交流系统接地网的腐蚀与防护研究

邵建人  乐晏廷

摘  要：本文论述了电力系统交流接地网的腐蚀因数及防腐措施，介绍了JR纳米碳防腐导电涂料的制备、性能及其在地网防腐中的应用。JR纳米碳防腐导电涂料既能满足地网接地电阻及地网热稳定的特殊要求，又能有效保护地网不被潮湿的土壤环境所腐蚀。

关键词：接地网；腐蚀；防护

0 前言

接地是电力系统安全运行的重要保障，接地网的腐蚀与防护是国内外电工学术活动中十分活跃的课题。近年来，随着我国电力容量的增大和电压等级的升高，国内屡屡发生因电力接地网被腐蚀而引发的重大电力运行事故。在两线一地的双极高压直流送电系统中，也是将中性点接地，这种工作接地体作为阳极在高压直流电解作用下腐蚀更快、更严重。由于高压直流送电在我国才刚刚起步，送电线路极少，因此本文着重论述交流系统工作接地网的腐蚀因数与防护措施，并介绍JR纳米碳防腐导电涂料在交流系统工作接地网防腐中的应用情况。

1 地网的电化学腐蚀形式

1.1 点腐蚀

构成地网的碳钢可以看作是由无数个碳微粒和铁微粒构成的无数个微小原电池。在潮湿的土壤环境中，地网碳钢发生微观原电池腐蚀，这种电化学腐蚀是地网发生点腐蚀的主要原因。

1.2 宏观腐蚀

在低电阻率土壤环境中，整个地网与土壤存在电势差而形成腐蚀原电池，地网的电势比土壤低而被腐蚀。在盐碱地区或使用降阻剂的地方，这种宏观原电池腐蚀尤其严重。

1.3 局部腐蚀

当地网各部位所处的电解质浓度有差异（即土壤电阻率不同）或氧气浓度有差异，地网各部位也会产生电势差而形成腐蚀原电池。地网局部原电池腐蚀是地网发生断裂的主要原因。

1.4 电解腐蚀

电气火车、城市电车以及高压直流输电都是以大地为回路，附近的交流接地网会在直流电流的作用下发生严重的电解腐蚀。

1.5 微弱的交流腐蚀

交流电流通过地网时，会导致地网发生微弱的电解腐蚀，且频率越低，电解腐蚀越严重，超低频谐波电流加速地网腐蚀。

2 地网的电化学腐蚀因素

2.1 土壤的腐蚀环境特点

土壤腐蚀环境与大气腐蚀环境和水腐蚀环境不同。土壤是由固相、液相和气相这三相组成的不均匀多相体，腐蚀因数复杂。由于地网在土壤中的腐蚀是电化学腐蚀，因此凡能形成腐蚀原电池的土壤理化指标，均为地网腐蚀因数，它们分别是土壤电阻率、含水量、含氧量和微生物等。

2.2 地网腐蚀与土壤电阻率的关系

土壤电阻率是表征土壤导电性的指标。在防腐工程中，它是判断土壤腐蚀性的基本参数。英国曼彻斯特腐蚀中心提供的一份研究报告表明，土壤电阻率越低，腐蚀性越强。土壤电阻率与土壤腐蚀性的关系如表1所示：

表1   土壤电阻率与土壤腐蚀性的关系

2.3地网腐蚀与土壤含水量的关系

当土壤电阻率为ρ＜100Ω．cm时，该土壤是潮湿的。因此，变电站常常建在海滨、江滩、潮湿低凹处。如果条件有限，变电站只能建在干燥的高地，那么在埋设地网时，常用膨润土、强电解质和水构成的“降阻剂”数10吨置换干燥的、不保水的、电阻率较大的沙石土，以满足地网接地电阻的设计要求。不论是潮湿的地质还是用“降阻剂”改良的土质，地网都会遭受到严重的电化学腐蚀。

地网的腐蚀速率随着土壤的湿度增加而变大，当土壤的湿度超过临界湿度后，地网的腐蚀速率反而变小。民谚说得好：“干百年，湿千年，不干不湿用半年。”湖北随州曾侯乙墓出土的国保宝编钟，历经2400余年保存如此完好，原因之一就是古墓被地下水浸泡。土壤含水量与土壤腐蚀性的关系如表2所示：

