（环境工程专业论文）变电站接地网的腐蚀防护.pdf

摘要 摘要 接地装置是变电站中确保工作接地、防雷接地、保护接地的的必备措施。在接地网 防腐措施中，阴极保护是一种科学、可行的方法，对于已运行的接地网，尤其是在沿海 及潮湿土壤地区对电化学腐蚀严重的接地网实施阴极保护，施工简单、保护效果好。 但是接地网阴极保护参数存在一个最佳值，以往都以经验值来初步确定。而本课题 旨在根据实验室模拟试验，用电化学阻抗谱测试研究外加电流阴极保护的参数，分别对 镀锌钢和碳钢在土壤浸出液中阴极极化行为进行了研究，通过实验室模拟实验快速地确 定阴极保护参数。并选择一个海边的变电站进行实际的应用，整套外加电流保护系统运 行2 0 0 多天以来，运行稳定正常，并经开挖、检查，表明对碳钢的平均保护度已达到了 9 0 以上。 本课题同时开发了一个智能远程监控系统，能通过智能控制手段控制整个阴极保护 系统，以达到最佳的保护效果，该系统主要实现对恒电位仪电压电流信号的采集以及电 流、开关量的控制，同时还具有远程的通信能力；控制端的设备主要是电脑与通信模块， 通过编写友好的、易于操作的p c 程序，实现对远程的恒电位仪的数据采集与控制功能； 能根据现场情况的变化，调整阴极保护参数；抛开电话线等有线网络的束缚，而采用无 所不在的移动网络作为信息传输的媒介，使得通信信道的建立更为方便，运行的费用也 大大降低。 本课题分别采用电化学方法测量了镀锌钢和碳钢电极在不同的电位下电化学阻抗 谱，建立了确定其阴极保护参数和最佳保护电位的方法，结果表明采用电化学阻抗谱可 以确定金属材料在给定条件下的阴极保护参数，在实际中应用整个防腐系统能很好地延 缓腐蚀，且有效地延长了接地网的服务寿命。本课题同时还研究了一个阴极保护的智能 远程监控系统。 关键词阴极保护外加电流电化学阻抗阴极保护参数远程监控移动网络 绪论 a b s t r a c t g r o u n d i n gd e v i c ei nt h es u b s t a t i o ni st oe n s u r et h a tt h ew o r ko ft h eg r o u n d i n g ， l i g h t n i n gp r o t e c t i o ng r o u n d i n g , g r o u n d i n gt h ep r o t e c t i o no ft h ee s s e n t i a lm e a s u r e s n e t w o r kg r o u n d i n gi nt h ea n t i c o r r o s i o nm e a s u r e s ，c a t h o d i cp r o t e c t i o ni sas c i e n t i f i c a n df e a s i b l em e t h o df o rg r o u n d i n gh a sb e e ni no p e r a t i o nf o rt h en e t w o r k , p a r t i c u l a r l yi n m o i s ts o i la n dc o a s t a la r e a so fe l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no ft h es e r i o u si m p l e m e n t a t i o n o ft h en e t w o r ko fg r o u n dp r o t e c t i o nc a t h o d e ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，t h ep r o t e c t i v ee f f e c t b u tt h eg r o u n dn e t w o r ko fc a t h o d i cp r o t e c t i o np a r a m e t e r so ft h eb e s tt h e r ei sa v a l u ei nt h ep a s ti no r d e rt oh a v et h ee x p e r i e n c et od e t e r m i n et h ei n i t i a lv a l u e t h ea i m s o ft h i si s s u ei na c c o r d a n c e w i t hl a b o r a t o r ys