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接地装置的腐蚀及防腐措施研究

郑瑞臣1李景禄2杨廷方1.2
华中科技大学水电学院武汉市430074
长沙理工大学电气与信息工程学院长沙410077
摘要：本文分析研究了接地装置腐蚀的腐蚀环境、机理和危害,认为电化学腐蚀是钢接地体腐蚀的主要原因。同时分析了接地装置最容易发生的腐蚀部位是接地引下线从地面到地下的过渡部分;研究了防止接地装置腐蚀的措施,即电化学保护法和膨润土降阻防腐剂法,并对这两种方法的防腐机理及在现场使用情况及其适用场所做了论述。
关键词：接地线接地体腐蚀防腐措施
AnalysisonErosionofGroundingDeviceandAnticorrosiveMeasurements
ZHENGRui-chen1LIJin-lu2YANGTing-fang1,2DepartmentofElectricalPowerEngineering,HuazhongUniversityOfScience&Technology430074DepartmentofElectricalPowerEngineering,ChangshaUniversityOfScience&Technology410077
Abstract:Theharm,mechanismanderosionenvironmentofgroundingdeviceerosionareanalyzedinthispaper,andtheelectrochemistrydeterrentisconsideredasthemainreasonforgroundingdeviceerosion.Itisdiscussedthatthetransitionpartofgroundinglinesfromgroundtotheirundergroundisthemosteasytobeerodedplaceofgroundingdevice.Themeasurementstoavoidgroundingdeviceerosionareputforward,namely,theelectrochemistryprotectionandthemethodofdropresistanceandanticorrosiveforinflatablemoistsoil.Theanticorrosivemechanismofthetwomethods,theuseandthesuitableplacearealsoexpounded.KeyWords:groundingline,groundingdevice,erosion,anticorrosivemeasurements
1、引言
接地装置长期在地下或在阴暗、潮湿的环境中，运行环境恶劣，最容易发生腐蚀。由于接地装置的腐蚀会极大的影响装置的使用寿命，会造成接地网局部断裂，接地线于接地网脱离，形成严重的接地隐患或构成事故。如我们曾对河南省某地的6座110kv变电所和2座发电厂的设备接地进行检查，结果发现有146处设备接地于地网不通[1]，其中最为严重的是某110kv变电所的110kv避雷器、互感器间隔和35kv的避雷器、互感器间隔于地网不通，还有一座发电厂的主变压器于地网不通。另有一座110kv变电所接地网断裂成若干小网。最后检查原因是接地线因腐蚀断裂而造成的。另外还发现不少输电线路杆塔接地引下线因腐蚀而发生开断现象。因腐蚀断裂造成一些设备“失地”，特别是一些主设备和防雷设备“失地”会造成严重后果，会使防雷设备失去作用，会在接地短路故障发生时，使局部电位升高，高压向低压反击，使事故扩大。前述某变电所就曾因避雷器间隔“失地”而多次发生雷害事故。某电厂也曾因油开关的接地引线锈蚀开路，而在开关发生接地短路时，高压向低压反击，使电缆沟内的控制电缆和保护电缆着火，发展成瘫痪性的事故。因而对接地装置的腐蚀问题必须认真对待，并采取切实可行的防腐措施进行防护。2、接地装置的腐蚀环境和腐蚀机理分析
