外加電流陰極保護技術在變電站接地網防腐中的應用研究

劉 欣，張正華，裴 鋒，賈蕗路

（1.國網江西省電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國家電投江西電力有限公司景德鎮發電廠，江西景德鎮333000）

0 引言

外加電流陰極保護是防腐領域最常用的技術之一，在石油、船舶、橋梁等行業已廣泛應用，能夠搶在腐蝕發生之前杜絕隱患發生，充分證明了其有效性。但是，由于不同行業的專業關注點不同，外加電流陰極保護技術在國內電網中的應用較少。近年來，電網對材料防腐的要求日益提升，本文結合相關科研項目和示范工程，提出了此技術在變電站地網防腐中的應用方法。

1 外加電流陰極保護防腐技術原理

接地網防腐的各種方法從根本上講都是防止或抑制Fe（扁鋼）失去電子。外加電流陰極保護防腐技術的原理如圖1所示。整個系統主要由外加直流電源、輔助陽極、參比電極和測試樁組成。接地網與直流電源的負極相連，輔助陽極與正極相連，形成電源-接地網-土壤-輔助陽極回路，從而向接地網供應大量電子，使之陰極極化，抑制腐蝕的發生。參比電極和測試樁用來監測陰保系統的運行參數。由于保護電流由外加電源驅動，所以只要電源的功率達標，就可以保護大面積的接地網，且僅需進行陽極和供電電纜的施工，適合變電站使用。

圖1 外加電流陰極保護原理

2 參考標準和適用范圍

2.1 參考標準

應用外加電流陰極保護技術可參照以下標準執行：Q/GDW1781-2013、DL/T5394-2007、DL 475-2006、DL/T621-1997、GB/T21246-2007、GB/T21448-2008、SY/T0036-2000、NACERP－0572－85、NACERP－0169－83。

2.2 技術適用范圍

根據DL/T 5394-2007、Q/GDW 1781-2013規定和建議，土壤的腐蝕性為強時，接地裝置防腐措施應采用陰極保護方法；接地裝置面積較小時（如桿塔接地裝置）宜采用犧牲陽極陰極保護，接地裝置面積較大時（如變電站接地網）宜采用外加電流陰極保護。此外，變電站接地網外加電流陰極保護改造的造價與接地網整體重做的價格大體相當。因此，外加電流陰極保護技術適用于土壤腐蝕性強且接地網腐蝕速度過快的變電站。

2.3 變電站土壤腐蝕性評價方法

在電網生產工作中，運維人員可從接地網腐蝕情況和土壤腐蝕性評價結果兩個方面判斷變電站是否適合采用此技術。

接地網常年埋在地下，難以直接觀察其腐蝕情況。現有的導通測試手段往往只能在接地網已發生斷裂的情況下發現問題。根據電化學腐蝕理論，接地引下線埋地部分是整個接地網最容易腐蝕的地方，可從一定程度上反映接地網的腐蝕趨勢。變電站運維人員在巡檢過程中，可重點查看接地引下線埋地部分的腐蝕情況，適當的扒開表層土壤對引下線進行檢查。若發現腐蝕嚴重的情況，需結合引下線運行年限初步判斷其腐蝕速度，若運行年限較短就出現嚴重腐蝕甚至斷裂的情況，則應取變電站土壤樣品進行土壤腐蝕性評價。土壤腐蝕性評價可按DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013、DL/T248-2012、SY/T0087.1-2006、SY/T 0087.3-2010進行。若發現土壤腐蝕性評級為強的變電站，且現場腐蝕情況嚴重，可考慮采用外加電流陰極保護技術對接地網進行防腐改造。

3 設計計算

3.1 資料收集和現場勘查

在變電站外加電流陰極保護設計工作開始之前，應先進行資料收集和現場勘查工作。所需的資料包括但不限于變電站接地網設計圖紙、接地網材料規格和用量、變電站現有電纜溝分布情況等；現場勘查需確定變電站土壤電阻率、地面是否可挖電纜溝、變電站接地網外沿是否具有吊車施工的條件、控制室是否可安置陰保恒電位儀控制柜等。

3.2 工程設計計算

外加電流陰極保護系統主要由直流電源（恒電位儀）、輔助陽極、參比電極、監控設備和電纜組成，其設計計算主要包括保護電流、恒電位儀選型、輔助陽極選型、輔助陽極接地電阻估算、輔助陽極井數量設計、輔助陽極井數量、輔助陽極壽命、外加電流方案、監測方案設計等。