i m u l a t i o n s ，e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c et e s t s t u d yp l u sc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o np a r a m e t e r s ，r e s p e c t i v e l y ，o fg a l v a n i z e ds t e e la n d c a r b o ni nt h es o i ll e a c h i n gs o l u t i o nc a t h o d ep o l a r i z a t i o nb e h a v i o rh a sb e e ns t u d i e d t h r o u g hl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sq u i c k l yd e t e r m i n et h ec a t h o d i cp r o t e c t i o n p a r a m e t e r s a n dac h o i c eo ft h es e at oc a r r yo u tt h ea c t u a ls u b s t a t i o na p p l i c a t i o n s ，p l u s as e to fc u r r e n tp r o t e c t i o ns y s t e mt or u nm o r et h a n2 0 0d a y ss i n c et h es t a b i l i t yo ft h e n o r m a lo p e r a t i o n ，a n dw i t ht h ee x c a v a t i o n ，i n s p e c t i o n ，s h o wt h a tt h ea v e r a g ec a r b o n s t e e lo nt h ed e g r e eo fp r o t e c t i o nh a sr e a c h e d9 0 a tt h es a m et i m e ，t h i si s s u eh a sd e v e l o p e da ni n t e l l i g e n tr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m s ， i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h r o u g ht h em e a n so fc o n t r o lo ft h ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e mi n o r d e rt oa c h i e v et h eb e s tr e s u l t st op r o t e c tt h es y s t e ma g a i n s tt h em a i np o t e n t i o s t a t v o l t a g e c u r r e n ts i g n a la n dt h ec u r r e n tc o l l e c t i o n ，e a s y t o p co p e r a t i n gp r o c e d u r e sf o r t h er e a l i z a t i o no ft h el o n g - r a n g ep o t e n t i o s t a td a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n s ； a c c o r d i n gt ot h es c e n et h es i t u a t i o nc h a n g e s ，a d j u s tt h ep a r a m e t e r so f c a t h o d i c p r o t e c t i o n ；t e l e p h o n el i n et op u ta s i d et h es h a c k l e so fc a b l en e t w o r k s w e r et h es u b j e c to ft h eu