鹽漬土地區高壓輸電線路桿塔接地裝置腐蝕分析

申學德，程克娜，梁永東

（1.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110006；2.東北電力設計院，吉林 長春 130021）

鹽漬土地區高壓輸電線路桿塔接地裝置腐蝕分析

申學德1，程克娜1，梁永東2

（1.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110006；2.東北電力設計院，吉林 長春 130021）

針對我國分布廣泛的鹽漬土地區對高壓輸電線路桿塔接地裝置的腐蝕問題進行了分析，并介紹了腐蝕的特點。對近年國內外常見的地下金屬網防腐措施進行了技術經濟比較，結合現行有關高壓輸電線路接地規程要求，給出我國鹽漬土區域內桿塔接地裝置有效可行的防腐保護措施，為鹽漬土區域內高壓輸電線路桿塔接地工程的設計施工提供借鑒。

鹽漬土；輸電線路；接地；防腐

高壓輸電線路桿塔接地裝置是輸電線路基本防雷保護設施，當雷擊桿塔（或避雷線）時，雷電流經桿塔再經接地裝置流向大地，保護輸電線路導線不被雷擊，避免因雷擊發生跳閘事故［1］。接地裝置性能的優劣直接影響到防雷保護效果，如接地裝置中的某段金屬出現腐蝕甚至產生斷裂，接地裝置的導電性將大大降低，接地電阻也隨之大幅增加，給輸電線路防雷保護埋下隱患。

鹽土也稱為鹽堿，超過0.5%的易溶鹽含量，具有松散、吸水等特性。鹽漬土壤可分為亞硫酸鹽、氯鹽、亞氯鹽、碳酸鹽、硫酸鹽鹽漬土。我國鹽漬土分布較廣，主要分布在新疆、寧夏、甘肅、青海、陜西和內蒙古地區［2］。沿海地區以含氯鹽的鹽漬土為主，其余地區的鹽漬土大多為含氯鹽的混合鹽。

鹽漬土中氯化物的存在是引起輸電線路桿塔接地裝置腐蝕的最主要原因，氯離子能破壞鋼筋表面鈍化膜引起鋼筋局部腐蝕，并對腐蝕過程具有催化作用。

我國現行有關規程及文件一般要求高壓線路的桿塔接地體對其進行熱鍍鋅處理，但在鹽漬土地區的金屬接地體經過若干年使用后，往往由于鋅層破壞而發生銹蝕，縮短了使用壽命。處于強鹽漬土及鹽湖地區的普通鍍鋅接地體實際壽命一般只有3～5年。

由于接地裝置埋設在地下，對接地網的檢查、維護及翻修改造耗費大量的人力物力，操作困難，費用巨大。目前一般采用定期抽樣開挖檢查，該方法具有盲目性，工作量大、效率低，并受實際運行條件的制約。因此，解決鹽漬土地區接地體腐蝕的診斷和防護，提高接地體材料自身耐腐蝕性能對降低電網運營成本具有現實意義。

1 桿塔接地裝置腐蝕成因及特點

輸電線路的防雷接地裝置，埋設于地下0.3～0.8 m的土壤中，土壤是造成腐蝕的環境介質［3］。土壤腐蝕屬于電化學腐蝕，受土壤的pH值﹑雜散電流﹑化學反應﹑電阻率和微生物的影響極大。在鹽漬土地區土壤中含有大量的氯離子，氯離子半徑小且穿透力強，其腐蝕原理是氯離子隨著鹵水吸附在鋼結構上，經過化學反應取代了鈍化膜中的氧離子，使鋼結構表面起保護作用的氧化鐵變為無保護作用的氯化鐵，在鹵水中氯化鐵形成結晶，隨后膨脹，形成裂縫，裂縫順鋼結構由細至寬，由短變長，形成惡性循環。

根據我國第1條500 kV輸電線路姚雙線（1982年1月13日投運）接地體開挖情況分析，其腐蝕特點如下。

a.圓鋼。圓鋼在土壤中腐蝕發展方式為銹層方式，銹層為層狀、樹皮狀，使圓鋼層狀分離，嚴重時完全連續的銹層大塊大塊脫離圓鋼本體，在清除銹皮后，圓鋼表面可看到個別的或小區域內有麻面和深坑，小孔狀腐蝕坑分布呈點狀彌散分布，形成點蝕或點腐蝕。發現10 mm圓鋼僅剩3 mm粗，一折即斷。

b.接地網。開挖檢查發現接地引下線是銹蝕接地網的銹蝕最嚴重的部位，具體位置為垂直體入土處至水平體彎曲處，如圖1所示。

圖1 嚴重銹蝕部位示意圖

c.接地引下線銹斷。斷裂兩端成針狀，既有剝蝕，又有點蝕。

2 常見接地網防腐措施

2.1 采用鍍鋅法保護接地體

國內目前最常用的常規接地裝置采用熱鍍鋅圓鋼放射線，其導電性較好，其優點是價格低廉，無環保問題。但在鹽漬土地區或使用降阻劑的情況下，其防腐性能較差，即使成倍增大接地體截面積，接地體壽命也不可能成倍增加，主要原因是鋅在鹽漬土內很快會被氯離子腐蝕，且由于鍍鋅層的厚度有限，因此接地體運行的壽命也有限。鋅的耐蝕性不如銅，國外研究表明銅接地極厚度13年腐蝕掉0.000 12 mm，而鍍鋅接地極年腐蝕掉鍍層0.063 5 mm［4］。