3.2.1 保護電流設計

保護電流即為外加電源供給接地網的直流電流，為使接地網得到充分的陰極保護，并指導設備和材料選型，首先要估算保護電流的大小。

依據DL/T 5394-2007，變電站接地網所需保護電流大小為：

其中：

i—保護電流密度，mA/m2（依據DL/T 5394-2007相關經驗值，及現場試驗情況選取，此值選取有一定難度且非常關鍵，有時需根據現場試驗結果反復修正，建議咨詢有經驗的設計單位）；

S—保護面積，m2（地網材料總表面積+裕量，注意此值非地網占地面積，而是根據設計圖紙和接地材料規格用量估算出的接地網材料總的外表面積）。

3.2.2 恒電位儀選型

依據計算得出的保護電流值，結合恒電位儀的最大輸出電流和最大輸出電壓，可進行恒電位儀選型。此外，恒電位儀宜置于變電站控制室，尺寸應盡量接近原有控制柜的規格以方便安裝。常用的恒電位儀技術參數如下：輸入電源AC380/50 Hz；最大輸出電流DC50 A，最大輸出電壓60 V；保護電位-0.30～-3.00 V連續可調。當單臺恒電位儀功率難以滿足需求時，可購置多臺恒電位儀并聯使用。

3.2.3 輔助陽極選型

根據DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013的建議，輔助陽極應采用性能穩定、使用壽命長、消耗率低的成熟產品；對于腐蝕性較高的土壤區域，宜采用貴金屬氧化物陽極或含鉻高硅鑄鐵陽極。現市場上的陽極多為預組裝成套裝置，可根據后面的陽極接地電阻估算、陽極數量設計和陽極壽命估算情況綜合推敲后選用。

3.2.4 輔助陽極接地電阻估算

由于大多數變電站接地網的接地電阻值較低，因此陽極接地電阻是整個陰保回路中最重要的組成部分，預估單口陽極井的接地電阻可指導陽極和恒電位儀的選型。依據DL/T 5394-2007垂直輔助陽極接地電阻公式，單口陽極井的接地電阻：

其中：

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，現場實測值，Ω·m；

L—陽極長度（含填料），m；

D——陽極直徑（含填料），m。

3.2.5 輔助陽極井數量設計

為盡量使陰保電流沿地網均勻分布，輔助陽極井應沿變電站地網四周盡量均勻布置，因此為方便設計調整陽極井數量：

其中：

N—輔助陽極數量；

R1—單口陽極井接地電阻，Ω；

U—恒電位儀最大輸出電壓，由恒電位儀選型結果而定，V；

I—保護電流設計值，A；

R0——接地網接地電阻，實測值，Ω；

一般而言，陽極井數量在3～4口為宜，當上式計算結果不理想時，可調整輔助陽極或恒電位儀的選型，以得到理想的陽極井數量。

3.2.6 輔助陽極壽命計算

當地網得到充分保護時，扁鋼幾乎不會發生腐蝕，因此只需考慮輔助陽極的使用壽命即可較大程度的反映整個接地系統的壽命。根據DL/T 5394-2007中公式，陽極壽命：

其中：

T—陽極使用壽命，a；

G—陽極重量，kg；

K—陽極利用系數，取0.7～0.85；

g—陽極消耗率，商品參數或實測值，kg/（A·a）；

IW——單陽極電流，保護電流分攤至單陽極，A。

3.2.7 外加電流方案設計

在司法實踐中，一些職務犯罪的被指控人聲稱在調查階段受到了各種非法強迫手段，逼取口供。監察機關辦理的職務犯罪案件，被調查人處于留置狀態時，身處辦案場所，缺乏第三方參與，在實踐中不能排除受到各種手段逼供的可能性。根據《監察法》的規定，對訊問等取證行為進行全程錄音錄像，這在客觀上使得調查人員在錄音錄像的情況下取證，可能會對取證行為進行自我約束，從而保障被調查人的權利。此外，錄制完成的錄音錄像保留了可能存在的非法取證行為的視聽資料，為被調查人日后權利救濟提供了證明。

