2016, Vol. 49文章信息
- 王浩屹, 饶雪, 常湧
- WANG Haoyi, RAO Xue, CHANG Yong
- 复杂山地环境下变电站接地网的联合保护
- Research on substation grounding grid combined protection in complex mountain environment
- 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(4): 597-602
- Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(4): 597-602
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-04-019
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文章历史
- 收稿日期: 2015-08-21
2. 广州供电局有限公司，广东 广州 510000
2. Guangzhou Power Supply, Guangzhou 510000, China
接地网设计使用寿命约为20 a，但在实际使用中，由于土壤腐蚀，平均每5 a就要对地网进行开挖抽样测验[1]，如果情况严重就要重新更换接地网，大大提高了电网的运行成本.接地网的使用寿命，取决于其满足地网接地电阻达标的使用时间[2].而接地电阻大小与土壤电阻率有着直接关系[3].高土壤电阻率山区接地网的接地电阻普遍不达标[4]，此外，地形复杂的山区土层分布通常极不均匀，土壤中可能含有大量可以遇水溶解的无机盐，这些因素将导致接地网金属形成原电池，造成接地网的电化学腐蚀[5].接地网腐蚀会影响系统正常泄电流，缩短接地网使用寿命，给电力系统的连续、经济、安全运行带来诸多隐患[6].因此对接地网采用有效的防蚀措施非常重要.
文献[7]中提出的增加接地体截面积的方法，虽能有效抑制腐蚀并减小接地网接地电阻，但施工中需要耗费大量人力物力，且对于已经敷设好的接地网并不适用.文献[8]中提出的施加化学防蚀降阻剂的方法，可以改善腐蚀性较强的土壤环境同时达到降阻目的，但化学降阻剂中往往含有重金属离子，容易造成环境污染.文献[9]中提出的采用导电涂料防腐的方法，虽能有效防腐且对环境无害，但导电涂料一旦老化、破损，会与被保护的金属形成原电池，大大加快腐蚀速度.
研究表明，金属在土壤中所产生的腐蚀95%以上属于电化学腐蚀[10].文章有针对性地研究了接地网电化学腐蚀机理，针对高土壤电阻率这一特殊环境，设计提出了基于电化学的联合保护方法，较传统方法而言，效果显著、可靠性强，实际结果显示能够有效减缓接地网腐蚀速率70%以上.
1 接地网阴极保护技术 1.1 接地网电化学腐蚀金属电化学腐蚀的本质，就是金属在土壤电解质环境中发生氧化反应而失去电子[11].其失去电子的能力大小可以用电极电位来衡量：
式中:E0表示金属标准电位；R为气体常数；T为温度；n为不同金属的离子价；F为法拉第系数；C为离子浓度.
电极电位是金属本身的性质，呈现负电极电位的金属通常比较活泼，容易失去电子，如铁、锌等；反之呈现正电位的金属，则不易受到腐蚀，如铜、金等.发达国家多采用铜作为接地网主要材料，我国铜资源有限，多采用角钢和镀锌扁钢.
接地网在土壤环境中的电化学腐蚀主要分为宏观电池腐蚀与微观电池腐蚀2种.宏观电池腐蚀，指的是土壤中理化性质不同的2种金属接触会形成电化学电位差进而形成原电池，呈现负电位的一端将成为阳极失去电子而被分解腐蚀[12].微观电池腐蚀的主要原因是接地网材料采用的不是高纯度的单一金属，微小杂质附着于金属表面会造成局部不均匀，形成许许多多完整回路的微电池.其中，宏观电池腐蚀是接地网腐蚀的主要原因，据统计80%接地网腐蚀来源于宏观电池腐蚀.
1.2 阴极保护技术原理传统防腐蚀手段效果有限，且不可避免地存在自身缺陷.而接地网腐蚀的主要过程是电化学腐蚀，因此要有效抑制接地网的腐蚀，必须有针对性地采用电化学保护方法.阴极保护技术正是以电化学为基础的保护方法.
阴极保护技术，是指对接地网金属人工施加一个直流阴极电流，在阴极电流的作用下，金属的实际电位降低，使得金属相对于土壤的电位差低于金属原本的标准电极电位，使金属从较活跃的阳极转变成具有阴极特性的组成部分，从根本原因上抑制金属的腐蚀[13, 14].图 1为阴极保护的原理分析图.