s eo fe l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d so fm e a s u r i n gt h eg a l v a n i z e d s t e e la n dc a r b o ne l e c t r o d e si nd i f f e r e n tp o t e n t i a le i s ，e s t a b l i s h e dt od e t e r m i n et h e c a t h o d i cp r o t e c t i o np a r a m e t e r sa n dt h eb e s tw a yt op r o t e c tp o t e n t i a l t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eu s eo fe i sc e r t a i nm e t a lm a t e r i a l si nag i v e nu n d e rt h ec o n d i t i o no fc a t h o d i c p r o t e c t i o np a r a m e t e r s ，i np r a c t i c et h ew h o l ea p p l i c a t i o no fa n t i c o r r o s i o ns y s t e mc a n s l o wd o w nt h ec o r r o s i o nw e l l ，a n de f f e c t i v e l ye x t e n dt h es e r v i c el i f eo ft h eg r o u n d i n g g r i d k e yw o r d s ：c a t h o d i cp r o t e c t i o n ；a p p l i e dc u r r e n t ；e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ；c a t h o d i cp r o t e c t i o np a r a m e t e r s 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓塞通太堂：，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 9 日 撇名：、水? 歹祧 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 9 日 学位论文作者毕业后去向：浙江省电力试验研究院 工作单位：浙江省电力试验研究院环化所电话：0 5 7 1 5 1 2 1 1 5 4 5 通讯地址：杭州市朝晖八区华电弄撑1邮编：31 0 0 0 0 电子信箱：t i a n h a o h z c n c t o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 9 日 大连交通大学工程硕+ 学位论文 绪论 接地网是电网安全运行的重要装置，据广东、山东、江苏、安徽等地调查，一般接 地网1 0 年就会腐烂，快的4 年就已经腐烂，使得电网的安全运行受到潜在的威胁。鉴于 经济方面的考虑，接地装置一般采用镀锌碳钢( 扁钢、圆钢) 。由于接地装置长期处于 地下恶劣的运行环境中，土壤的化学与电化学腐蚀不可避免，同时还要承受地网散流与 杂散电流的腐蚀，接地网的腐蚀会造成电气设备“失地”，接地电阻升高，影响电气设 备的安全运行。接地网一般包括水平敷设接地体、垂直接地极以及连接器。在国内，水 平接地体由圆钢或扁钢焊接而成，垂直接地体用角钢或钢管组成。其中任何一个元件损 坏将导致整个系统失效。在接地装置一定的情况下，土壤电阻率越大接地电阻也越大。 为满足接地电阻的设计要求，变电站常建在土壤电阻率较低的海滨、江滩等低洼潮湿处。 据美国腐蚀工程师协会金属腐蚀调查资料表明，碳钢在土壤中腐蚀速率与土壤电阻率有 关：电阻率低于1 0 0 q c m 时，年腐蚀率大于l m m ；电阻率为1 0 0 0q c m 时，年腐蚀速率 0 2 r a m 。如果条件有限，变电站无法建在潮湿的地方，常在埋设地网时，用化学降阻剂 置换干燥的、电阻率大的沙石土。化学降阻剂中含有各种盐、c 1 。等，加重接地网腐蚀。 因此无论是潮湿的地质还是用化学降阻剂改良的土质，接地网都会遭受到严重的电化学 腐蚀。