當確定了恒電位儀、輔助陽極相關參數后，即可設計外加電流的方案，包括保護電流注入點、陽極井布置、電纜布置、恒電位儀安置等。保護電流應盡量均勻的分布在地網上，并重點照顧一次設備區，一般應設3～4個以上，并偏向一次設備區；陽極井應盡量均勻的分布在地網外沿，同時應盡量安置在地下水位較高或潮濕低洼處，且應確保地下無巨石及人工構筑物、地上可進行吊車施工；電纜應盡量利用變電站原有電纜溝布置，新開挖的電纜溝不應影響電網安全運行；恒電位儀宜安裝在控制室內。

3.2.8 監測方案設計

變電站外加電流陰極保護監測一般由測試樁和參比電極組成，有條件時可設置遠程無線監測裝置。測試樁和參比電極的設置數量一般不應少于3個，一般安裝于電流注入點附近、陽極中間點附近、重點保護區域等。參比電極可選用Cu/CuSO4電極或極化探頭，測試樁應具有測量保護電位、自然電位、保護電流等參數的功能，同時為恒電位儀提供控制信號。此外，有條件時可埋設腐蝕試片對陰保效果進行驗證，腐蝕試片材料應與接地網材料相同，試片應分兩組，一組與受陰極保護，一組為自然腐蝕狀態不受保護，定期開挖對比。

4 工程施工

4.1 工程概況

變電站外加電流陰極保護工程建設包括陽極深井鉆建和陽極吊裝、恒電位儀安裝、測試樁和參比電極安裝、電流注入點施工、配套電纜鋪設等。整個施工過程不停電，不妨礙電網和現有設備正常運行。施工應嚴格按照事先確定的施工方案進行，施工人員需經過安全培訓才可上崗，施工時須有電力公司負責人在場并執行相關規章制度。

4.2 施工步驟

4.2.1 輔助陽極井鉆建和陽極吊裝

陽極井鉆建施工量占整個工程施工量的大半以上。具體步驟如下：

1）地上、地下障礙物都處理完畢，達到“三通一平”，施工用臨時設施準備就緒；

2）按照施工圖中選定的井位，現場復查確定后人工開挖1米深坑，確定無地下結構物、管道、電纜后定位開挖；

3）鉆孔機就位：利用吊車安裝好鉆孔機和井架，確保不發生傾斜、位移。

4）鉆孔：調整機架挺桿，對好樁位（用對位圈）開動機器鉆進、出土，達到控制深度后停鉆，提鉆。

5）檢查成孔質量：①鉆探測定：用測深繩或手提燈測量孔深及虛土厚度，虛土厚度不超過10 cm。②孔徑控制：鉆進遇到有含石塊較多的土層，或含水量較大的軟、塑粘土層時，必須防止鉆桿晃動引起孔徑擴大，致使孔壁附著擾動土和孔底增加回落土。

6）井孔土清理：鉆到預定的深度后，必需在孔底處進行空轉清土，然后停止轉動；提鉆桿，不得曲轉鉆桿。

7）吊裝陽極體：①將規定量的填料倒入井內作為基底。②將陽極體的電纜打開，吊起第一根陽極體。③吊放陽極體時，要對準孔位吊直扶穩，緩慢下沉，避免碰撞孔壁。④第一根陽極體上端到達井口時，利用懸架固定好，把第一根陽極體的電纜線穿入第二根陽極體中心的PVC管中，起吊第二根陽極體對兩根陽極體進行垂直焊接，焊接必須結實焊縫必須平整。⑤當所有陽極體均安上述步驟焊接完成后，將所有電纜穿入外連PVC管中，并把PVC管和陽極體用二通連接牢靠。⑥邊吊放陽極體，邊加長外連PVC管，直至陽極體放到設計位置，立即固定，確保陽極體的位置正確。⑦用填料將陽極井回填至地平面下約50 cm。

8）移鉆機到下一井位：填好井位施工記錄，拆除鉆架，移走鉆機到下一井位。

9）用水泥和預制PVC框架將井口制成檢查井，并蓋好面板

4.2.2 恒電位儀安裝

恒電位儀系統宜置于變電站主控室中，安裝步驟如下：開箱就位、單機檢查；按產品說明書接線，進行外線電氣安裝和陰極保護系統調試；調試應嚴格按照產品說明書進行，注意用電安全；設備內接線應做好標識牌，以備后期檢修。

