變電站土壤類型特點及理化性質(zhì)分析

侯世春，李國興

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

變電站接地網(wǎng)是保證電力設(shè)備和人身安全的必要措施，接地網(wǎng)將電力系統(tǒng)的點與大地相連，提供故障電流及雷電流的泄放通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參點。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，接地短路電流不斷增大，對接地網(wǎng)的安全可靠性要求也越來越高。構(gòu)成接地網(wǎng)的導(dǎo)體埋于地下，導(dǎo)體常因施工時焊接不良或土壤腐蝕等原因，使接地網(wǎng)接地不良，接地電阻增高，接地性能變壞；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對地短路故障時，可能造成接地電位不均勻或異常，不但嚴(yán)重危害運行人員安全，還可能破壞變電站二次設(shè)備的絕緣，引起檢測或控制裝置拒動或誤動，從而引發(fā)較大的事故[1]。 因此，必須保證接地網(wǎng)在運行周期內(nèi)的完好性。

影響接地網(wǎng)腐蝕的因素有很多,其中土壤的腐蝕是最關(guān)鍵的因素,而土壤的物理化學(xué)性質(zhì)決定了其腐蝕特性[2]。黑龍江省電網(wǎng)變電站分布于全省大部分區(qū)域，各地區(qū)的土壤由于形成條件不同，土壤性質(zhì)有很大差異；即使是同一地區(qū)的土壤，由于地形地貌和區(qū)域人類活動的不同，土壤性質(zhì)也會不同，因此本文對黑龍江省各地市區(qū)域內(nèi)37個變電站土樣和20個非變電站土樣進行了采集，分析了黑龍江省內(nèi)各地區(qū)的土壤類型特點和性質(zhì)，得到了土壤理化性質(zhì)對接地網(wǎng)腐蝕的影響因素和作用機理，為新建變電站的勘測設(shè)計、運行變電站接地網(wǎng)的腐蝕監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)。

1 土壤類型及分布

黑龍江省位于我國東北部，北、東部與俄羅斯為界，西部與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，南部與吉林省接壤，主要由山地、丘陵、平原和江河構(gòu)成，全省土地總面積47.3萬km2(含加格達奇和松嶺區(qū))。依據(jù)土壤的成土過程，黑龍江省土壤主要分為8類，包括暗棕壤、白漿土、黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土和泥炭土、鹽堿土和沙土。

1.1 暗棕壤

暗棕壤的地形為丘陵漫崗，在林木下發(fā)育的土壤，有一定粘化，氧化鐵在淀積層有積累，使土呈棕色、紅棕色或黃棕色。暗棕壤是黑龍江省山區(qū)分布最廣、面積最大的一類土壤，在小興安嶺和東北山地，張廣才嶺、完達山、大興安嶺東坡也有大面積分布。類型包括暗中草甸、白漿化、原始、殘余碳酸鹽暗棕壤4個亞類。

1.2 白漿土

白漿土質(zhì)地粘重，有明顯的腐殖質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層，而白漿層有明顯的片狀結(jié)構(gòu)。

白漿土主要分布在黑龍江省東部和北部氣候較濕潤的地方，如佳木斯、牡丹江、哈爾濱東部等地區(qū)，在齊齊哈爾、大慶、大興安嶺沒有分布。

1.3 黑土

分布地形為起伏漫崗，草原草甸植被，腐殖質(zhì)層較厚，土體中有鐵錳結(jié)核。

黑土主要分布在黑龍江省和吉林中部，集中在松嫩平原的東北部，小興安嶺和長白山波狀起伏臺地和漫崗地，北起嫩江、北安，沿濱北線到公主嶺一帶和三江平原，集賢、富錦、寶清及佳木斯一帶也有分布。

1.4 黑鈣土

草甸草原或草原植被下發(fā)育的土壤，土體中有石灰反應(yīng)，有石灰家菌絲體石灰結(jié)核的鈣積層，無明顯的鹽分聚積層。

黑鈣土主要分布在呼蘭河以西、蘭西、青岡、明水、安達、肇東、肇洲、杜蒙、齊市、龍江、甘南、富裕、林甸、依安。

1.5 草甸土

草甸土是在地形低平、地下水位較高、土壤水分較多、草甸植被生長繁茂的條件下發(fā)育形成的非地帶性土壤，土中腐殖質(zhì)層較厚，腐殖質(zhì)含量高，粒狀結(jié)構(gòu)明顯，土體中可見到銹斑或灰藍色的潛育斑，主要分布在三江和松嫩平原排水不暢的低平原地區(qū)。

