風電場接地鍍鋅扁鋼腐蝕性研究

孫逢楠 隋國蜀

摘要：近年來，風力發電高速發展，全國開發建設規模不斷擴大，接地系統作為風電場設計的核心內容，是電網和電氣設備安全運行的重要保證，要充分發揮其接地保護作用，接地材料的選型尤為關鍵。本文針對某風電場場地土對鋼結構具有中腐蝕性的地質特點，進行接地材料選型研究，通過技術與經濟比較，最終確定接地材料及規格型號。

關鍵詞：接地材料;耐蝕性評價;腐蝕速率。

風電場接地對電力系統和電氣設備的安全及可靠運行，對操作、維護、運行人員的人身安全，都起著很大的作用。設計中須根據風電場電站具體情況，依據有關規程規范的要求，精心地進行差異化設計。

接地系統根據電站當前和遠景最大運行方式下，最大接地故障不對稱電流有效值，確定電站接地網的接地電阻，并對接觸電位差、跨步電位差、及接地導體的熱穩定進行校驗。近年來不少風電場由于接地電阻未達到要求，地網腐蝕和斷裂等引起事故，導致系統停運，設備損壞，造成一定的經濟損失。

本文針對土壤腐蝕性對熱穩定的影響進行研究。

一、接地材料及形式

人工接地裝置材料，水平敷設時可采用熱鍍鋅圓鋼和扁鋼，垂直敷設時可采用熱鍍鋅角鋼、鋼管或圓鋼。腐蝕較重地區可采用銅或銅覆鋼材、碳鋼加陰極保護等防腐措施。

電站中的地網建設一直受到建設方的重視，由于接地施工是隱蔽工程，施工空間有限，接地體的布置及焊接受到各種限制，因此施工質量問題一直是接地工程的短板。目前國內常用接地材料是鍍鋅扁鋼和鍍銅圓鋼。鍍銅圓鋼相對于鍍鋅扁鋼，價格較高、施工工藝嚴格，電站建設期間，一般不受建設方的喜愛。但由于鍍鋅扁鋼易腐蝕的特性，對于具有中等腐蝕或強腐蝕的地區，就需要進行具體核算，以滿足電站運行30年的設計要求。

接地導體腐蝕發生在導體表面與土壤介質之間，電站接地體在土壤中的腐蝕，主要是電化學腐蝕。

二、腐蝕評價

電力系統中接地材料防腐措施的確定，除應考慮接地網在電力系統中的重要性外，還應考慮環境腐蝕因素、技術經濟因素、環境保護因素和材料因素等。土壤腐蝕性應采用檢測金屬材料在土壤中的腐蝕電流密度和平均腐蝕速率判定，碳鋼平均腐蝕速率與土壤腐蝕性的關系見表1。

工程實際中，根據巖土工程勘測報告，確定場地土對鋼結構腐蝕性的結論，由表1估算碳鋼對應的平均腐蝕速率，該估算可近似為失重法評測的接地網腐蝕性，在此基礎上，再用厚度法評測接地網的腐蝕性，評價指標符合表2的規定。

采用厚度法評價接地材料耐蝕性后，再按照電站30年的設計壽命進行接地保護計算，假定平均土壤腐蝕速率不變，校驗30年后接地導體的最小截面是否滿足短路電流的熱穩定要求。

三、工程實例應用分析

本文以某100MW風電項目為例進行分析。其升壓站巖土工程勘測報告中，視電阻率的試驗指標值為20.12～23.61Ω·m，根據國標規范，綜合評價為關于場地土對鋼結構的腐蝕性為中等腐蝕性。根據表1中碳鋼平均腐蝕速率與土壤腐蝕性關系，平均腐蝕速率取為7 g/（dm2·a）。

厚度法的計算方法見式1：

（式1）

式中，Kh——厚度法腐蝕速率，mm/a;K——失重法腐蝕速率，g/（m2·h）;d——金屬的密度，103kg/m3。

將表1中的平均腐蝕速率等值變換后，K值取為0.0799 g/（m2·h），鋼的金屬密度為7.85×103kg/m3，厚度法計算得到腐蝕速率為0.0892 mm/a，根據表2厚度法耐蝕性評價，該土壤腐蝕率條件下，鋼材的耐蝕性為良。按照30年內平均土壤腐蝕速率不變的假定，鋼材30年的腐蝕厚度約為2.675mm。

該風電項目升壓站設計水平年系統最大運行方式下，流過接地導體的最大接地故障不對稱電流有效值為16.319kA，為滿足接地導體的熱穩定校驗，30年后鍍鋅扁鋼的最小截面為164.8mm2。考慮到目前的鍍鋅工藝及現場土壤中沙石較多等因素，本工程主要考慮扁鋼的腐蝕速率，鍍鋅層可作為裕量以應對全廠土壤電阻率的不均勻性。當選用60×10鍍鋅扁鋼時，30年后扁鋼的截面積約為254 mm2，滿足熱穩定校驗。

用同樣的計算方法，可以對各種土壤腐蝕條件下的扁鋼截面進行校驗。

經計算與調研鍍銅圓鋼廠家，該風電項目如使用鍍銅圓鋼作為水平接地體，其外徑可取16mm或17.5mm，由于銅在大氣中易氧化，產生一層保護膜，致密性好，穩定性強，耐蝕性高，適用于中強腐蝕性的地質條件。

下面對本項目鍍鋅扁鋼和鍍銅圓鋼接地材料選型進行經濟性和性能比較。

目前市場鋼材價格約為4000元/噸，該項目共計使用水平接地體鍍鋅扁鋼4000米，約合18.84噸，鍍鋅扁鋼材料價格為7.5萬元。經咨詢鍍銅圓鋼廠家，目前市場價格約為35～40元/米，則本項目的接地材料造價約為15萬元，是鍍鋅扁鋼價格的兩倍。從施工工藝來看，鍍鋅扁鋼的焊接比鍍銅圓鋼的放熱熔接要簡單，施工質量相對容易保證，受布置和現場條件的影響較小。從材質來看，銅是稀缺的有色金屬，屬于戰略性資源，且對周圍環境容易造成污染。

四、結束語

本文以具體工程為例，對風電場中接地材料的選型及規格進行計算，在場地土對鋼結構為中等腐蝕性條件下，對鍍鋅扁鋼和鍍銅圓鋼的技術經濟性進行比較論證，確定了該項目使用鍍鋅扁鋼具有更大的綜合優勢，達到了建設方的期望。本文所使用的計算方法和論證，具有一定的推廣價值，可借鑒用于電力系統的接地腐蝕性計算。

參考文獻

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[2] 《接地材料的技術經濟比較研究》（羅繼鋒-電力技術-2014（9））.

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