表2 土壤含水量与土壤腐蚀性的关系

2.4 地网腐蚀与土壤含氧量的关系

地网发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。土壤含氧量由以下两个因数决定：其一，土壤的松密度决定了土壤的含氧量；其二，土壤所含的地表水和地下水是运动和交换的，其交换量决定了土壤含氧量。密实的土壤含氧量少，地网的腐蚀速率小。在地网施工回填土方时，一定要把回填土夯实，就是这个道理。曾侯乙墓使用木炭、青膏泥、白膏泥、石板和五花土共10多米厚阻挡地表水和地下水交换，是国宝编钟能完好保存的第二个原因。

2.5 地网腐蚀与土壤微生物的关系

如果在不透气的土壤里有厌氧微生物活动，地网将发生微生物腐蚀。土壤中厌氧微生物的新陈代谢产物可改变土壤的氧浓度、电解质浓度和土壤pH值，能促进电化学腐蚀的阴极去极化过程而加速地网腐蚀。经研究发现，厌氧微生物不能在青膏泥、白膏泥和木炭里生存，这是国宝编钟能保存至今的第三个原因。

3 我国地网防腐措施分析

3.1 热镀锌和加大截面效果不尽人意

接地装置施工及验收规范(GB50169—92)规定：大中型发电厂、110kV及以上变电所或腐蚀性较强场所的接地装置应采用热镀锌钢材，或适当加大截面。由于锌的标准还原电极电势（－0.7630V）比铁的标准还原电极电势（－0.0360V）低，在锌和铁构成的腐蚀原电池中，锌作为牺牲阳极保护了地网。由于镀锌层的厚度极其有限，因此地网运行的寿命也有限。前文叙及，碳钢在低电阻率土壤中发生腐蚀的速率很大，即使成倍增大扁钢截面积，地网寿命也不可能成倍增加。

3.2 导电水泥保护不了地网

有报道用导电水泥作“永久性地网”，缺乏理论依据。水泥不防水是众所周知的，因而地网的电化学腐蚀依然存在。地下钢筋水泥的防腐令建筑工程师头痛，不应成为电力工程师的防腐手段。一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击，被水泥固定死的扁钢会被强大的热应力击断。

4.3 牺牲阳极保护地网在线监测难度大

根据牺牲阳极的发电量和碳钢在特定土壤腐蚀环境中的最佳保护电流密度，可方便地计算出地网被保护的年限。该工艺广泛应用于石油管道、钢桩码头和大坝闸门等重防腐工程。其缺点是电流密度在线监测麻烦。保护电流密度太小，地网腐蚀依然存在；保护电流密度太大（即所谓过保护），地网在过电流作用下将发生电解腐蚀！其他阴极保护法存在同样的问题。

4.4 防腐导电涂料简便易行，但涂料性能要求高

防腐导电涂料用于地网防腐，已有十余年的运行经验，它具有设计简单和施工方便等特点。国内用于地网防腐的涂料，按导电添加剂分类，有镍粉型、石墨型和纳米碳型等三种类型。然而，防腐导电涂料不仅要求导电性和防腐性要好，作为地网的一个组成部分，还要求热稳定性也要好。

5 JR纳米碳防腐导电涂料的制备、性能及应用

5.1 JR纳米碳防腐导电涂料的制备

在氮气保护下，烃类气体与氢气发生氧化还原反应，得到导电性很好的纳米碳和微米碳混合物。该混合物在静电场中被极化，并在电场力的作用下发生电泳。粒径越小，极化程度越大，其电泳速度也就越快，从而达到分级目的。用JEM-100CXⅡ透射电子显微镜可观测到纳米碳的粒径绝大多数在15nm左右，少数在70nm左右。纳米碳与无机-有机高分子材料复配，即得JR纳米碳防腐导电涂料。

5.2 JR纳米碳防腐导电涂料的导电性

JR纳米碳防腐导电涂料是在镍粉和石墨粉防腐导电涂料挂网运行经验的基础上，研制的新一代防腐导电涂料。纳米碳作为导电添加剂，比石墨粉和镍粉赋予涂料更好的导电性。镍粉、石墨粉和纳米碳的物质结构与导电性如表3所示。