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| 图 1 阴极保护电化学原理示意图 Figure 1 Electrochemistry principle schematic diagram of cathodic protection |
图 1中Ea和Ec分别表示金属阳极和阴极在开路情况下的电位值.当金属发生电化学腐蚀时，阴极和阳极电位分别发生偏移，二者最后达到相同电位值，即Ecorr，如图中的S点，这时金属的腐蚀速率就是腐蚀电流Icorr所对应的速率.在施加阴极保护法后，外加直流电流会使原本呈现阳极特性的金属阴极化，阳极电位从Ecorr会继续向下移动，到达图中的E1点形成新的平衡，这时阳极和阴极的电位都是E1，反应位于C点，此时所对应的电流已明显小于原来的腐蚀电流Icorr，腐蚀速率降低.金属腐蚀学研究表明：当金属的极化电位低于金属本身初始电位0.1 V以上时，腐蚀速率就十分明显地降低[15]，因此，在实际保护工程中，以低于金属初始电位0.1 V为标准，就能实现对接地网的防蚀保护作用.
2 山区接地网保护方案设计山区土壤电阻率高，地形复杂，土层分布极不均匀，土壤中可能含有大量可溶性无机盐，这些因素使得接地网极易形成微观电池或宏观电池，造成腐蚀.山地地区发生雷击的频率相对较高，故障时由于土壤电阻率较高泄流速度慢，容易给人身及设备安全带来隐患，因此对这类特殊环境下的变电站接地网需要更加精细有效的保护手段.
2.1 保护原则此类山区土壤电阻率过高且分布不均匀，因此在设计保护方案时，首先要从接地网的周围环境出发，利用降阻剂进行降阻，调整改善周围的土壤环境，对接地网进行初步保护.传统的化学降阻剂使用时必须依靠水参与才能产生电解，间接地扩大接地体截面积，显然不适用于山地复杂环境，且容易造成环境污染.
为此本方案采用一种新型的改性填料，起到降阻保护作用.该填料是以多孔焦炭和有机胶体为主的物理降阻剂，会吸附分布在接地网周围，由于焦炭和有机胶体的良好导电性，能降低接地电阻，焦炭多孔结构能有将阳极反应中所产生的气体及时疏散到周围土壤中，避免了气阻形成，改性材料与阳极相互接触，有效地为阳极分解提供分担，降低了阳极材料的损耗速率.
由于山区土壤电阻率较高，需要人为提供较大的阴极电流.为此选用外加电流的电化学保护方法，利用外加直流电源给被保护的金属提供一个负的保护电流，使金属呈现阴极特性.
2.2 工程实例设计该变电站位于甘肃省南部地区的高土壤电阻率山区，投运于2002年，电压等级为330 kV，规模较大.其接地网最初是采用40 mm×5 mm的普通扁钢，投运10 a后进行开挖检测时，发现一部分接地网已经被腐蚀，腐蚀严重区域已经出现断层、裂痕和腐蚀凹陷等现象，导致接地网失效，必须更换接地网，并且对接地网实施有效的保护.
针对该地区的腐蚀情况，于2012年对该变电站的土壤环境进行了取样和分析，重新设计了接地网并实施了保护措施，用70 mm×8 mm镀锌钢材料重新布置接地网.利用电化学保护的方式对接地网进行保护，保护于2013年10月正式投入运行.
利用温纳四极法在变电站外围对土壤电阻率进行测量，测得的电阻率如表 1所示.
| 地点 | 电流/A | 电压/V | 电阻/Ω | 土壤电阻率/(Ω·m) |
| 1 | 0.392 | 2.22 | 5.66 | 355.0 |
| 2 | 0.625 | 1.26 | 2.016 | 126.6 |
| 3 | 0.195 | 0.532 | 2.728 | 171.3 |
| 4 | 0.625 | 2.97 | 4.752 | 298.4 |
从表 1的4个测试点的数据可知，该地区的土壤电阻率极大，且呈现不均匀分布，在该土壤环境下接地网容易形成原电池，腐蚀速率较快.