4.2.3 測試樁和參比電極安裝

測試樁安裝位置不的妨礙其他設備工作，與道路、設備、建筑物保持一定距離。測試樁地下埋設深度不小于0.5 m，安裝完成后夯實。測試樁內接線應規整，且留好各參數的測試頭，各電纜和測試頭應有醒目標識。與測試樁配合工作的參比電極應盡量接近扁鋼埋設。

4.2.4 電纜鋪設

工程所需電纜鋪設盡量利用變電站原有橋架和電纜溝，無法利用時則采取直埋鋪設，電纜直埋時均采取穿管保護措施。所有電纜在關鍵位置均配置標識牌，電纜需排列整齊并留有裕量，防止發生應力破損。

5 工程驗收和運維

5.1 工程驗收

當外加電流陰極保護工程竣工后，應至少進行連續168 h時的通電試驗，并記錄所有參比電極的保護電位和恒電位儀的輸出電流、輸出電壓讀數，合格后方可進行現場驗收。

驗收時應具備以下資料：

1）體現設計要求的設計文件及設計變更通知書；

2）所用材料、設備及儀器的產地和材質證明書；

3）含有氣候狀況的施工記錄；

4）外加電流陰極保護的調試記錄和調試報告。

現場驗收時，需測量陰保系統保護電流、恒電位儀輸出電壓和電流、陽極接地電阻、保護電位、極化電位、接地網接地電阻、遠程監控系統（如有）等運行參數，并與設計值比對。恒電位儀不應有超負荷運行情況出現，且輸出穩定可靠，陰保系統有效性可按下文確認。

根據 Q/GDW 1781-2013、GB/T 21448-2008和DL/T 5394-2007，外加電流陰極保護系統的有效性用以下判據進行評判（達到以下指標之一即可）：

1）保護電位：施加陰極保護電流時，接地網對參比電極（極化探頭）電位不高于-850 mV；

2）極化電位：陰極保護極化形成或衰減過程中，接地網對參比電極（極化探頭）電位變化值不小于100 mV。

5.2 外加電流陰極保護系統運維

工程驗收后，應建立變電站接地網外加電流陰極保護系統維護檔案，包括：

1）接地裝置的設計、施工資料，包括竣工日期和竣工圖紙；

2）陰極保護的設計、施工資料和竣工圖紙；

3）巡檢記錄，應包括工程名稱、檢查方式、日期、環境條件、發現異常的部位和程度、處理建議等；

4）陰極保護系統維修的設計和施工方案、施工記錄和驗收結論。

外加電流陰極保護系統自投運之日起，應每周測量一次保護電位、極化電位、恒電位儀輸出電壓和電流；當數值穩定后，改為半年測試一次。當保護電位不滿足要求時，應及時調整恒電位儀輸出參數，并于一周后復測。

6 總結和建議

外加電流陰極保護技術適用于土壤腐蝕性強且接地網腐蝕速度過快的變電站接地網防腐，其施工量小、地網防腐效果卓越，能夠搶在腐蝕發生之前杜絕隱患發生，有著廣泛的應用前景。

變電站運維人員在日常巡檢工作中，應關注接地網特別是接地引下線的腐蝕情況，若發現運行年限較短就出現嚴重腐蝕甚至斷裂的情況，則應取土樣對其進行腐蝕性評價。若發現土壤腐蝕性評級為強的變電站，且現場腐蝕情況嚴重，可考慮采用外加電流陰極保護技術對接地網進行防腐改造。

在利用此技術對變電站接地網改造的過程中，應特別注重前期的科學設計，防止因設計不周導致保護效果不足；施工過程應做好全過程控制，防止出現生產事故；竣工后嚴格驗收并定期檢測，確保陰保系統運行可靠穩定，保護效果達到標準要求。

[1]Q/GDW1781-2013交流電力工程接地防腐技術規范[S].

[2]DL/T5394-2007電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則[S].

[3]DL 475-2006接地裝置工頻特性參數的測量導則[S].

[4]DL/T621-1997交流電氣裝置的接地[S].

[5]GB/T 21246-2007埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法[S].

[6]GB/T 21448-2008埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].

[7]SY/T 0036-2000埋地鋼質管道強制電流陰極保護設計規范[S].

[8]NACE RP－0572－85外加電流深井陽極地床的設計、安裝、操作和維護[S].

[9]NACERP－0169－83埋地或浸水金屬管道外部腐蝕控制[S].