2.1地装置的腐蚀环境接地装置的腐蚀环境主要为两种：⑴大气腐蚀；（2）土壤腐蚀。大气腐蚀主要是接地引下线和电缆
沟内的均压带，土壤腐蚀主要是各种垂直和水平接地体。
2.2接地装置容易发生腐蚀的部位及其原因接地装置容易发生腐蚀的部位主要有：
（1）设备接地引下线及其连接螺丝；
（2）各焊接头；
（3）电缆沟内的均压带；
（4）水平接地体；

这些部位既有大气腐蚀的环境，又有土壤腐蚀的环境，引起腐蚀的原因主要为电化学腐蚀，但以吸氧腐蚀为主，在一些工业污染严重的场所，如有害气体存在的场所，还有化学腐蚀的存在，据我们检查大多数设备于地网不通的原因都是接地引下线腐蚀断裂所致。
2.3接地装置的腐蚀机理为:
1）化学腐蚀：即单纯由化学作用而引起的腐蚀，如金属和一些有害气体（O2、H2S、SO2、CL2等）接触时，在金属表面上生成相应的化合物（如氧化物、硫化物、氯化物等）。温度对化学腐蚀的影响很大，钢材在低温下的腐蚀并不严重，但在高温下就容易氧化，生成一层氧化物，同时还会发生脱碳现象，例如：
Fe3C O2=3Fe CO2
2）电化学腐蚀：即当金属和电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的腐蚀。它和化学腐蚀不同，是由于形成了原电池而引起的。在腐蚀过程中，负极上进行氧化反应，负极常叫阳极；正极进行还原反应，正极常叫阴极。在酸性介质环境中，溶液的H 浓度较大，而钢铁一般都含有杂质，形成的原电池为阳极（负极），杂质为阴极（正极），由于铁和杂质紧密地接触，电化学腐蚀作用得以不断地进行，Fe2 进入水膜，同时，多余的电子移向杂质，H 在杂质上和电子结合而变成氢气析出，Fe2 和OH-结合生成Fe(OH)2，即铁锈。阳极（铁）Fe=Fe2 2e阴极（杂质）2H 2e=H2↑总反应式：Fe 2H2O=Fe(OH)2 H2↑然后，Fe(OH)2被空气中的氧气氧化化Fe(OH)34Fe(OH)2 2H2O O2=4Fe(OH)3如果溶液的酸性很弱或中性溶液，则在阳极也是铁被氧化成Fe2 ，在阴极主要是溶解于水膜中的氧获得电子：阳极（铁）2Fe=2Fe2 4e阴极（杂质）O2 2H2O 4e=4OH总反应式：2Fe O2 2H2O=2Fe(OH)2然后，Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3并部分脱水为铁锈。所以不仅H 能引起金属腐蚀，含有氧时也能引起金属腐蚀，析氢腐蚀与溶液H 浓度有关，吸氧腐蚀和溶液中氧气的浓度有关，H 浓度越大，含氧量越高，金属的腐蚀就越快。
2.4接地体的腐蚀原因
（1）土壤腐蚀性强，特别是在偏酸性的土壤、风化石土壤和砂质土壤，最易发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀。
（2）接地体采用再生钢材，这样的钢材由于杂质超标，在地下易发生电偶电池腐蚀。
2（3）使用了腐蚀性较强的降阻剂，特别是一些化学降阻剂，由于含有大量的无机盐类，加速了接地体的电化学腐蚀。一些固体降阻剂也由于膨胀倍数与钢接地体不一致，经过一定的时间后与接地体产生缝隙，产生了腐蚀电位差，加速了接地体的腐蚀。
