕屬于電化學腐蝕。

土壤中含有多種無機物和有機物，其種類和含量影響土壤的酸堿性和導電性。土壤是不均勻的，長距離的地下管道和大尺寸的地下設施，其各個部位接觸的土壤結構和性質可能有較大差異。而土壤中大量的微生物會加速金屬腐蝕。

1.2 影響土壤腐蝕性的因素

影響土壤腐蝕性的主要因素有：含水量、含氧量、含鹽量、電阻率、pH值。

（1）土壤含水量既影響土壤導電性，又影響含氧量。

（2）氧的含量對金屬的土壤腐蝕有很大影響，會產生氧濃度差腐蝕電池。

（3）土壤愈干燥，含鹽量愈少，土壤電阻率愈大；土壤愈潮濕，含鹽量愈多，土壤電阻率就愈小。隨電阻率減小，土壤腐蝕性增強。

（4）當pH值小于6或者大于7.5時，土壤腐蝕性均增強。

2 土壤性能的研究

主要研究內容包括：土壤取樣與理化性質測試、試片預埋與相關現場測試、腐蝕速率的實驗室快速測定等。

2.1 土壤理化性質測試內容與方法

測試內容包括：土壤種類、氧化還原電位、pH值、含水率、總鹽度、硫酸根離子、氯離子含量和有機質含量等，具體測試方法見表1。

表1 土壤理化指標的測試方法

2.2 腐蝕速率的測定

測試方法主要包括：準穩態極化曲線法、簡要的極化曲線法（即現場測試法）、交流阻抗法和填埋失重法，在此基礎上還分析了材料在土壤中腐蝕速度的演化行為。

2.3 數據處理方法

電化學測試過程中得到的腐蝕速度用腐蝕電流來表示（即測得的是金屬的瞬時腐蝕速度），而常用的腐蝕速度都用失重率或年平均腐蝕厚度來表示，為了便于對比及與習慣說法相一致，要對腐蝕電流進行積分（不同時間段有不同的腐蝕電流）以得到年平均失重（g/cm2·a 或 mm/a）。

為了將測得的即時腐蝕電流數據轉化為年平均失重，根據建立計算模型的需要，結合氣象資料，將1年的時間劃分3個不同時間段：10℃以下的2個月，10℃～25℃的6個月，25℃以上的4個月。將失重質量m看作函數f（t），是以時間t為變量的函數，再根據劃分的時間段對其積分。

式中：（0，t1）為溫度在 10℃以下的時間段；（t1，t2）為溫度在 10℃～25℃的時間段； （t2，t3）為溫度在25℃以上的時間段；M為試片的原子量，此處取56；F為法拉第常數（96485）；i為腐蝕電流；S為試片表面積，此處取1 cm2。

式（1）定義為：年平均腐蝕損失質量就是對以時間t為X軸和腐蝕電流i為Y軸的函數進行積分，積分結果再乘以常數M/2FS。

為便于計算和說明，研究過程中可將上述3個時間段內的腐蝕電流近似看作相等（測試結果表明，該處理方法確實可行）。具體到每個時間段的腐蝕電流大小，工作中根據實際情況和實驗條件等進行重復測量，結果平均后即可得到相應時間段內平均腐蝕電流。式中：n為同一時間段內腐蝕電流測定的次數；in為同一時間段內第n次腐蝕電流的測量值。

計算試片在研究時間段內的平均失重公式為：

式中：m為研究段時間內試片的失重量；t為研究時間段的長度。

若將1年分為3個時間段，則相關試片在目標土壤中的年平均失重可通過以下公式求得：

具體計算示例如圖1所示。由于溫度變化原因，在不同時間段下的平均腐蝕電流是不同的。如圖1所示1-2月的腐蝕電流是i1，3-8月的腐蝕電流是i2，9-12月的腐蝕電流是i3，長方形的面積表示試片失重的質量。

3 應用實例

3.1 變電站土壤腐蝕性能的測定

嘉興某變電站位于嘉興市秀洲區油車港千金寺，所在場地周圍為農田，地下水系發達，西側有一廢品回收站。

圖1 3個時間段內不同的平均腐蝕電流對比

選擇該變電站基建工程開展接地網土壤腐蝕與防護研究，通過測定設計所選用接地材料在基建施工區域土壤內的腐蝕速率，預測其使用壽命并提出相應防護整改措施，保證接地網在設計壽命期內可靠運行。土壤的理化測試結果見表2。

表2 變電站土壤理化測試數據

3.2 穩態極化曲線測試

根據前期開展的接地網腐蝕研究成果，在嘉興地區的氣候條件和土壤環境下，接地網的年腐蝕速率可采用模擬系統快速測定，即利用試驗分析裝置進行電化學測試。由于實際土壤情況復雜，同一地點的土壤在不同環境條件下其物理化學性質，如含水率、土壤充氣程度等也有不同，對電化學測試的結果會產生重要影響。為研究金屬材料在同一土壤試樣中不同情況下的腐蝕行為，模擬系統通過加入不含CO2的超純水，使被研究的土壤變為泥漿狀（此時所研究土壤的含水率為飽和狀態），并采用電化學腐蝕測量方法（極化曲線法）進行評價，分析材料腐蝕速度和陰陽極控制特性，求得自腐蝕電流，即在弱極化區求解相應金屬材料的腐蝕電流。測試過程中，每天測試4～6次，擬合后計算得到相應的腐蝕電流密度，然后對該數據進行平均。圖2是典型的穩態極化曲線，圖3給出了2個測試周期（5天）內的典型穩態極化曲線對比，圖中的電位均指相對于銅-硫酸銅飽和參比電極電位。

圖2 典型穩態極化曲線

圖3 5天內的穩態極化曲線變化對比

圖3的結果表明，在整個測試過程中，填埋試片的腐蝕速度一直比較平穩，說明該測試裝置所得到的結果具有較好的穩定性，有較好的實際指導意義。

3.3 碳鋼試片腐蝕速度計算

根據式（3），試片在所研究時間段內的平均失重公式為：

而在2個試驗周期內測得的平均腐蝕電流分別為 1.8923E-02 和 1.4627E-02（mA/cm2），取其平均值為1.6775 E-02（mA/cm2）。則可計算得出A3鋼在該土壤內的年失重量為0.1535 g/cm2。

4 結論

經測定，嘉興電力局某220kV變電站接地網（碳鋼）腐蝕電流的測定值 1.6775 E-02（mA/cm2）約為該地區其它變電所同期測定值8.555E-03（mA/cm2）的5倍，說明該所的土壤環境對接地網的腐蝕性較強，應采取相應的防腐措施，如陰極保護法。由此可見，對變電站（鐵塔基礎）接地網周邊的土壤特性進行研究，對指導接地網的施工及保護有重要的價值。

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