特高壓接地極線路基礎保護技術研究

彭福先，張 瑋，韓夢夢

（1.國網江西省電力有限公司超高壓分公司，江西 南昌 330096；2.南昌工程學院，江西 南昌 330096）

0 引言

目前，特高壓直流輸電系統具有輸送功率大、距離長、損耗小、占地較少等突出優勢，因此，特高壓直流輸電已成為大型風電、火電、水電送出的重要途徑，有利于滿足地區間能源外送需求，支撐經濟快速發展具有重要戰略意義[1]。±800 kV 特高壓直流輸電系統主要由送端換流站、送端接地極線路、送端極址、直流輸電線路、受端換流站、受端接地極線路、受端極址等組成。以雅中—江西±800 kV 特高壓直流輸電工程為例，在雙極對稱運行時，接地極線路流過極址的不平衡電流不超過10 A，電壓不超過35 kV；而系統故障單極運行時，接地極線路流過極址電流多達5000 A，電壓不超過35 kV。由于極址需要承受大電流，考慮運行需要，故極址選擇需滿足以下幾個條件：1）極址的土壤導電性能良好；2）需與換流站保持一定的距離；3）極址土壤應含有豐富的水份和較好的導熱性，含鹽量低、酸堿度趨于中性，滿足接地極在長期運行時熱穩定的要求，以及減少對極體的腐蝕。根據極址選擇可得知，極址一般位于低洼有水的區域，土壤電阻率較低處。由于雜散電流腐蝕和土壤電阻率低，接地極線路2 km范圍內桿塔、基礎的腐蝕性就越強，故在靠近極址2 km 范圍內基礎需做絕緣防腐或者陰極保護[2-4]。考慮到接地極線路按照5 年一遇洪水設計，2 km 范圍內基礎會有水淹情況，為滿足桿塔使用年限滿足要求，需考慮對鐵塔的陰極保護。

1 基礎桿塔電腐蝕原理

接地極線路是在特高壓直流輸電系統中連接換流站直流電壓中性點與接地極之間的架空絕緣線路。換流站在雙極對稱運行時，接地極線路中只會通過不平衡電流，但是當特高壓直流輸電系統發生故障，在單極帶電運行方式下，接地極線路上流過的電流等于輸送功率/輸送電壓。該電流通過極址雙圓環導流電纜向四周發散，會在極址附近區域形成跨步電壓，使潮濕土壤導電，從而加快極址附近埋地金屬構件的電腐蝕[5-6]。

電腐蝕出現的主要原因是埋地金屬構件的電導率比周圍土壤的電導率更小，使得電流更容易通過金屬構件[7]。由于埋地金屬構件的這種集流效應，會使得金屬構件電荷密度較大，一部分電荷會從金屬構件流到周圍土壤溶液中，在這個過程中，金屬會失去電子變成離子融入到土壤中，這就形成了金屬構件的電腐蝕。

由于靠近極址范圍內不平衡電流和單極回路大電流的影響，同桿塔之間、不同桿塔之間會存在電流回路，從而加快對基礎、桿塔、接地的電腐蝕。存在回路主要有以下幾種：1）同一桿號基礎之間通過桿塔形成的回路；2）同一桿號接地線之間通過桿塔形成的回路；3）不同桿號桿塔基礎之間通過接地光纜形成回路；4）不同桿號桿塔接地通過接地極光纜形成的回路。

2 直流接地極線路基礎絕緣保護

2.1 基礎絕緣保護原理

絕緣基礎保護原理主要基于防止電流形成回路，進而降低對基礎、桿塔、接地造成的電腐蝕。具體保護措施如下：

1）極址2 km范圍內同一基礎存在跨步電壓，會使基礎通過鐵塔形成回路，進而使鐵塔、基礎受到腐蝕，故將基礎對地絕緣、鐵塔對基礎絕緣和單點接地，防止基礎通過鐵塔形成回路；

2）在極址5 km范圍內，同一桿號桿塔會通過接地形成回路，為了避免對接地和桿塔造成的電腐蝕，極址5 km范圍內鐵塔采取單點接地的措施；

3）由于極址不平衡電流一直存在，為防止10 km范圍內不同桿號基礎、桿塔通過光纜形成回路，進而對基礎和桿塔受到腐蝕，故需將電纜對桿塔絕緣。

2.2 絕緣基礎施工工藝

為防止極址入地電流對鐵塔和基礎的電腐蝕，對靠近接地極約2 km以內的桿塔，基礎對地、桿塔對基礎應絕緣防腐處理[8]。

基礎對地的絕緣防腐工藝：

1）采取絕緣措施處理的基礎均須做C15素混凝土墊層，待墊層達到50%強度后，清理墊層表面；

2）在墊層上涂刷第一道雙組份聚氨酯防水涂料，待風干后，涂刷第二道，共涂刷5道，每道厚度不低于40 um；

3）鋪設第一層玻璃纖維布（厚度≥1.2 mm），涂抹環氧樹脂，再鋪設第二層玻璃纖維布，兩層之間利用環氧樹脂進行膠粘；

4）在玻璃纖維布上涂刷5道雙組份聚氨酯防水涂料，鋪設第一層防水卷材。在第一層防水卷材涂刷5道防水涂料之后，鋪設第二層防水卷材，再次涂刷5道防水涂料；

5）經過以上各個工序后，開始綁扎鋼筋，支護模板進行澆筑。待立柱混凝土強度達到50%后，拆模，反方向對立柱及柱面進行以上工序。基礎底面施工工藝詳見圖1；

圖1 基礎底面防水絕緣截面圖

6）待基礎涂刷完成回填后，需對基礎進行接地電阻測試，根據接地極線路施工驗收規范要求，基礎對地電阻需大于500 Ω。根據現場情況，電阻大概在2000 Ω 以上，需選擇合適量程的設備進行測量。

