發電廠、變電站銅材接地網使用中需注意的問題

劉亮

（中國電建核電工程有限公司，濟南250000）

1 引言

接地網的設計和施工在發電廠、變電站的運行使用中占有十分重要的地位。對于人工接地體材料的選用，在一般情況下，普遍采用的是鋼材；而在土壤腐蝕性較高的場合，如在沿海地區、鹽堿地以及其他地區，目前的趨勢更傾向于采用銅材作為人工接地體的材料【1】。

2 問題的出現

在使用銅材作為人工接地材料的電廠、變電站的電氣工程項目，經過一段時間的運行，有不少工程反映，接地網附近混凝土內的鋼筋和鋼構架，都出現了不同程度的腐蝕，有些情況較嚴重；另外，接地網附近的循環水、消防水及生活水等地下管道也存在不同程度的腐蝕現象。此類腐蝕現象的出現必然對電氣工程項目的運行造成安全隱患。

3 有關規范對接地網的規定和描述

在此，我們簡要摘錄一下有關規范對接地網及材料的規定或描述。

3.1 IEEE80—2000《交流變電站安全指南》中有關的規定和描述

第9.6章節“應該用足夠載流量和機械強度的導體連接到下列物體，包括所有接地電極、接地井以及一些可連接的地方、金屬、水或氣管道”。

第11.2.1章節“銅是常用的接地材料。銅導體除了具備高的導電性能外，在防止地下大多數腐蝕的問題上，也有其優越性”。

第11.2.5章節“銅質或鍍銅鋼制地網會跟埋地的鋼結構、管道形成原電池，這種原電池會加速后著的腐蝕”。

3.2 GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》中有關的規定和描述

第4.1.1章節“可利用下列接地級，包括以下幾方面：

1）埋設在地下的金屬管道，但不包括有可燃或有爆炸物質的管道；

2）金屬井管；

3）與大地有可靠連接的建筑物的金屬結構；

4）水工構筑物及其他坐落于水或潮濕環境的構筑物的金屬管、樁、基礎層鋼筋網”。

3.3 歸納上述2本規范的要點

相同點：都提到了可利用地下的金屬管網及建筑物構架等作為自然接地體。

不同點：IEEE80—2000《交流變電站安全指南》中提到了采用銅材作為主接地網材料后，會和埋地的鐵制金屬形成原電池（鐵銅原電池），加速鐵制金屬的腐蝕。

4 問題的探索

4.1 簡要回顧基礎化學公開試驗課——鋅銅原電池反應

為了探索當采用銅材作為主接地網的材料后，地下鐵制金屬加速腐蝕的原因，首先我們回顧一下基礎化學公開試驗課——鋅銅原電池反應，參見圖1。

圖1 鋅銅原電池反應模型

圖1中，所用實驗儀器及用品為：燒杯、鋅棒、銅棒、電流計、導線、小刀開關K、硫酸溶液、LED低電壓型燈、絕緣插座（用于固定鋅棒、銅棒）。

實驗操作過程：用絕緣插座將鋅棒、銅棒分別固定在空燒杯的底部，然后倒入硫酸溶液，使鋅棒和銅棒充分浸泡在硫酸溶液中，再用導線、小刀開關K、電流表及LED燈把鋅棒和銅棒連接起來。當小刀開關K接通后可以看到，電流表的指針發生偏轉，LED點亮，表明鋅棒和銅棒間有電流產生，同時銅棒周圍有氫氣逸出。

實驗結論：鋅銅2種金屬在硫酸中發生了原電池反應，鋅被氧化腐蝕。

對于圖1——鋅銅原電池反應的模型，為方便問題的闡述，可以分成2個部分，

液體中的部分：液體中的鋅棒和銅棒，通過電解質硫酸作為媒介，產生了電子的轉移，發生了化學反應，并且在鋅棒和銅棒之間建立了電壓，同時鋅棒被氧化腐蝕。液體中主要發生的是化學反應。

液體上的部分：當小刀開關閉合時，電流表中有電流流過，電流表針發生了偏轉，同時LED被點亮，此部分是電學中最基本的電氣回路。

可見，鋅銅原電池反應，同時發生了化學反應和電學現象，因此，鋅銅原電池反應也常稱為鋅銅電化學反應。

4.2 地下管網和銅接地網間的原電池回路

根據本文第3節有關規范的要求，地下鐵制管網作為了自然接地體，并且和人工接地體銅接地網相連，地下管網和銅接地網之間充滿土壤，土壤中含有水分。參見圖2——地下鐵制管網與銅接地網原電池反應回路圖，圖中的Fe代表地下管網，Cu代表地下銅接地網。

