電廠接地系統(tǒng)降阻及防腐蝕研究

郭 良

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司矸石發(fā)電公司，鄂爾多斯 010300）

在電力工業(yè)快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)容量越來(lái)越大，大大增加了電廠、變電站的工頻短路電流，對(duì)電廠接地系統(tǒng)提出了更高的要求。而接地阻抗是衡量接地系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵參數(shù)。過(guò)高的接地阻抗不利于電廠設(shè)備和人員的安全。我國(guó)發(fā)生過(guò)多起因?yàn)殡姀S接地系統(tǒng)的接地阻抗過(guò)高造成的安全事故，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，也帶來(lái)了負(fù)面的社會(huì)影響。因此，降低接地阻抗成為接地系統(tǒng)優(yōu)化的重要內(nèi)容。其中，降阻和防腐蝕是提高接地系統(tǒng)性能的有效手段[1]。

1 電廠接地系統(tǒng)降阻措施

1.1 斜井接地降阻

可以借助斜井將接地系統(tǒng)與周圍建筑地基連接，擴(kuò)大接地面積，從而達(dá)到降低接地阻抗的目的。如果電廠接地系統(tǒng)的底部土壤的電阻率比表層土壤的電阻率高，則不適合采用深井接地方式。但是，電廠接地系統(tǒng)周圍有建筑物，建筑物的地基通常深埋在地下，因此適合用斜井技術(shù)（如圖1 所示）實(shí)現(xiàn)降阻效果。為了確保建筑物地基等自然接地體在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，并確保降低接地電阻的長(zhǎng)期效果，必須遵循以下連接方法。第一，使用地下金屬管作為自然接地體時(shí)，采用跨接線焊接方式連接管接頭和接線盒。如果管道直徑為40mm 或更小，則跨接線可以采用圓鋼材料[2]。如果金屬管道直徑大于50mm，則跨接線應(yīng)采用扁鋼。第二，當(dāng)利用接線鋼管作為自然接地體時(shí)，為防止鋼管被腐蝕成不連續(xù)導(dǎo)體，管壁的厚度至少應(yīng)為1.5mm。第三，當(dāng)建筑物和建筑物金屬構(gòu)件用作接地體時(shí)，必須在建筑物的伸縮縫處使用跨接電纜穿過(guò)伸縮縫，以避免由于建筑物的不均勻沉降而斷開(kāi)接地電纜的連接。這類自然接地體的跨接線可用直徑至少為12mm的鋼絞線，在鋼絞線的兩端焊接扁平連接頭，然后用螺釘固定。第四，當(dāng)電力電纜護(hù)套用作接地體時(shí)，電纜護(hù)套和接地體、電氣金屬外殼的連接可以用卡箍緊固連接。連接前刮除電纜護(hù)套表面的銹跡，在卡箍和電纜護(hù)套之間墊厚度為2mm 的電纜扎帶并緊固。螺栓、螺母以及墊圈等固定裝置應(yīng)鍍鋅，以防止腐蝕。

圖1 電廠接地系統(tǒng)斜井接地

1.2 外延接地降阻

一方面，可以通過(guò)水平外延接地系統(tǒng)降低接地阻抗。大型電廠如果出現(xiàn)單相短路故障，會(huì)產(chǎn)生非常大的接地短路電流，因此接地系統(tǒng)的接地阻抗值必須較低[3]。可以在距離主接地系統(tǒng)2km 范圍內(nèi)、電阻率較低的土體中，用銅制接地體構(gòu)建外延接地系統(tǒng)，以形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。水平外延接地系統(tǒng)通過(guò)2 ～3 根連接線連接到主接地系統(tǒng)。將外延接地系統(tǒng)設(shè)置成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，原因是通過(guò)適當(dāng)布置格柵尺寸可以減小人體的階躍電壓以確保人身安全。

圖2 水平外延接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一方面，利用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)降低電廠接地系統(tǒng)的接地阻抗。某些電廠所在地的土壤電阻率高，僅用水平外延接地難以獲得理想效果。這時(shí)可采用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)降低接地系統(tǒng)阻抗。三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)由深井接地體和水平接地體組成，如圖3 所示。深井接地體主要用于降低接地電阻，水平接地體用于電壓均衡。實(shí)踐證明，在水平接地體的交點(diǎn)處插入了一個(gè)長(zhǎng)度為2.5m 的深井接地體構(gòu)成三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)，可以增加電流在土壤中的散流半徑，完全釋放垂直、水平方向的短路電流[4]。為了避免在使用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生屏蔽，兩個(gè)垂直接地體之間的距離必須大于垂直接地體長(zhǎng)度的2 倍。

圖3 三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 降阻劑降阻

降阻劑的基本原理是利用降阻劑的滲透擴(kuò)散作用減小接地體土壤電阻率。通常，化學(xué)降阻劑通常要比其他形式的降阻劑效果好。例如，膨潤(rùn)土材質(zhì)的降阻劑擴(kuò)散滲透能力不強(qiáng)。但是，降阻劑穩(wěn)定長(zhǎng)效和擴(kuò)散滲透能力不可兼得。具有較強(qiáng)擴(kuò)散滲透能力的降阻劑，很容易因雨水而流失，因此穩(wěn)定性不足[5]。此外，降阻劑應(yīng)用于接地體土壤后，會(huì)增加接地體的有效橫截面積，從而降低接地電阻。化學(xué)降阻劑會(huì)隨著時(shí)間的流逝而消失，使得接地體的有效橫截面積越來(lái)越小。接地電阻包括接地體和周圍大體呈現(xiàn)的電阻及接地體與周圍土壤的接觸電阻兩部分。接地電阻的大小取決于接地電極周圍的土壤。通常，土壤越密，接地電阻越低，土壤越疏松，接觸電阻越高。此外，接觸電阻還和接地體的表面粗造度成反比。接地體生銹后，接觸電阻逐漸增加。將降阻劑應(yīng)用于接地體之后，接觸電阻會(huì)降低。但是，只有某些物理降阻劑和膨潤(rùn)土降阻劑具有此功能，化學(xué)降阻劑沒(méi)有這樣的效果。此外，接地體腐蝕會(huì)增加接觸電阻。降阻劑的吸水、保水作用能夠優(yōu)化并保持土壤電導(dǎo)率。例如，膨潤(rùn)土降阻劑具有很強(qiáng)的吸水性，吸水后降阻劑體積會(huì)擴(kuò)大，可以長(zhǎng)時(shí)間保持糊狀，使接地電阻保持穩(wěn)定。