1) 新型改性填料
针对不同区域的电阻率情况，按量施加有机炭和有机胶体所组成的防蚀物理降阻剂对土壤进行调试，结果如表 2所示.
| 土质调整剂/% | 土壤电阻率/(Ω·m) | 土壤电阻率降低百分比/% |
| 0 | 331.0 | 0.0 |
| T2.5 | 323.9 | 38.4 |
| T+N3.3 | 75.1 | 77.3 |
| T+N+W5.0 | 45.2 | 80.1 |
由表 2可知，在施加了防蚀降阻剂后，土壤电阻率显著降低，在使用剂量以及配方比例不同时，降阻效果也有所不同.为达到更好的降阻效果，使土壤趋于均匀，对土壤调整剂的用量随土壤电阻率的变化进行分析，结果如图 2所示.
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| 图 2 土质调整剂对土壤电阻率的影响 Figure 2 Effect of soil modifier on soil resistivity |
由图 2中的曲线可知，在土壤调整剂施加量增加时，土壤电阻率开始均匀下降，在添加量超过2.5%后，电阻率降低幅度大幅提升，直到3%以后，土壤电阻率降低的幅度趋于稳定，由此可以发现，利用这种方式降阻，可以降低土壤电阻率约80%，但使用量应控制在3.5%之内.按此标准施加土质调整剂后，重新对表 1中4个测试点的土壤电阻率进行测试，结果列入表 3中.
| 地点 | 土壤电阻率/(Ω·m) | 施加调整剂后土壤电阻率/(Ω·m) | 土壤电阻率降低百分比/% |
| 1 | 355.0 | 79.9 | 77.5 |
| 2 | 126.6 | 40.4 | 68.1 |
| 3 | 171.3 | 50.9 | 70.3 |
| 4 | 298.4 | 73.7 | 75.3 |
2) 保护电流大小
在外加电流保护的工程实施中，确定外加电流的大小是首要工作.合理的保护电流才能使接地金属达到理想的电位.在实际的保护工程实施中保护电流值一般在10～100 mA/m2范围内.本工程设计中考虑土壤地质实际情况并参考以往工程经验，在确保接地保护效果的前提下，选择保护电流的密度为50 mA/m2.
根据公式对保护电流进行计算：
式中：K1表示保护电流系数，大小为1.25；aI表示保护电流密度，取50 mA/m2；S表示接地网的保护面积，其实际大小为1 825 m2.
3) 辅助阳极选用
辅助阳极与外加电源正极相连，用于构成保护回路.在辅助阳极的设计中，首先需要考虑的就是辅助阳极的使用寿命.
辅助阳极的总质量mg：
式中：T为阳极设计寿命，30 a；I为阳极工作电流，80 A；g为阳极消耗率，0.58 kg/(A·a)；K为阳极利用系数，这里取0.75.
将数据代入得到：mg=1 856 kg.
为保证阴极保护系统的使用寿命，在埋设辅助阳极时，除了要埋设计算所得的重量为1 856 kg的阳极外，还要埋设
在辅助阳极的具体选择上，选择内置铜芯的柔性阳极，它具备良好的泄流能力，并且电流输送稳定均匀，且使用寿命较长，即便在电流通道较长的情况下，也能保证其电流的稳定性，是非常理想的阳极.
4) 自动控制恒电位仪
恒电位仪即外加直流电源，是外加电流保护的核心设备，可以控制与恒定接地网电位的下降量与输出电流量.根据保护电流计算结果，综合考虑使用3台具有断电测量功能的恒电流仪，每台以同样大小的电流同时为地网提供保护电流，平均每台提供38.02 A.
5) 参比电极
参比电极是外加电流保护中的重要设备，它能配合恒电位仪，实时监测金属表面电位，使保护电位及时作出调整，使保护更加精细.设计方案中采用目前使用较多的RD型长效硫酸铜电极，它的工作特性良好.