表3  镍粉、石墨和纳米碳的物质结构与导电性

5.3 JR纳米碳防腐导电涂料的防腐性

当导电材料的粒径φ＞100nm时，它与成膜物质之间只是一种简单的物理混合，界面分明，补强性和封闭性差；当导电材料的粒径φ＜100nm时，其比表面积很大，表面能也很大，具备纳米材料的共性。此时，纳米导电材料与成膜材料以几乎同一数量级的粒径相互渗透，彼此无明显的界面。纳米涂料封闭功能好，电解质溶液无法渗透到涂层内部。由于采用纳米技术，JR纳米碳防腐导电涂料的防腐性比一般涂料更好。

5.4 JR纳米碳防腐导电涂料的热稳定性

JR纳米碳防腐导电涂料的热稳定试验在武高所动热稳定实验室进行。在50×5×1000mm的扁钢上均匀涂刷JR纳米碳防腐导电涂料（涂层长850mm，两端各预留75mm打孔安装），涂层实干后开始试验，并记录了通电（30KA、3S）前后涂层的变化及直流电阻值。通电前涂层的直流电阻为0.15Ω；通电时扁钢被烧红，在第2.3秒时扁钢被30KA大电流击断；扁钢冷却后，可观察到涂层未被烧失，测得涂层直流电阻为0.03Ω。为什么涂层的电阻率会变小呢？这是因为在扁钢被烧红的同时，涂层发生了烧结，纳米碳变得更致密，电阻率变得更小。

在中性点直接接地的交流输电系统中，故障时会有数十千安的短路电流经地网入地。热稳定试验说明，一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击时，JR纳米碳防腐导电涂料不会被烧毁。

5.5 JR纳米碳防腐导电涂料的成果鉴定与企业标准

JR纳米碳防腐导电涂料经过用户试用后，于2003年6月通过了湖北省科技厅主持的科技成果鉴定。该项成果的鉴定证书号为：鄂科鉴字[2003]第22273130号，成果登记号为：EK030559。该产品的企标标准号为Q/WHRY01-2003，企标标准备案号为QB420111/1417-2003。JR纳米碳防腐导电涂料企标标准如表4所示。

表4  JR纳米碳防腐导电涂料企标标准（Q/WHRY01-2003）

5.6 JR纳米碳防腐导电涂料的应用情况

JR纳米碳防腐导电涂料项目在完成湖北省科技厅组织的成果鉴定后，陆续在省内外部分电力接地网防腐工程中得到应用。已采用JR纳米碳防腐导电涂料的用户单位如表5所示。

表5 JR纳米碳防腐导电涂料的用户单位

部分用户单位对涂有JR纳米碳防腐导电涂料的地网开挖检查，发现涂膜完好、表面接触电阻无变化。JR纳米碳防腐导电涂料的挂网运行年限虽短，但其适用性已开始受到地网设计专家的关注。

6 结束语

    电力系统交流接地网的腐蚀与防护研究，是一项关系电力工业安全生产的头等大事，高电压工作者在这方面做了很多有意义的尝试，并取得了很多有益的经验。面临地网腐蚀现状，有人提出用铜材做500kv及以上地网。须知，铜做地网会污染地下水。在环保呼声日益高涨的今天，我们要反思自己的地网防腐措施，要研究和借鉴国宝编钟的防腐手段。由于地网的防腐涉及多学科，因此有必要将地网设计专家、化工防腐专家组织起来，共同研究和制定符合我国国情的交流系统接地网的防腐设计与施工规范。

参考文献

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［4］JhonF.scamegorn Phewomena in Mixed Surfactant Systems．ACS Symposium Series．New Yourk：Marced Dkker,1998．

［5］荻原正明．静电分离技术．东京：静电气学杂志，1993．

［6］邵建人．纳米碳的集聚性、分散方法和应用．武汉市科技局纳米材料研究、应用和产业化研讨会论文集．武汉：2001． 

Study on Corrosion and Protection

of Grounding Grid in AC System

Shao Jianren   Le Yanting

Abstract: This thesis discusses the corrosion factors and protective measures of AC grounding grid in the electric power system and presents the preparation and performance of conductive anticorrosive JR Carbon Nanocomposite coating. Besides, its application in the corrosion protection of grounding grid is also presented. The conductive anticorrosive JR Carbon Nanocomposite coating can not only meet the special requirements of thermal stability of grounding resistance and the grounding grid, but also protect the grounding grid against corrosion in the moist soil environment effectively.

Key words: grounding grid; corrosion; protection 

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