3（4）属于施工方面的原因有：①接地体埋深不够，上层土壤含氧率较高，吸氧腐蚀快；②回填土用砂子，碎石和建筑垃圾回填；③焊接头的焊接存在虚焊、假焊现象，对焊接头没有做防腐处理；④对接地引下线没采取过渡防腐措施，没有刷防腐漆；⑤扩大地网时，把新地网接到原地网的电缆沟，或把设

备的接地接到电缆沟的均压带，而电缆沟的均压带又不定期进行防腐处理，因焊接头腐蚀断开造成地网支解。
3.防止接地装置腐蚀的措施
对接地装置的防腐问题，我们从1987年起进行了大量的研究、试验和探索，现在对埋入地中的水平和垂直接地体我们已研究出了GPF-94降阻防腐剂防腐法，该方法已在大量的接地工程中得到成功的应用，有些工程已经过10多年的时间考验，证明了其良好的防腐效果。另外目前还有电化学保护法,在接地装置防腐上也有较为广泛的应用。
3.1、使用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂的防腐机理。
GPF-94高效膨润土降阻防腐剂的防腐机理。主要是利用钙基膨润土本身的特性[3]在研制时加入了一定比例的无机缓蚀剂，钝化剂调整降阻剂的酸碱度为偏碱性，PH值为10左、右、H 的浓度小，使析氢腐蚀无法存在；由于降阻剂的结构密致，含氧量少，使钢接地体基本上不和氧接触，防止了吸氧腐蚀；加入的无机缓蚀剂，钝化剂和膨润土本身的作用在钢接地体表面生成了一层钝化膜，保护了接地体，降阻剂中含有的大量的钙、镁、铝等金属氧化物，它们的金属离子都比铁的标准电极电位低起到了一走的“阴极保护”作用；铁的氧化物Fe(OH)3属于碱性氢氧化物，仅能与酸反应，因此，铁埋在具有弱碱性的降阻剂中受到了保护；接地体施加高效膨润土降阻剂后，使接地体不直接与同围土壤接触，当接地体通过大的工频接地短路电流和冲击电流时，电火花发生在降阻剂与土壤之间，从而使接地体免遭电火花腐性。经试验该降阻剂对钢接地体的平均年腐蚀率≤0.0035mm/a，
工程应用情况
①×××微波站接地装置防腐处理
×××微波站位于河南与湖北两省交界的山上，海拔700多米，微波站所处位置为风化石土壤，土壤电阻率1300Ω?m，微波站建成后接地装置的接地电阻为18Ω，由于山上为国家森林公园，土壤显酸性，PH值为4.5，风化石土壤透气性好，含氧量高，因而对钢接地体造成了严重的腐蚀。为了降低接地电阻在1988年以前曾先后进行了3次降阻改造，但改造效果都不稳定，其主要的原因就是接地体的迅速腐蚀，一般Φ12的圆钢，2年以后就腐蚀掉一半，3年后就曾因腐蚀造成断裂，10KV充油铠装电缆的金属锭装，不到3年，金属铠装就全部腐蚀烂掉，由于腐蚀也造成了接地装置的接地电阻迅速回升，1988年我们使用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂进行改造，用降阻剂包围在水平和垂直接地体的四周，使用降阻剂30T，接地装置的接地电阻从17Ω降到2.6Ω，3年以后逐渐下降到2.2Ω，最后稳定到2.0Ω。这次改造的最大成功是彻底的解决了接地装置的腐蚀问题，该接地装置在1988年5月改造后，至今已14年了，经开挖检查，接地体没发生任何腐蚀，至今完好如新，接地体表面还生成了一层白色的钝化膜。
②110KV×××变电所接地防腐处理。
110KV×××变电所，位于一个小山包上，土壤结构为风化石片岩，土壤电阻率为2400Ω?m，土壤PH值为6.2，这种土壤对钢接地体的腐蚀率为：扁钢0.1~0.2mm/a，圆钢0.3~0.4mm/a。如不采取措施，40×4的扁钢，10年以后将被完全腐蚀掉。为了防止接地体腐蚀和有效降低工频接土电阻，我们采用GPF-94高效膨润土降阻剂进行处理，即在所有的水平和垂直接地体四周都加降阻剂进行处理。接地装置建成后工频接地电阻为0.35Ω,该变电所1992年建成并投运，至今已有10年，接地体经开挖检查没发生任何腐蚀，40×4的扁钢至今完好如新，接地电阻稳定在0.30Ω。