接地网遭受电化学腐蚀，原因是土壤中金属和介质的电化学不均一性形成腐蚀原 电池。这一现象在接地引下线的地面与土壤的界面部位尤其严重。由于土壤成分及结构 的复杂性，金属在土壤中的腐蚀远比在大气中腐蚀复杂的多。碳钢在土壤中腐蚀主要为 吸氧腐蚀，土壤中的水溶解大量的氧并且增加氧的扩散速度。土壤中厌氧微生物的新陈 代谢产物可改变土壤氧浓度、电解质浓度和土壤p h 值，能促进电化学腐蚀的阴极去极化 过程而加速地网腐蚀。土壤中的各种盐，具有很强的腐蚀性，最有害的是氯离子，它破 坏金属钝化膜。土壤的特殊环境致使碳钢在土壤中极易腐蚀。一般接地网构件1 0 a 腐蚀 锈断，快的仅需3 - - 4 a 。接地网腐蚀导致接地电阻升高，不能满足接地网设计要求，在 遭受雷电或短路时，引发大面积电网事故。综上所述，造成接地网腐蚀的主要原因如下： ( 1 ) 腐蚀微电池作用 金属表面总是不可避免地存在物理和化学性质的微观不均匀性，这种微观不均匀性 导致金属表面各处电位存在差异，从而形成了许许多多的微阳极区和微阴极区，在土壤 中构成了腐蚀微电池，从而导致金属不断受到腐蚀。 ( 2 ) 电偶腐蚀 将两种具有不同电位的金属电性连接，置于同一种电解质就构成了电偶腐蚀电池。 其中电位较负的金属作为阳极，电位较正的金属作为阴极，作为阳极的金属将发生溶解 4 绪论 而产生腐蚀。两种金属间电位差越大、驱动电压越高，结果腐蚀电流越大。当存在大阴 极、小阳极时，腐蚀将会大大加速，并集中在局部，从而导致阳极区发生严重坑蚀或穿 孑l 。例如，新的碳钢接地材料和旧的碳钢接地材料或不同金属相连，会形成腐蚀电偶， 这时新的接地材料将作为阳极加速腐蚀而旧的接地材料作为阴极获得保护。这种情况在 接地网改造和扩建中尤为常见。 ( 3 ) 土壤不均匀性造成的腐蚀 变电所的土壤总是不可避免地存在差异，如各处土质不同、土壤密实程度不同导致 充气程度存在很大差异，当碳钢接地系统穿过这些土壤区域时，就会形成氧浓差腐蚀电 池，充气较差区域的接地系统将作为阳极区而加速腐蚀。土壤中氧浓差腐蚀电池的存在 是碳钢接地系统产生严重腐蚀的重要原因之一。 ( 4 ) 微生物腐蚀 土壤中的微生物对金属腐蚀有很大影响。这类微生物主要有厌氧的硫酸盐还原菌和 好氧的硫杆菌、铁细菌等，其中以硫酸盐还原菌最甚。 ( 5 ) 杂散电流腐蚀 杂散电流特别是直流杂散电流能引起严重的土壤腐蚀，其实质是一种因土壤存在漏 电流而产生的电化学腐蚀。交流漏电比直流漏电产生的杂散电流腐蚀要轻得多，一般为 同等电量的直流杂散腐蚀量的1 左右。由于变电所接地网的作用就是向大地排放各类 故障电流、感应电流、雷击电流等，因此接地网必然会受到杂散电流腐蚀。 而这几种腐蚀中，电化学腐蚀最为严重。因此，确保接地网免受腐蚀是保证电网稳 定安全运行的主要措施，防止或减缓接地网的腐蚀是一个重要的研究课题，对电力生产 的安全经济运行具有重大的意义。 由于地网工程的隐蔽性，对于接地网设计一般变电所年限不应小于3 0 年，重要枢纽 变电站的地网寿命应按5 0 年考虑。因此如何有效的减缓和防止地网腐蚀，成为确保电网 安全运行的关键因素之一。目前，国内外接地网防腐主要有以下几种方法。 ( 1 ) 加大接地体截面解决地网腐蚀 加大接地体截面是解决地网腐蚀的有效手段之一。近2 0 年来，为了避免腐蚀引发事 故扩大等不安全因素，电力设计部门对地网的设计采取增大接地体截面来弥补其腐蚀， 输电线直径由早期的6 m m 增7 3 i l n l o m m 或1 2 m m ，钢材增加了4 倍甚至1 0 倍。然而接地体 截面加大所带来相应的问题是增加了钢材的消耗量以及接地体的焊接和弯、折等施工的 困难。 ( 2 ) 采用导电水泥或沥青进行保护 5 大连交通大学工；f 旱硕士学位论文 用导电水泥作“永久性地网”缺乏理论依据。由于水泥不防水，因而地网的电化学腐 蚀依然存在。一旦地网遭受雷电或短路事故形成大电流冲击，被水泥固定死的扁钢会被 强大的热应力击断，水泥块体发生炸裂。有的地方还采用沥青防腐，但这样增大了接地 体的电阻；均不是理想有效的防腐措施。 ( 3 ) 牺牲阳极保护接地网 牺牲阳极保护接地网，是在将要保护的接地体上敷设比该接地体活泼的金属作为阳 极( 原电池阴极) ，使被敷设上的金属受到腐蚀，而接地体本身得到保护。其缺点是电流 密度在线监测麻烦。如设计保护电流密度太小，则地网腐蚀依然存在。其他阴极保护法 也存在同样的问题。而且接地装置是一个敞开而分散的结构体系，采用牺牲阳极对接地 网进行全面保护则难以实施。 ( 4 ) 采用镀锌法保护接地网 采用镀锌法防腐的问题则是有效寿命较短。