基于電化學在接地網接地改造中應用

方夢鴿，扈海澤，袁雪瓊，趙　軍 ，付　超，宋雅楠，敬亮兵，黃加銳

(1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，長沙　410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底　417000；3. 湖南省長沙信長電力科技有限公司,長沙　410000)

基于電化學在接地網接地改造中應用

方夢鴿1，扈海澤1，袁雪瓊1，趙軍1，付超1，宋雅楠1，敬亮兵2，黃加銳3

(1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，長沙410000；2. 湖南省電力公司 婁底供電局，湖南 婁底417000；3. 湖南省長沙信長電力科技有限公司,長沙410000)

摘要：通過某變電站接地網腐蝕嚴重這一現狀分析其腐蝕原因，從電化學的角度分期其腐蝕原理，并針對電化學腐蝕原理提出利用電化學原理采用陽極保護法的原則，并提出在各種土壤環境下選取不同的陽極材質進行保護，并提出一般采用較組成變電站接地網扁鋼更為活潑的金屬與接地網連接，形成無源電路模型，利用犧牲陽極的方法來保護陰極的接地網，最后從電化學的角度得到非常實用的變電站接地網防腐蝕方案。

關鍵詞：接地網；腐蝕；電化學；陽極保護法；無源電路

一般接地網都在變電站建設之前開挖鋪設，變電站開始投運后要一直運行，時間可能長達幾十年。隨著經濟發展越來越迅速，導致環境污染加重，進而導致雨水PH值越來越小。對于變電站接地網來說，雨水也會慢慢對接地網的接地體進行腐蝕，一旦接地網的接地體發生腐蝕，接地網的接地電阻將增大[1-3]。隨著運行時間的增長，接地網接地電阻越來越大，對于變電站來說一旦發生雷擊變電站或者變電站進線發生雷電繞擊事故，高雷電流很難迅速地通過接地網泄入大地，將發生各種反擊和觸電事故，嚴重威脅變電站設備絕緣和變電站工作人員的人生安全，所以對于接地網的接地體腐蝕防護至關重要。

1變電站概述及接地網腐蝕現狀

某變電站地處沿海地區，處于一座小山坡上，土壤含鹽(主要是NaCl)量非高，常年受海風吹洗，海水會隨著海風進入變電站土壤中，而且平均降雨量比較多，土壤的導電能力比較強。在調研中還發生部分桿塔的接地體露出地表，接地體已經腐蝕嚴重，說明此地變電站土壤的對于鋼鐵的腐蝕程度很大。

通過對接地網進行開挖，發現部分接地體扁鋼腐蝕嚴重，有些甚至發生腐蝕斷裂情況，基本上都不能滿足接地網的要求。很多接地體需要重新鋪設，還有很多接地體腐蝕稍微輕些，都需要進行防腐蝕的保護，不然很容易發生更嚴重的腐蝕。

2接地網腐蝕的原因分析

根據電力規范及一般經驗，變電站接地網建設時一般采用扁鋼或者鍍銅扁鋼，但是在使用過程中有可能會損壞，以至于鍍層保護不再起作用。接地網深埋的環境錯綜復雜，一般含有各種無機物、有機物、酸、堿、鹽、水等物質，同時這些物質中存在空隙，進而存在空氣。這些錯綜復雜的環境形成一個電解環境，是一個天然的大地電解池[4]。在形成電解池的電路中有兩種類別，一種是有源電解，一種是無源電解[5-6]。所謂的有源電解是外加電源給陰極和陽極組成的電路供電，強加電源就相當于強制電解質的陰陽極。而無源電解電路就相反，是電解質通過自然連接，并且陰陽極是根據電化學理論自然形成。腐蝕性因素分析如表1所示。

表1　腐蝕性因素分析

由于接地體一般為鋼材質，主要成分為鐵(Fe)和碳(C)，根據電化學理論，在形成電解電路時活潑金屬為陽極，不活潑的為負極。中間由于土壤中存在鹽和水等物質，可以形成天然的連接，基本形成的電解電路如圖1所示。

圖1　無源電解電路

由于組成電解電路，中間有鹽和水等物質構成電離的離子通道，則在陰極和陽極都會發生電離反應，至于具體反應分為以下幾種情況。

當接地體所處的環境為酸性土壤時：

Fe→Fe2++2e

(陽極)

2H+-2e→H2↑

(陰極)

當接地體所處的環境為中性或者為堿性土壤時：

Fe→Fe2++2e

(陽極)

O2+2H2O+4e→4OH-

(陰極)

3腐蝕產生的影響

接地體腐蝕導致直接的危害就是接地體的接地電阻變大，接地電阻的變大主要影響到雷電流入地時的泄流速度和接地網上的地電位。

假設人的腳用一半徑為r的圓表示，設圓的半徑為0.08 m，并設兩腳之間的距離為L，土壤電阻率為ρ，那么兩腳之間的接觸電阻RO為：

(1)

經過計算得到：

(2)

當人員走在地面上時，從電路的角度來講，人的兩腳和土壤間的接觸電阻以及人身體的電阻Rb是串聯的[7]。跨步電壓電路圖如圖2所示。

圖2　跨步電壓電路圖

此時人體兩腳間受到是這些電阻總共的電壓降，這個電壓降即為跨步電壓Uk：

(3)