2 電廠接地系統(tǒng)防腐措施

2.1 選擇合適的接地體材料

選擇接地體的材料時(shí)需要綜合分析各種材料的性能指標(biāo)。目前，全球范圍內(nèi)廣泛使用的接地體材料是銅和鋼。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，在土壤中的腐蝕速率僅為鋼的腐蝕速率的1/10 ～1/5。銅材質(zhì)的接地體使用年限可超50 年。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用銅材質(zhì)的接地體。我國(guó)銅資源比較少，近年來(lái)銅的價(jià)格又持續(xù)上升，使用銅材質(zhì)的接地體的成本比使用鋼材質(zhì)的接地體高出5 倍以上。此外，同材質(zhì)接地系統(tǒng)容易產(chǎn)生電偶腐蝕，尤其是在電廠的其他結(jié)構(gòu)中使用不同的材料時(shí)，如果兩種金屬形成電氣連接，將發(fā)生電偶腐蝕，導(dǎo)致電位低的金屬被腐蝕。因此，盡管使用銅作為接地體材料可以有效抵抗腐蝕并確保接地系統(tǒng)的使用壽命，但是目前在我國(guó)很難大規(guī)模使用，而是普遍采用鋼材質(zhì)的接地體。

2.2 覆蓋層保護(hù)

在導(dǎo)體表面上使用覆蓋層是防止導(dǎo)體腐蝕的有效方法。覆蓋層可以將導(dǎo)體與外部隔離，以防止金屬表面出現(xiàn)微電池腐蝕。接地系統(tǒng)常用覆蓋層包括兩種。一是金屬覆蓋層。用耐腐蝕的金屬覆蓋層覆蓋導(dǎo)體表面，如鍍鋅覆蓋層和電鍍銅覆蓋層等。二是非金屬覆蓋層，利用塑料和瀝青等非金屬覆蓋層覆蓋導(dǎo)體表面。電廠接地系統(tǒng)的土壤中普遍會(huì)覆蓋一層焦油青，然后涂一層瀝青形成絕緣護(hù)套，有效減少原電池腐蝕，并減慢接地線本身和接地裝置的電化學(xué)腐蝕。為了增加覆蓋層的厚度，通常用填料或諸如石棉和玻璃纖維的無(wú)機(jī)纖維混合加固。另外，也可以使用諸如聚乙烯塑料帶和環(huán)氧覆蓋層的方法。使用金屬覆蓋層時(shí)，必須注意覆蓋層的完整性，以防止兩種金屬在不完整的覆蓋層表面形成電腐蝕[6]。

2.3 電化學(xué)防腐

2.3.1 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法

犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法基于原電池原理。陰極采用化學(xué)性質(zhì)比被保護(hù)金屬材料更活潑的金屬作為陽(yáng)極，陽(yáng)極金屬更容易失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其腐蝕電位低于陰極金屬。將陽(yáng)極埋于土壤中，通過(guò)導(dǎo)線連接需要防腐蝕的接地體構(gòu)件，構(gòu)建腐蝕原電池系統(tǒng)。陽(yáng)極金屬因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)更活潑而優(yōu)先溶解，失掉的電子流向陰極。陽(yáng)極金屬溶解后的正離子經(jīng)土壤流向陰極，相當(dāng)于提供了陰極保護(hù)電流，促使被保護(hù)構(gòu)件被極化，表面富集電子，不再產(chǎn)生離子，從而實(shí)現(xiàn)防腐蝕。該方法無(wú)需外接電源，基本不會(huì)干擾周圍的金屬物，且保護(hù)電流分布更加均勻，安裝步驟簡(jiǎn)單，占用空間小，但是不適用于電阻率高的土壤環(huán)境，同時(shí)不能調(diào)節(jié)保護(hù)電流的大小，且對(duì)保護(hù)覆蓋層的質(zhì)量要求很高，需定期更換陽(yáng)極金屬。

2.3.2 外接電源的陰極保護(hù)法

外接電源的陰極保護(hù)法需要用到外接電源、輔助陽(yáng)極和參比電極。需要防腐的接地金屬構(gòu)件與電源負(fù)極相連。電源的作用是為陰極提供保護(hù)電流，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的陰極極化，從而實(shí)現(xiàn)防腐蝕的目的。電源通過(guò)埋在地下的輔助陽(yáng)極，將保護(hù)電流引入地面，并通過(guò)土壤向受保護(hù)的金屬供電。要防腐的金屬材料是陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，從而有效抑制腐蝕。

3 結(jié)語(yǔ)

合理運(yùn)用降阻防腐措施能夠有效優(yōu)化接地電阻，從而提高電廠接地系統(tǒng)的性能。合理選擇降阻材料可以達(dá)到最好的降阻防腐效果，因此在實(shí)踐中應(yīng)該根據(jù)使用場(chǎng)景和使用目的靈活運(yùn)用降阻防腐措施，有效提高電廠接地系統(tǒng)的性能，從而改善電力系統(tǒng)的綜合性能。