锌在盐碱地很快会被氯离子腐蚀，且由 于镀锌层的厚度极其有限，因此地网运行的寿命也有限。锌的耐蚀性不如铜。文献中显 示铜接地极1 3 年腐蚀掉0 0 0 0 1 2 m m 厚，而镀锌接地极1 0 年腐蚀掉镀层0 0 6 3 5 m m 。一般的 接地装置，大多采用圆钢、扁钢、角钢或钢管等碳素钢材。铁是一种化学性质比较活泼 的元素，在常温常湿的条件下就能与多种非金属元素及盐类发生化学反应，会锈蚀和腐 蚀。在一般的土壤中，碳钢的年平均腐蚀厚度在0 2 m m 左右；在严重污染的环境中，最 大年平均腐蚀厚度达3 r a m 。为减缓腐蚀速度，后多采用热镀锌件，锌的抗腐蚀能力比铁 高，在一般土壤中，年平均腐蚀厚度仅有0 0 6 5 r a m ；但是，我国的热镀锌层厚度一般 只有0 0 5 - - - ，0 0 6 m m ，仅起到一年的保护作用。因此，在强腐蚀性土壤介质中，碳钢接地 网仅靠镀锌层来保护是远远不够的。 ( 5 ) 采用耐蚀非金属接地体作为接地电极和设置非金属保护层 非金属接地体材料有很多种，其中人造石墨电极以易加工、价格低而得到推广使用。 人造石墨电极导电性好，电阻率一般在7 1 0 曲q - c m 1 5 x 1 0 - 6 f 2 m ，化学稳定性好，使用 寿命长，其腐蚀速率比钢小3 0 倍。但石墨易脆，安装时需小心。 为了降低接地电阻和减少接地体的腐蚀，通常在接地体和土壤之间注入保护层，最 常用的是降阻剂。降阻剂分两种，一种是物理降阻剂，呈中性，一种是化学降阻剂，呈 碱性或酸性。化学降阻剂加快接地体的腐蚀，一般不采用。物理降阻剂( 主要成分为石 墨碳粉末和凝胶体) 改善了与接地体接触介质的酸碱性，又隔离了土壤的盐等介质，同 时降阻剂中起凝聚作用的胶体使接地体周围的氧含量下降，这些都有利于接地体的防 腐。降阻剂里还含有缓蚀剂，无机缓蚀剂使接地体的表面生成一层钝化膜，有机缓蚀剂 吸附在金属的表面定向排列，把腐蚀介质与金属表面分隔开，起保护金属的作用。除采 6 绪论 用物理降阻剂外，还可采用石墨粉和焦炭作为保护层，试验表明，有焦炭粉末层保护的 钢的腐蚀率为无焦炭粉末层保护的1 1 0 。 ( 6 ) 采用镀铜法对地网进行防护 从英国引进的b s _ 复合接地极，是采用钢表面实施多次高温电镀铜的工艺，纯度 为9 9 9 电解铜，厚0 2 5 r a m 。该方法能够确保深埋在地下3 0 a 不受腐蚀，腐蚀速率小于l k g a a ，其费用约为钢包铜接地极棒的2 倍。对于寿命要求达到4 0 年的地网，e r i c o 公 司推荐采用镀铜0 2 5 4 m m 的接地极；要求寿命达5 0 年的地网，推荐采用镀铜0 3 3 m m 的接 地极。 ( 7 ) 采用耐腐蚀的金属来代替钢 以美国为代表的许多西方国家直接采用铜做接地体。铜在土壤中腐蚀速率很低，而 且铜和钢相比具有更低的渗透性和更高的导电性。采用铜较碳钢提高接地体寿命1 _ 2 倍，但增加投资5 - - 一6 倍，而且将导致大面积土壤及地下水污染。原苏联曾用不锈钢做接 地体，但不锈钢在土壤中容易产生不可预见的点腐蚀。随着土壤中c l 。和s 0 4 2 。离子含量 的增大，不锈钢腐蚀量增大。而且，不锈钢的成本比碳钢高3 倍，所以一般不用不锈钢 做接地体。与碳钢相比，多数有色金属电阻值低，且有较好的选择性抗腐蚀能力。常用 的有色金属材料有铜、铝、铅、锌等，在接地材料中用得较多的是铜和铅。其中铜在低 浓度的n a o h 、c 0 2 、海水等环境中有较好的抗腐蚀能力；铅在h 2 8 0 4 、s 0 2 的环境中显 得特别稳定，在较高浓度( 9 0 ) 的h 2 s 0 4 环境中，常温下年平均腐蚀厚度也不足0 0 5 r a m ： 铝在n h 3 、c 0 2 醋酸等环境中，年均腐蚀厚度大多不足0 0 5 m m ：锌比较适应的是碱性 环境。因此采用有色金属材料作为接地装置，一般可针对腐蚀介质的情况有所选择，其 耐腐蚀能力要远远高于碳钢。但是，有色金属材料也有其不足之处。其一是价格昂贵， 另外还会给相连的其它地下金属结构带来严重的电偶腐蚀问题，所以未被普遍采用。 ( 8 ) 采用导电涂料防止地网腐蚀 近期有关在接地圆钢或扁钢表面刷导电防腐涂料的方法已有报道。理想的无机导电 耐土壤腐蚀涂料可对接地装置起到很好的防腐作用，并且具有对人无过敏反应、附着力 好、施工简易方便。但国内常用的镍粉型和石墨粉导电涂层均具有一定局限性，镍粉型 导电防腐涂料易氧化，氧化后不导电；石墨粉导电涂层导电具有方向性。最近有人研制 了一种用于地网防腐的纳米碳防腐导电涂料。该涂料不氧化而且导电无方向性，但实际 应用时问尚短。