1.6 沼澤土和泥炭土

沼澤土和泥炭土是在濕地積水生長沼澤植物的地方發(fā)育起來的，土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)含量大，持水性高，主要集中在三江平原及穆棱河、興凱湖低地、大小興安嶺、完達山及其山谷。

1.7 鹽滯土

黑龍江省鹽滯土為內(nèi)陸型鹽滯土，包括鹽土和堿土，為土壤潛水升高、地表水強烈蒸發(fā)、土層結(jié)凍等過程形成了土壤積鹽。

鹽滯土主要分布在松嫩平原的林甸、齊市、泰康、富裕、安達、青岡、明水、蘭西、三肇及大慶東部，三江平原的集賢、寶清、友誼、富錦一帶也有零星分布。

1.8 沙土

沙土是在河湖漫灘、沖積平地、砂丘砂崗、風(fēng)蝕洼地發(fā)育起來的，土壤沙性大、有機質(zhì)含量低，土體多呈黃色。主要分布在江河兩岸，在富裕縣至齊齊哈爾市區(qū)一線以南的廣闊沖積風(fēng)積平原分布最為集中。

2 黑龍江省變電站土壤類型特點及理化性質(zhì)分析

截至2017年12月，黑龍江電網(wǎng)35 kV及以上變電站共有880多座，并網(wǎng)運行的火電廠、水電廠和風(fēng)電廠共有210多座，為黑龍江省的社會、經(jīng)濟發(fā)展提供清潔、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電力能源。由于變電站遍布于各個區(qū)域，其中包括人跡罕至的風(fēng)電廠，因此變電站的土壤類型和性質(zhì)反映了整體土壤狀況。

本文分區(qū)域采集了37個變電站土樣和20個非變電站土樣，對土壤的理化性質(zhì)進行分析。變電站在建設(shè)期間，由于土建工程的施工，需要對變電站內(nèi)部分土壤進行挖除和回填，從而改變了這部分土壤的組成和性質(zhì)，因此采樣時應(yīng)避開這部分土壤；變電站接地網(wǎng)的埋設(shè)深度通常為0.8～1.0 m，因此土壤樣品采集深度也為0.8～1.0 m，以代表接地網(wǎng)埋設(shè)處的土壤性質(zhì)。

采集土壤樣品時，觀察0.8～1.0 m深度土壤的外觀，手握土壤初步判斷土壤質(zhì)地；采集土壤樣品時，現(xiàn)場測定土壤的溫度、容重、孔隙度、含水量、電阻率；取土樣2.0 kg，實驗室內(nèi)檢測土壤的化學(xué)性質(zhì)，如表1所示。

表1 土壤的物理化學(xué)性質(zhì)分析

續(xù)表

土壤樣品采集深度土層的溫度在6—8月間通常在14.5～23.0℃范圍內(nèi)；各類土壤的容重和總孔隙率沒有明顯的規(guī)律性，主要由土壤的形成過程有關(guān)，通常容重大的土壤，其孔隙率則較低，土壤越致密，孔隙度越小。砂質(zhì)土壤的孔隙度大于粘土、粘壤土；泥炭土的容重最小，而含水量和總孔隙度最大，電阻率通常較小；土壤的砂石含量高時，容重會較大，含水量降低，其電阻率會增高。

土壤取樣層的pH值，暗棕壤的pH值通常為5.8～7.1，呈弱酸性或中性；白漿土、黑土和泥炭土的pH值為5.8～6.9，呈弱酸性；黑鈣土、鹽滯土和鹽化草甸土、沼澤土的pH值通常大于8.0，呈弱堿性或堿性。

對于鹽滯土和鹽化草甸土、沼澤土，含有較多的可溶性鹽，Cl-和SO42-含量較高。由于土壤取樣層的深度為0.8～1.0 m，受地表因素影響小，因此其有機質(zhì)含量通常小于1.0%，較低；但對于泥炭土，由于泥炭層較深，因此有機質(zhì)含量大，通常大于20%。

土壤的電阻率與土質(zhì)有密切的關(guān)系，土壤含沙量大時，電阻率增高；土壤電阻率受土壤的含水量、孔隙度、溫度等因素影響，同一土壤，含水量大、孔隙度小、溫度升高(0 ℃以上)時，電阻率降低，反之增大。

3 土壤理化性質(zhì)對接地網(wǎng)腐蝕的影響

土壤是由固、液、氣三相組成的膠質(zhì)體，土壤顆粒間充滿空氣、水分和各種鹽類等物質(zhì)，使其成為電解質(zhì)，因此接地材料在土壤環(huán)境中的腐蝕不同于大氣、水的腐蝕，除了受接地材料本身的影響外，更多的是受土壤理化性質(zhì)的影響。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5394—2007《電力工程導(dǎo)則》中提出了土壤腐蝕性的評價方法，其中土壤電阻率和pH值是常用評價因素，如表2所示。