當人員站立在地面上，同時人的手接觸到金屬設備的外殼時人的電阻和土壤電阻時并聯形式。接觸電壓電路圖如圖3所示。

圖3　接觸電壓電路圖

因此兩腳之間的電壓為兩電阻并聯后的電壓，這個電壓既是接觸電壓Uj：

(4)

一般根據電力設計經驗，取值土壤電阻率為100 Ω·m，人體電阻Rb=1 500 Ω，則把數據代入上兩個式子，得出：Uk=0.714Ek，Uj=0.909Ej。計算結果可知，跨步電壓的大小達到了地電位的71.4%，由于接地電阻的過大，導致地電位較高，進而使得跨步電壓很大。跨步電壓很大不僅容易造成地電位對于變電站設備的反擊[8]，而且當發生雷電流入侵變電站的事故時，對于工作于變電站的工作人員來說，會形成很大的跨步電壓和接觸電壓，導致觸電事故。

4防腐蝕的改造措施

在一般的接地腐蝕改造措施中，大家采用對接地網的接地扁鋼鋪設防腐劑，防腐劑的成分包含各種各樣的化學成分。雖然現在市場上對于防腐劑的加工更加環保，但是由于其主要原理還是利用化學知識的相互反應而保護接地體，反應形成的生成物又是化學劑融合在土壤中，會對環境造成很大的污染。而且防腐劑有時候不適合一些土壤環境，并且防腐劑有效期短，對于重新鋪設不方便，達不到長久有效期。

因為接地網的腐蝕主要是由于形成了電解電路，發生了電化學反應。因此，在改造措施的設計時優先以電化學的知識來設計保護，根據電化學的腐蝕機理，一般都是陽極腐蝕，所以只要把接地網的扁鋼換成陰極，就會對接地網起到很好的保護作用。由于一般是活潑金屬作為陽極，所以在接地網形成的電解電路中加入比Fe活潑的金屬作為電解電路的陽極，如Zn、Mg、Al等相對于Fe的活潑金屬，人為地控制電解電路的陰陽極，在這里采用無源法電解電路，因為可以自然形成電解電路，不需要外界提供電源，不僅能達到效果而且能達到節能的要求。

在設計陽極的材料選型時，必須首先利用四季法對接地網的土壤電阻率進行測量根據土壤電阻率的大小選擇材料。

土壤電阻率的大小與采用陽極的材質選取關系如表2所示。

表2　土壤電阻率與材質選擇

由表2可知，當變電站接地網的土壤電阻率在20 Ω·m及以內，則可以采用Zn及Zn的合金作為電解電路的陽極接地體(見圖4)；當電阻率為20～100 Ω·m以內，則采用Mg及Mg的合金作為電解電路的陽極接地體(見圖5)；當電阻率在100 Ω·m及以上的則采用Mg合金，如果特殊環境的則應該采用有源電路(見圖6)，外接電源，認為的定性接地體的扁鋼為陰極，起到保護陰極扁鋼接地體的目的[2-4]。

圖4　Zn作為陽極電路

圖5　Mg作為陽極電路

圖6　有源電路

選擇電解電路陽極材質后，需要把電解陽極與接地網相連接，形成一個電解電路的回路通道，才能發生電解池反應。在設計陽極鋪設職位選擇時，考慮到如果電解電路的陽極腐蝕已經很嚴重的情況下，一般是幾年或者十幾年，需要及時更換電解陽極，進而對陰極的接地網進行完好的保護。所以，在鋪設位置選擇時必須選擇在接地網不遠處的空地，方便及時開挖進行更換。一般根據經驗選擇接地網的四個角進行鋪設，并且用導線把四個陽極相互聯系起來作為一個陽極，具體分布如圖7所示。

圖7　無源陽極鋪設

5結語

通過分析變電站接地網腐蝕這一現象以及通過對相關知識的理解及應用，得到以下結論。

(1)由于土壤環境原因，變電站接地網很容易發生電化學腐蝕。

(2)電化學腐蝕主要是因為接地網的扁鋼作為電解電路的陽極而發生氧化反應

(3)外加活潑金屬能夠強制接地網為陰極，活潑金屬為陽極，以活潑金屬的腐蝕為代價而保護接地網的扁鋼。

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(本文編輯：趙艷粉)

Based on Electrochemical Applied in Ground Net.Through Grounding Modification

FANG Meng-ge1，HU Hai-ze1，YUAN Xue-qiong1，ZHAO Jun1，FU Chao1，SONG Ya-nan1，JING Liang-bing2，HUANG Jia-rui3

(1. School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000, China;2. Electric power company in hunan province loudi power supply bureau，Loudi 417000，China;3. Hunan changsha Xinchang electricity technology, Changsha 410000，China)

Abstract:The article the author through the substation ground network this serious corrosion by analyzing the corrosion reasons, from the Angle of the electrochemical staging its corrosion principle, using the electrochemical principle are put forward based on electrochemical corrosion principle based on the principle of anode protection law, and puts forward the selection of different anode material under various soil environment protection, and put forward the general use of a substation grounding network flat more active metal and grounding network connection, form the passive circuit model, the method of using sacrificial anode to protect cathode grounding network, and finally from the point of view of electrochemical very practical substation ground network anticorrosion scheme.

Key words:grounding network; corrosion; electrochemistry; anodic protection; the passive circuit

DOI：10.11973/dlyny201601027

作者簡介：方夢鴿(1995)，女，從事高電壓防雷技術研究。

中圖分類號：TM86

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-11-09