纳米碳是在氮气保护下，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。 纳米碳的粒径绝大多数在15 n m 左右，少数在7 0 r i m 左右。纳米碳与无机一有机高分 子材料复配，即得纳米碳防腐导电涂料。当导电材料的粒径o 1 0 0 n m 时，其表面积很大， 7 大连交通大学- t 程硕十学位论文 表面能也很大，具备纳米材料的共性。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，电解质溶液无法渗透到涂层内部。对纳米碳导电防腐 涂料进行热稳定试验，当扁钢被大电流击穿后，涂层未被烧失，而是发生了烧结，纳米 碳变得更致密，电阻率变得更小。在地网扁钢或圆钢表面涂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。 导电防腐涂料是近年来用于地网防腐的新产品，采用本涂料全程涂刷于裸钢地下接 地装置，相当于为裸钢地网穿了一层既导电又防腐的外衣。据相关资料，导电防腐涂料 可使接地网寿命延长到3 0 5 0 年。但涂层也具有老化问题，此外，涂层总是不可避免地 存在漏涂、针孔、破损等缺陷，腐蚀将会集中在这样一些微小区域，导致碳钢接地材料 的局部腐蚀穿孔或开断。所以施工过程中必须进行除锈处理，不允许有严重锈斑、泥沙、 水分及焊渣存在其表面，以保证涂料沾附强度，从而增加了施工难度。 ( 9 ) 阴极保护 阴极保护是防止地下金属结构物腐蚀的最为有效方法，它是通过对腐蚀反应进行积 极干预，从根本上抑制电化学腐蚀的发生，从而能达到彻底保护的效果。土壤中用的牺 牲锌阳极材料主要有锌和镁合金二种。锌合金阳极的特点是：密度大、理论发生电量较 小，电流效率高，表面溶解均匀，腐蚀产物疏松，容易脱落，在保护钢结构物时，有一 定自调节电流和电位的作用。适于在低电阻率的土壤( p 1 0 ) 中使用。镁合金阳极的 特点是：密度小，电位相当负，对钢的驱动电压大，但电流效率低，一般适用于电阻率 较高的土壤或淡水中：对于埋地牺牲锌阳极，其周围必须加专门的回填料，以降低阳极 的接地电阻并防止阳极表面钝化当采用牺牲锌阳极阴极保护时，只要设计合理、材料选 择正确、施工工艺满足要求，不存在任何安全方面的问题。而且牺牲锌阳极不仅提供保 护作用，还相当于接地极，成为接地网的一部分，使接地网的接地电阻大大降低。 目前国内外采用的接地材料有钢、铜、镀锌、镀铜、钢外涂防腐导电涂料等几种。 美国标准局曾做过铜在土壤中的腐蚀研究。研究表明，由于表面氧化膜的保护作用，铜 腐蚀速率呈逐年减小的趋势，最大年均腐蚀速率为1 0 5 x 1 0i n n l 年。对不同接地极的腐 蚀速率的比较结果说明，镀铜接地极的腐蚀速率明显小于镀锌和钢接地极的腐蚀速率， 镀锌接地极年失重量约是镀铜接地极的2 倍，钢接地极的年失重约是镀铜接地极的6 倍。 涂防腐导电涂层的接地极在浓度为3 5 的硫酸和3 0 的n a o h 中腐蚀速率为零，在浓度 为3 1 的盐酸中腐蚀速率为镀锌接地极的0 1 5 。 接地极的使用寿命，取决于其满足地网接地电阻要求的时间。在一定土壤内，接地 极的电阻值由接地极的长度和半径决定。地网一旦设计好，其腐蚀速率影响接地极的半 8 绪论 径，随地网腐蚀，其半径减小，接地电阻增大。当电阻增大到一定值时，便不能满足地 网要求。所以，接地极的腐蚀速率越小其使用寿命越长。 接地系统的防腐措施主要有改变接地装置材料、涂刷导电防腐涂料、阴极保护三种 方法。其中改变接地装置材料如改碳钢为铜，耐蚀能力是得到了极大的提高，但存在价 格昂贵和给与其相连的金属构件带来严重的电偶腐蚀的问题；刷导电防腐涂料，确实可 以延长接地网的寿命，但是涂层存在老化的问题，同时涂层总是不可避免的存在漏涂、 针孔、破损等缺陷，会在这些区域产生严重的局部腐蚀；而阴极保护是目前防止地下金 属结构物腐蚀的最为有效的方法，它是通过对腐蚀反应进行积极干预，从根本上抑制电 化学腐蚀的发生，从而能达到彻底保护的效果。阴极保护主要分牺牲阳极保护法和外加 电流保护法，两种方法各有利弊，适应于不同保护条件。 在实施阴极保护措施时，通入的阴极极化电流越大，电位负移越显著，金属腐蚀速 度降低的程度也越大。随着电位的不断负移，腐蚀速度降低的幅度是逐渐变小的，而阴 极析氢反应速度却越来越大，可能带来基底金属氢脆等问题，还会消耗更多的保护电流。 所以接地网阴极保护参数存在一个最佳值，需要根据实验室试验及以往进行埋地金属构 件电化学保护的运行经验来初步确定，并通过现场调试逐步确定，并不能仅根据保护电 位是否达到- - 8 5 0 m v ( 相对于铜饱和硫酸铜参比电极) 的标准来确定，同时还应考虑接 地网接地电阻的要求。 