可以發現，圖2和 公開實驗課中的圖1（鋅銅原電池反應）的類似，地下管網和銅接地網間形成了原電池回路，形成了兩個電極，由于電極間直接連接的原因，地下管網和銅接地網間發生了原電池反應，從而加速了埋地鐵制管網的腐蝕。

圖2 地下鐵制管網與銅接地網原電池反應模型

需要進一步說明，水是極弱電解質，在潮濕的環境下，尤其是雨后，隨著土壤中含水量的增多，電解性質表現的要突出許多。實際工程中，土壤中的水往往含有弱酸，弱堿或鹽分，其電解性進一步增強。隨著時間的推移，在銅接地網的作用下，地下鐵制管網加速腐蝕。

4.3 混凝土內鋼筋在銅接地網作用下的腐蝕

為討論混凝土內的鋼筋，圖3為銅接地網作用下的腐蝕過程。

圖3 鋼結構立柱和銅接地網的連接圖

圖3來自工程實例，來源于某2×660MW發電廠工程項目，設計方為某省級電力設計院（該設計院在省級電力設計院中，國內綜合實力排名前三甲）。圖3具有代表性，國內電力設計院幾乎均將此圖作為典設圖集，并在工程中普通使用。

由圖3可以發現，混凝土上方為鋼結構立柱，立柱通過專用的地腳螺栓固定在混凝土表面上，混凝土內鋼筋非常密集，所有的鋼筋緊密連接，已經澆筑在混凝土內。圖3左側，一根鋼筋向上方引出，牢固地焊接在鋼結構立柱底部；圖3右側，鋼結構立柱通過1根截面積為240mm2的銅絞線和地下銅接地網緊緊連接。

由于圖3過于復雜（更多地表達了施工的工藝過程），不利于問題的討論，為此，將圖3簡化成圖4——混凝土內鋼筋和銅接地網原電池反應模型。仔細對比圖4和圖3，在原電池反應回路方面，二者是等效的（即圖4是圖3的另一種表達和簡化）。

圖4 混凝土內鋼筋和銅接地網原電池反應模型

圖4和圖2相比，從回路上看二者幾乎是等同的，只是圖4中的Fe和Cu之間，從空間物理結構上看，多了混凝土的“隔離帶”，由于“隔離帶”的存在，和圖2相比，在其他條件相同的情況下，圖4中的Fe和Cu間的原電池反應更為偏弱和困難一些。

混凝土及鋼筋的情況說明：

1）鋼筋是導體，混凝土含有硅酸鹽，如果混凝土內的水分較多，其導電能力尚可，能夠較好地連接到大地。因此，在民用建筑領域，混凝土內的鋼筋也通常作為接地極或防雷接地裝置來使用。JGJ 16—2016《民用建筑電氣設計規范》第11.8.8章節規定“民用建筑宜優先利用混凝土內鋼筋作為防雷接地裝置”。

2）混凝土在施工過程中加入了較多的水分，成形后結構中密布著很多大大小小的毛細孔洞，因此會有一些水分儲存。當埋入地下后，地下的潮氣，又可通過毛細管作用吸入混凝土中，保持一定的濕度。

3）鋼筋混凝土在其干燥時，是不良導體，電阻率較大，但當具有一定濕度時，就成了較好的導電物質，電阻率常可達100～200Ω·m。潮濕的混凝土導電性能較好，是因為混凝土內的硅酸鹽與水形成導電性鹽基性溶液【2】。

4.4 小結

總體上看，圖4和圖2是屬于同一類型的，但是針對于不同的場合和條件（圖4多了混凝土隔離）而已，因此我們就只對圖1和圖2做橫向對比。對比結果見表1。

表1 圖1鋅銅原電池反應模型和圖2地下管網及銅接地網原電池反應模型的對比

5 結語

通過第4節的討論得出，所有問題的原因都在于：地下鐵制設備和銅接地網的外部直接連接，可忽略電阻，如果沒有外部連接，地下鐵銅間雖能構成原電池，但不會發生持續的原電池反應，地下鐵制設備也不會加速腐蝕。

因此，可以得出一重要的結論，在銅材作為人工接地體材料的情況下，地下鐵制物體或設備是絕對不能再作為自然接地體來使用的，不能連接到地下銅接地網。

站在化學科學的角度，通過本文分析，了解到地下鐵銅間的原電池反應，也找到了地下鐵被加速腐蝕的原因。同樣通過更多的化學分析，也能找到更多問題的答案，包括銅接地網條件下：土壤和水資源的污染，地下設備陰極保護的失效等問題。