另有110KV变电所位于大别山腹地的一座推平的小山包上，土质为响沙土壤，土壤电阻率为1300Ω?m，1991年开挖检查发现接地体锈蚀严重Φ8的圆钢直径已不足4mm，且有多处焊接头腐蚀断裂，使设备处于“失地”状态。接地电阻为2.9Ω，1991年我们使用GPF-94高效膨润土降阻剂进行降阻防腐改造，在降低接地电阻和防腐方面都取得了成功，至今已有11年的时间，接地体到目前还完好如新，接地电阻稳定在0.45Ω。
在1991年前后我们还成功地解决了近10座发电厂、变电所接地装置的降阻防腐问题。经河南省局有关部门进行开挖检查其防腐效果都非常好。另外在安徽、江西、广东、湖北、江苏、浙江、四川、山东、河北等地接地装置的降阻防腐问题上都得到成功的应用。
3.2阴极保护法阴极保护技术是一种电化学防护方法,已在海洋石油钻井平台、油气管线等应用,能有效防止金属腐蚀。作为一种新型保护方法,它具有保护效果好、保护周期长、施工方便等突出优点。接地体的腐蚀是由于钢材本身的电化学不均匀性和外界环境的不均匀性,在其表面形成了腐蚀原电池,即接地网在土壤中腐蚀的本质是电化学腐蚀。因此采用改变腐蚀金属的表面电极电位而改变金属的腐蚀状况。具体说来,就是在金属表面人为通以足够的阴极电流,使金属表面阴极极化,成为电化学电池中电位均一的阴极,从而防止表面发生腐蚀。阴极保护方法分为牺牲阳极保护和外加电流阴极保护。前者靠电位较负的金属(例如锌和镁合金)的溶解来提供保护所需的电流,在保护过程中,这种电位较负的金属为阳极,逐渐溶解牺牲掉,所以称为牺牲阳极保护。后者则依靠外部的电源提供保护所需的电流,被保护的接地网作为阴极。由于外加电流阴极保护方法需要外部电源,需有人监视,因此宜采用牺牲阳极的电化学保护方法。牺牲阳极保护不需要外部电源,对临近构筑物无干扰或很少,保护电流分布均匀,利用率高,调试投产后可不需管理,特别适合变电站应用。
阴极保护法只适用于防腐不需要降阻的场所，在接地网防腐上也有不少成功的使用，如郑州东风变、唐山遵化变等。
3.3设备接地引下线的防腐措施
设备接地引下线最容易发生的腐蚀部位是从地下与水平接地体连接处，直到地面上1米处，因为此处接地引下线经过两种不同的腐蚀环境，腐蚀电位不同，特别容易发生因腐蚀电位不同而引起的电化学腐蚀。我们采取的措施是从地下与水平接地体连接处开始刷沥清漆或防锈漆，直到地上与设备连接处，并定期进行维护。
3.4关于接地体用材、埋深和施工工艺
为了防止接地体腐蚀，选用材料也是关键，一般不要使用再生钢。接地体的埋深一定要达到0.6m以下，要用细土回填，并分层夯实，不要用碎石和建筑垃圾回填，对焊接头的焊口长度，焊接质量要严格把关，不能有虚焊、假焊现象。对焊口要刷防锈漆进行处理。施加降阻防腐剂要均匀施加，不得有脱节现象，对施加降阻剂和不施加降阻剂的地方要刷防锈漆进行过度，防止因腐蚀电位不同引起的电化学腐蚀。
4、结束语
接地装置的腐蚀是造成接地隐患，产生接地事故的主要原因，因而受到了充分的重视，对接地装置的防腐问题首先从选材、设计、施工、运行、维护等多方面把关。对防腐和降阻困难的场所，使用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂显示了较好的效果，且被大量的工程实践所证明。对只需防腐不需降阻的场所，采用无源阴极保护法了也是有效的。
参考文献：
1变电站接地网存在的问题及改进措施.《高电压技术》1995.4.P70-71
2《实用电力接地技术》.中国电力出版社出版.北京2002年P187-203
3高效膨润土降阻防腐剂的工程应用.《高电压技术》1999.1P91-93