目前工程上采用的阴极保护电位数值主要由经验来确定，在许多情况下缺乏十分严 密的理论依据及智能分析手段，且国内的阴极保护检测技术还比较落后，基本上还是人 工测量电位，这给阴极保护系统的维护带来了很大的工作量。本课题旨在通过实验室的 模拟实验方法确定最佳保护电位，并通过智能控制手段控制整个阴极保护系统，以达到 最佳的保护效果。 选用何种防腐措施，我们必须掌握详细的接地网腐蚀状况以及周围土壤特性等相关 材料。而比较上述三种防腐蚀方法，我们倾向于选择阴极保护法，只要设计合理，材料 选择正确、施工工艺满足要求，不存在任何安全方面的问题，而且阴极保护法不仅能提 供保护作用，还相当于接地极，成为接地网的一部分，使接地网的接地电阻降低。 9 大连交通大学工程硕士学位论文 第一章变电站的基本情况 阴极保护法的设计要通过对接地网腐蚀状况和周围土壤特性的调查提出有针对性 的阴极保护方案。而设计的方案的主要内容如下： 1 ) 确定阴极保护法的阳极材料类型。 2 ) 确定接地网的最小保护电流密度和阴极保护电流。 3 ) 确定阴极保护电位。选择适当的阴极保护电位，对于保证保护效果、防止过保护和 节约能源都十分重要。 4 ) 计算阳极接地电阻和输出电流，按照阴极保护设计年限设计所需的阳极质量。 5 ) 选择填包料及阳极埋设方式。 因此我们通过选定了一个靠近海边的尖峰变电站来作为本论文的试点变电站，该变 电站是宁波业局管辖的1 1 0 k v 变电站，位于大榭岛西部小峙村关头老鹰山脚下，所在场 地原来是平坦的农田，周围无污染源，但土层分布比较复杂，且临近海边。该变电站为 2 0 0 1 年3 月投运。至今运行6 年多时间，期间地网未经改造，查1 1 0 千伏小峙变工程 初步设计说明书可得到最初的接地网设计情况，接地网需要保护的面积约为3 0 0 平方 米，采用的扁钢材质是镀稀钍锌铝，具体数据见附录1 。 2 0 0 6 年7 月在1 l o k v 尖峰变电站进行地网开挖检查，开挖后发现局部地区的接地 网扁钢外表面镀锌层被破坏，可见明显腐蚀，如图1 1 所示： 图11 尖峰变电站接地网开挖后镀锌扁钢腐蚀情况图 f i 9 1 1c o r r o s i o nm a p 第一章变电站的基本情况 1 1 土壤腐蚀性的判断 1 1 1 土壤的腐蚀性 ( 1 ) 土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，故土壤是一种腐蚀性电 解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。 ( 2 ) 土壤中含有多种无机物质和有机物质，这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性， 又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的，因此长距离的地下管道和大尺寸的地下设施， 其各个部位接触的土壤的结构和性质可能有较大的变化。土壤中还有大量微生物，对金 属腐蚀能起加速作用。 1 1 2 影响土壤腐蚀性的因素 影响土壤腐蚀性的主要因素有：含水量、含盐量、p h 值、电阻率。 ( 1 ) 土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。 ( 2 ) 氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响，会产生氧浓度差腐蚀电池。 ( 3 ) 土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻 率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。 ( 4 ) p h 值愈低，土壤腐蚀性愈强。当p h 7 5 时，均易腐蚀。 表1 1 土壤腐蚀性判定表 t a b l e1 1t h et a b l eo fs o i lc a u s t i c i t yd e c i s i o n 大连交通大学工程硕士学位论文 1 2 尖峰变电站土壤理化分析结果 根据1 1 0 千伏小峙变工程初步设计说明书( 投运后更名为尖峰变电站，以下同) 中的地质勘察报告，其施工前土壤电阻率为6 2 8q m ，地基土自上而下分布如下： 第一层：粘土 第二层：淤泥 第三层：粘土 第四层：全风化凝灰岩 2 0 0 6 年8 月，采用四点法测量尖峰变的土壤电阻率，测得其东南西北各个测点的土 壤电阻率分布很不均匀，分布在1 3 - - 一7 0q m 之间，这与其变电站施工前的数据( 6 2 8 q m ) 有很大差异。