表2 土壤電阻率、pH值與土壤腐蝕性

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，黑龍江省大部分變電站土壤的電阻率在20～50 Ω·m，屬中腐蝕性土壤；所有采集的土壤樣品的pH值均大于5.8，屬弱、中腐蝕性土壤。

土壤電阻率與土壤的質(zhì)地結(jié)構(gòu)、水分含量、pH值、各種可溶性鹽的性質(zhì)和含量等多種因素有關(guān)，是土壤中多種性質(zhì)的綜合表征。土壤土質(zhì)導(dǎo)電性強、水分和可溶性鹽含量大時，土壤的電阻率小，腐蝕強。由于有些變電站接地網(wǎng)是回填土，因此不能簡單通過土壤電阻率進行土壤腐蝕性判斷，應(yīng)結(jié)合pH值和氧化還原電位綜合進行評價[3]。

鐵的氧化物易溶于酸而不易溶于堿，在酸中它很容易被腐蝕(尤其是非氧化性酸中)，pH值的降低會使鐵的表面氧化膜的溶解度增加，因而腐蝕速度會加快。然而在堿性溶液中，由于Fe(OH)2不溶于水，因此鐵的腐蝕速度較慢，即抑制了鐵的腐蝕[4]。因此土壤的pH值越低，酸性越強，腐蝕性就越強。

除了酸性很強的土壤外，鋼鐵在土壤中的腐蝕主要是氧的腐蝕[6-7]，因此土壤中的含氧量對鋼鐵的腐蝕有很大的影響。由于土壤中的氧主要有兩種存在方式，一種存在于土壤的毛細(xì)管和縫隙中，另一種溶解在水中，因此土壤中的含氧量與土壤結(jié)構(gòu)和含水量有密切關(guān)系。表層土壤較疏松，孔隙度大，含氧量高，氧腐蝕性強，這就是接地引下線通常腐蝕很嚴(yán)重的原因。在接地網(wǎng)施工完成后，應(yīng)分層回填土壤，并逐層夯實，以減小土壤的孔隙度和含氧量。

土壤的電阻率隨含水量的增大而減小[8]，在一個相當(dāng)大的范圍內(nèi)，土壤含水量增大，氧的溶解量和擴散速率增大，金屬離子化速度增大，金屬在土壤中的腐蝕速率增大，但含水量太大，達到過飽和時，由于水填充了土壤的空隙，影響了氧的溶解和擴散，使氧擴散困難，這時盡管電阻率降低，金屬在土壤中的腐蝕速度也不會隨之增大。

綜上所述，由于土壤結(jié)構(gòu)、組成和理化性質(zhì)的復(fù)雜性，使土壤對接地網(wǎng)的腐蝕特性也很難評定，應(yīng)結(jié)合接地網(wǎng)在土壤環(huán)境中的各種因素進行綜合判斷，才能得到科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié)論

黑龍江省變電站分布于省內(nèi)各地市區(qū)域內(nèi)，變電站土壤的類型和理化性質(zhì)具有很強的區(qū)域特征，并對接地網(wǎng)的腐蝕產(chǎn)生很大影響。通過對土壤的理化性質(zhì)分析，可以得到如下結(jié)論。

a.各類土壤的容重和總孔隙率沒有明顯的規(guī)律性，主要由土壤的形成過程有關(guān)，通常容重大的土壤，其孔隙率則較低，即土壤越致密，孔隙度越小。砂質(zhì)土壤的孔隙度大于粘土、粘壤土；泥炭土的容重最小，而含水量和總孔隙度最大，電阻率通常較小；土壤的砂石含量高時，容重會較大，含水量降低，其電阻率會增高。

b.土壤取樣層的pH值，暗棕壤的pH值通常為5.8～7.1，呈弱酸性或中性；白漿土、黑土和泥炭土的pH值為5.8～6.9，呈弱酸性；黑鈣土、鹽滯土和鹽化草甸土、沼澤土的pH值通常大于8.0，呈弱堿性或堿性。

d.土壤的電阻率與土質(zhì)有密切的關(guān)系，土壤含沙量大時，電阻率增高；土壤電阻率受土壤的含水量、孔隙度、溫度等因素影響，同一土壤含水量大，孔隙度小，溫度升高(0 ℃以上)時，電阻率降低，反之增大。