桿塔對基礎的防腐絕緣工藝：

1）組塔前，需提前安裝玻璃鋼墊板和玻璃鋼套筒，再開始塔腳板安裝。安裝完塔腳板后，需安裝玻璃鋼墊片，擰緊雙螺帽，開始組塔作業。通過玻璃鋼墊板、玻璃鋼套筒和玻璃鋼墊片使地腳螺栓和鐵塔自檢絕緣；

2）待鐵塔組立完成后，需對鐵塔與基礎地腳螺栓之間電阻進行測量，其阻值應大于500 Ω。驗收合格后，需做環氧樹脂保護帽密封[9-11]，詳見圖2絕緣基礎安裝示意圖。

圖2 絕緣基礎安裝示意圖

3 直流接地線路基礎陰極保護

3.1 基礎陰極保護原理

陰極保護主要是指供給被保護金屬足夠多的游離電子，使其整個金屬表面處于受保護的負電位，進而保護該金屬表面的金屬原子不易失去電子。埋地金屬構件的陰極保護有以下兩種方法：1）犧牲陽極法；2）外加電流源法。

基礎陰極保護作用是防止對基礎中鋼筋、地腳螺栓的電化學腐蝕。由于野外外加電流源是很難實現的，故一般采用犧牲陽極法。犧牲陽極法是指在相同潮濕土壤環境中，利用電纜將活性強的金屬和被保護金屬構件相連接，活性強的金屬失去電子轉移到被保護金屬構件上，使被保護金屬構件表面游離大量的電子，從而不易失去自身電子變成離子游離在土壤溶液中。該方法一般用于土壤電阻率較低的環境下（土壤電阻率≤100 Ω/m）的金屬構件。

3.2 基礎陰極保護施工方法

為了防止極址入地電流對2 km 范圍內的基礎和接地裝置造成破壞，故該范圍內的基礎和接地裝置需進行陰極保護。

針對不同類型基礎型式，陰極保護施工方法幾乎近似相同。具體基礎陰極保護施工方法如下：

1）在基礎鋼筋綁扎時，從基礎ABCD 腿頂部鋼筋引出接地扁鋼至接地埋設深度（1 m），將水平接地體與ABCD 腿引出的接地扁鋼焊接連接（如圖3所示）；

圖3 基礎陰極保護平面布置圖

2）犧牲陽極與被保護接地體之間采用電纜連接，埋設前，電纜與陽極鋼芯需可靠的放熱焊接，并浸泡水中至飽和，電纜長度也應留有一定裕量；

3）犧牲陽極水平接地體應等距離均勻布置，采用臥式開槽埋設，與水平接地體距離不小于500 mm，陽極頂部埋深距地面不小于1 m 或與水平接地體埋設在同一標高；

4）陽極電纜與水平接地體采用放熱焊接，待測試樁電纜引入塔基或塔身后，方可進行回填。

測試樁施工方法（詳見圖4）：

圖4 陰極保護剖面圖

1）根據基礎水淹情況，測試樁需在塔基中抬高或者布置塔身處。將水平接地體的一處電纜、鋅合金連接電纜和參比電極引出電纜一起引出至塔基中或者塔身高處，進行回填或者固定。參比電極可提供參考零電位，減少土壤電流引起的電位偏移的作用；

2）根據設計方案及運行要求，測試樁采用混凝土澆筑或者固定塔身高處，方便后期檢測，確保陰極保護正常運行；

3）待陰極保護施工完成一星期后，需進行保護電位測量，使用萬用表測量參比電極和鋅合金陽極電位，要求電位小于等于-0.85 V[12]。

4 基礎保護方法對比分析

從以上絕緣基礎、陰極保護原理分析以及相應施工方法的介紹，可知絕緣基礎和陰極保護施工及運維主要優缺點，如表1所示。

表1 絕緣基礎和陰極保護優缺點

5 結語

特高壓直流接地極線路基礎保護是一個技術含量較高的課題，通過該課題研究，可為極址附近的線路基礎、桿塔、接地電腐蝕提供保護方案。文中通過對絕緣基礎和陰極保護的原理分析、施工介紹和施工運行對比分析，為建設管理單位、運行單位根據工期要求、現場環境勘查等情況審查設計2 km范圍內基礎保護類型提供參考，也為運行單位掌握線路基礎保護情況、大修技改等方面提供技術支撐。