2.3 保护效果1) 保护系统输出电压和输出电流及参比点电位变化
在恒电位仪开始工作后，不断调整输出电压和电流大小，使接地网的电位能稳定地比初始电位降低100 mV以上.选取其中1台恒电位仪，其现场的运行结果监测如表 4及图 3所示.
| 日期 | 输出电压/V | 输出电流/A | 测量电位/V | ||
| 参1 | 参2 | 参3 | |||
| 初始 | 0 | 0 | -0.678 | -0.615 | -0.660 |
| 2013.10.26 | 11.8 | 18.8 | -0.901 | -0.728 | -0.830 |
| 2013.10.27 | 12.0 | 18.3 | -0.949 | -0.782 | -0.885 |
| 2013.10.28 | 11.2 | 17.1 | -0.960 | -0.797 | -0.893 |
| 2013.10.29 | 10.9 | 16.8 | -0.960 | -0.797 | -0.895 |
| 2013.12.06 | 10.2 | 14.9 | -0.970 | -0.805 | -0.906 |
| 2014.02.06 | 9.2 | 13.9 | -0.911 | -0.812 | -0.886 |
| 2014.04.12 | 9.8 | 14.6 | -0.920 | -0.825 | -0.878 |
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| 图 3 1号恒电位仪回路的输出电压和输出电流变化 Figure 3 Output voltage and output current changes of potentiostat loop #1 |
由表 4和图 3中的数据可知，接地网在实施保护之后，接地网金属的极化电位得到了有效的改善，在运行100 d以后，恒电位仪的输出功率趋于平稳，此时，不同区域的接地网参比电极所测得的电位值均降低到初始电位的200 mV以下，说明该设计方案的实施可靠有效.为了使接地网的保护达到最理想的经济状态，应参考参比电极测得数据，不断调整控制电路，使得金属的保护电位低于初始电位100 mV以上，此时系统的保护效果达到理想水平，运行的经济性良好.
2) 埋片失重测试
为验证保护效果，在电站保护系统安装的同时进行埋片实验.实验中将2组试片分别埋设，1组用电缆与接地网连接，另1组与接地网环境相隔离，既没施加防蚀降阻剂也没连接保护系统.实验在系统运行310 d后将2组埋片同时取出进行对比和测量.
在取出试片的过程中发现该变电站土壤中的地下水位很高，2组埋片都受到了一定程度的地下水侵蚀.其中没有连接保护系统接地网的1组埋片表面有明显的锈迹，已经很难辨别材料的原始外貌，其腐蚀情况比较严重.经过化学处理后，对金属进行称重测量，此时显露出金属的外貌如图 4、5所示.
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| 图 4 未连接接地网保护系统的埋片 Figure 4 Test block without connected to protection system of grounding grid |
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| 图 5 连接了接地网保护系统的埋片 Figure 5 Test block connected to protection system of grounding grid |
对埋片进行处理后测量其损失重量，最后的结果如表 5所示，由数据分析可知，连接了接地网保护系统的试片损失重量平均值为22.85 g/m2，而未连接接地网保护系统的试片失重平均值为73.74 g/m2，说明采取接地网保护的试片腐蚀程度远远低于未采取保护措施的埋片，验证了保护系统的有效性.该保护系统大大降低了接地网在土壤中的腐蚀速率，对接地网起到了保护作用，其防蚀保护度达到了70%.
| 编号 | 埋设前后损失重量/(g·m-2) | 平均腐蚀速率/(mm·a-1) | |
| 不连接地网 | 1 | 84.57 | 0.012 4 |
| 2 | 72.81 | 0.010 7 | |
| 3 | 63.84 | 0.009 4 | |
| 连接地网 | 10 | 24.02 | 0.003 5 |
| 11 | 21.56 | 0.003 2 | |
| 12 | 22.97 | 0.003 4 |
针对变电站接地网的腐蚀机理，结合高土壤电阻率山区的实际情况，将外加电流保护与新型改性涂料相结合，优化设计了基于电化学的接地网联合防蚀保护方案.通过330 kV工程实例对保护效果进行分析，恒电位仪现场运行结果反映出各区域金属电极电位均明显降低，下降幅度在200 mV以上.经过310 d的埋片实验发现：与保护系统相连接的试片损失重量平均值为22.85 g/m2远低于未连接保护系统试片损失重量平均值73.74 g/m2，其保护效果高达70%，验证了在高土壤电阻率环境下，电化学防蚀保护方法具有很强的可靠性和应用价值.
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