2.2 設置非金屬保護層或采用耐蝕非金屬接地體作為接地電極

能夠采用的非金屬接地體材料很多，其中人造石墨電極（接地模塊）應用較廣泛，其具有易加工、價格低等優勢。人造石墨電極導電性好，電阻率較小，一般在7×10-6Ωcm左右，使用壽命長且化學性能穩定，比鋼的腐蝕速率小30倍。但石墨易脆，安裝難度較高。

石墨碳粉末和凝膠體是物理降阻劑主要成分，其改善了接地體與接觸介質的酸堿性，并將土壤的鹽等介質進行隔離，在降阻劑中起凝聚作用的膠體能降低接地體周圍的氧含量，能夠幫助接地體防腐。降阻劑存在緩蝕劑，接地體表面在無機緩蝕劑的作用下，生成一層鈍化膜，而有機緩蝕劑定向排列吸附在金屬表面，能保護金屬，把腐蝕介質與金屬表面分隔開。

此外，還可應用石墨粉和焦炭，使其為保護層。試驗表明，有焦炭粉末層保護的鋼，其腐蝕速率降低90%。

接地模塊在國內目前應用比較廣泛，但由于價格較高，且接地模塊與桿塔引下線及模塊與模塊間連接部分仍需使用大量圓鋼，高腐蝕性鹽漬土區域內線路接地體仍存在大面積腐蝕問題，因此，不推薦采用接地模塊。

2.3 采用鍍銅法對地網進行防護

鋼表面實施多次高溫電鍍銅工藝是從英國引進的BS-F復合接地極，其純度為99.9%電解銅，厚0.25 mm［3］。深埋地下30年能確保不受腐蝕，腐蝕速率小于1 kg／A·a，費用約為2倍銅包鋼接地極棒的價格，圖2為4種接地極年失重平均值比較。

由圖2可以看出，集中材料中鍍銅接地極抗腐蝕性最好。ERICO公司對壽命要求達到40年的地網推薦采用鍍銅0.245 mm的接地極，壽命要求達50年的地網，推薦采用鍍銅0.33 mm的接地極。

2.4 采用耐腐蝕的金屬代替鋼

以美國為代表的西方國家采用銅作為接地體。土壤中銅的腐蝕速率比較低，與鋼相比，銅具有更低的滲透性和更高的導電性。銅能提高接地體壽命1～2倍，但投資卻增加5～6倍，且將導致地下水及土壤污染。原蘇聯曾用不銹鋼作接地體，但不銹鋼在土壤中易產生不可預見的點腐蝕。不銹鋼腐蝕隨土壤中Cl-和SO42-含量的增大而加劇。pH值的增長將增加不銹鋼的腐蝕量，腐蝕量當pH值達到8.5以上將急劇增加。與碳鋼相比，不銹鋼的成本高3倍，鹽漬土地區不建議采用不銹鋼作為接地體。

2.5 采用導電涂料防止地網腐蝕

近年，在實際工程中應用一種用于接地網防腐的納米碳防腐導電涂料［5］。該涂料具有不氧化且導電無方向性的特點，但實際應用時間尚短。在氮氣保護下，烴類氣體與氫氣發生氧化還原反應可得到納米碳。納米碳和微米碳混合物導電性很好。納米碳的粒徑大部分在15 nm左右。與無機—有機聚合物和復合材料相互配合，得出納米碳防腐導電涂料。導電材料的顆粒大?。?00 nm，其表面積和表面能很大，使其有納米材料的共性。納米導電材料幾乎可以和成膜材料在同一數量級的粒子相互滲透，且沒有明顯的界面。電解質的解決方案無法滲透到涂層。在納米碳導電防腐涂料的熱穩定性測試中，平坦的大電流擊穿后的涂層不燒損，但燒結，電阻率降低，納米碳越來越密集。納米碳防腐導電涂料涂層表面的圓鋼塔接地體，可滿足接地電阻要求，能有效保護網絡免受潮濕土壤腐蝕。

圖2 不同材料接地極腐蝕年失重比較

3 接地材料性能分析

目前，國內外除采用銅、鍍銅、鋼、鍍鋅等作為接地材料外，鋼外涂防腐導電涂料也作為接地材料。美國標準局曾研究過銅在土壤中的腐蝕情況。研究表明，銅在表面氧化膜的保護作用下，腐蝕速率呈逐年減小的趨勢，年均腐蝕速率最大為1.05× 10～5 mm／a。通過對比不同接地極的腐蝕速率，在腐蝕速率方面，鋼接和鍍鋅地極明顯大于鍍銅接地極的腐蝕速率，在年失重量方面，鍍鋅接地極約為2倍鍍銅接地極，鋼接地極約為6倍的鍍銅接地極。在濃度為35%的H2SO4和濃度為30%的NaOH中涂防腐導電涂層的接地極腐蝕速率為0，在31%的HCl中腐蝕速率為鍍鋅接地極的0.15倍。

接地電阻計算公式：

式中 R——接地電阻；

ρ——土壤平均電阻率；

L——接地極長度；

α——接地極半徑。

由式（1）可以看出土壤電阻率、接地極長度和半徑均與接地電阻大小有關，接地電阻隨接地極長度縮短而減小，隨半徑減小而增大，隨土壤電阻率升高而升高。由于《電力設備接地設計技術規程》明確規定，接地電阻一般不超過0.5 Ω。因為土壤的電阻率比銅、鐵、導電涂料及其他材料高很多，因此接地電阻與接地極電阻率基本無關。

表1 幾種材料的電阻率

表1為幾種材料的電阻率。其中導電防腐涂料的電阻率約為鋼的近百倍，土壤的電阻率約為導電涂料的106倍，銅的電阻率最低，鋼其次。

接地極滿足接地體接地電阻要求的時間決定使用壽命。土壤不變，接地極長度和半徑決定接地極電阻值。地網設計好后，接地極半徑受腐蝕速率影響，接地網腐蝕半徑減小，接地電阻增大。當電阻增大到一定值時，接地網將不能滿足要求。因此，接地極腐蝕速率越小其使用壽命越長。表2為各種材料接地體腐蝕速率與使用壽命對比。

表2 同材料腐蝕速率與使用壽命對比

4 接地材料經濟性分析

因材料不同接地體成本不同。在圓鋼表面涂納米碳導電防腐涂料，涂料的用量為接地鋼材用量的1.2%～1.4%，涂料價格約為6 000元／t。銅作為接地材料其成本較高。國外發達國家則采用鋼接地構件鍍銅的方法降低材料成本。然而鍍銅作接地體仍然高于鍍鋅的成本。鍍銅作為接地體成本約為鍍鋅接地體成本的2倍。但對接地極性能分析，在鹽漬土環境下，鍍銅接地極壽命遠高于鍍鋅接地極的壽命。綜合考慮，選擇鍍銅接地極或在鋼表面涂防腐涂料作為接地極具有最優性價比。

隨著接地體防腐材料及工藝的提高，熱鍍鋅鋼＋納米碳防腐導電涂料接地體逐漸被廣泛應用，該涂料屬聯合保護地網方式，具有“1＋1＞2”的效果。該涂料接地網在一般環境土壤中能使用約50年，且導電性好，其價格比圓鋼表面直接涂納米碳導電防腐涂料略貴。隨著實際應用越來越多，價格將逐步降低，因此，位于鹽漬土區域內的線路接地體可采用熱鍍鋅鋼＋納米碳防腐導電涂料接地形式。

5 結束語

為解決鹽漬土區域桿塔接地裝置腐蝕損壞較快問題，可采用鍍銅圓鋼作為接地體或在鍍鋅圓鋼表面涂刷一層納米碳導電防腐涂料，起到防腐和導電雙重效果，壽命可延長1倍以上。

［1］ 朱 鈺，王 飛，張立軍.遼寧地區雷電活動與輸電線路雷害故障特點［J］.東北電力技術，2012，33（8）：35-42.

［2］ 王小蕾.新疆鹽漬土易溶鹽試驗的準確性控制探討［J］.交通標準化，2013，38（7）：45-47.

［3］ 王 飛，朱義東，張忠瑞，等.遼寧地區500 kV輸電線路雷害風險分級研究［J］.東北電力技術，2013，34（6）：20-22.

［4］ 王東燁，王 勇，譚立佐.鍍銅接地網與鋼、銅接地網技術經濟比較［J］.東北電力技術，2011，32（1）：39-41.

［5］ 閆風潔，李辛庚.電力接地網腐蝕與防護技術的進展［J］.山東電力技術，2007，33（1）：9-13.

Corrosion Analysis of High?voltage Transmission Line Tower Grounding Device in Saline Soil Area

SHEN Xue?de1，CHENG Ke?na1，LIANG Yong?dong2
（1.The maintenance Branch of Liaoning Electric Power Company Limited，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Northeast Electric Power Design Institute，Changchun，Jilin 130021，China）

The paper introduces the characteristics of corrosion，analyzes corrosion problem of tower grounding device of high?voltage transmission line from the effect of saline soil area，which is widely existed in China.In economic and technology matters the paper is compared to prevent corruption of buried metal mesh in recent years according to the current of high?voltage transmission line grounding requirements.Effective and feasible measures to protecting the grounding device are proposed.The purpose of this paper is to provide reference for power high?voltage transmission line tower grounding engineering in the saline soil area.

Saline soil；Transmission line；Grounding；Corrosion

TM75；TM862

A

1004-7913（2015）06-0020-04

申學德（1980—），男，學士，助工，從事500 kV輸電線路運維檢修管理工作。

2015-03-20）