挖开土层后，我们发现其土层已经和原始状态大不一样。很多地 方的地下土壤均为建筑垃圾回填土，局部地区还是原来的沙土，因此需要对其土壤取样， 做进一步的分析。 2 0 0 6 年9 月2 5 日，从尖峰变电站东南西北均匀挖取土壤样品，拿回实验室分析，具体 的理化分析结果如表1 2 和1 3 所示。 表1 2 土壤样品理化性能结果： t a b l e1 2t h er e s u l to fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs o i ls a n a p l e s 1 2 第一章变电站的基本情况 表1 3 土壤样品离子含量分析结果如下： t a b l e1 3t h er e s u l to fi o nc o n t e n ti nt h es o i ls a m p l e 根据表上的数据对照土壤电阻率划分标准来看，该土壤属于中等或较强腐蚀性这一 范围，且土壤分布不是很均匀。这和实际开挖后，看到的扁钢的出现局部腐蚀现象一致。 1 3 本章小结 本章通过对位于大榭岛西部小峙村关头老鹰山脚下宁波尖峰变点站接地网腐蚀状况 和周围土壤特性的调查，提出针对性的接地网腐蚀防护方案。 ， 大连交通大学t 程硕十学位论文 第二章阴极保护方案的设计 阴极保护是给被保护物体通以阴极电流，使之阴极极化而防止腐蚀，主要的保护方 式分为牺牲阳极法和外加电流法两种。 牺牲阳极的阴极保护使利用腐蚀电池的原理，在原来的腐蚀电池体系中接入一个更 加活泼的金属，组成新的宏观腐蚀电池。接入的活泼金属电极电位更负，在新的宏观电 池中处于阳极状态。牺牲阳极的阴极保护的优点在于选材容易，并可随时补充阳极材料， 投运后不需要专门管理。缺点是对于高电阻率的土壤保护效果不佳，且不同安装地点的 阳极腐蚀不均匀，对于设计寿命较长的设备，需要不定期地补充阳极，而且保护电流几 乎不可调。 外加电流法是由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化， 达到阴极保护的目的。外加电流法阴极保护方案由辅助阳极、参比电极、直流电源以及 相关的连接电缆所组成。外加电流法的优点在与保护电压输出可调，可适应意料之外的 一些变化，且不受土壤或水的电阻率限制，缺点是施工安装和调试过程比较复杂，投入 运行后的管理工作量大。 由于尖峰变电站的总面积仅为3 9 3 1 2 平方米，且是一个室内变电站，地下可填埋利 用的总面积有限，同时其土壤电阻率为一个中等较高的土壤电阻率，选择外加电流法阴 极保护更合适。至于投运后的管理工作，我们将设计一款智能控制系统，将极大地降低 后期运行维护费用。 2 1 设计标准及规范 符合但并不仅限于以下现行标准( 以最新版本为标准) ： g b t1 7 9 4 9 卜2 0 0 0 接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和表面电位测量导则 第1 部分：常规测量 s y t 0 0 3 6 2 0 0 0 埋地钢质管道系统强制电流阴极保护设计规范 s y j 2 3 8 6埋地钢质管道阴极保护参数测试方法 s y j 2 9 8 7埋地钢质检查片腐蚀速度测试方法 国家电力公司防止电力生产重大事故的二十五项重点要求 2 2 设计思路 接地网腐蚀防护方案是根据被保护的接地网的具体情况，确定最佳保护方法。设计 思路如下： 1 4 第二章阴极保护方案的设计 ( 1 ) 了解变电站的基本情况。包括接地网的面积、所用材质、腐蚀状况等； ( 2 ) 研究土壤的腐蚀性。包括土壤电阻率、土壤的理化特性等； ( 3 ) 确定合适的阴极保护方法及最佳的参数； ( 4 ) 实现数据的采集及智能监控体系。 2 39 1 , ，j l l 电流阴极保护方案的设计 总的设计依据是s y 厂r0 0 3 6 2 0 0 0 埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范。 2 3 1 保护对象及工程量计算 根据1 1 0 千伏小峙变工程初步设计说明书中统计可得： a 变电站户外接地部分 接地干线角钢5 0 5 0 5l = 2 5 0 05 0 根；面积：2 6 2 5 m 2 接地干线及引上线扁钢 5 0 5长度1 5 0 0 m ；面积：1 6 5m 2 b 1 、2 、3 号楼防雷接地部分 接地干线及引上线扁钢5 0 5长度8 6 0 m ；面积：9 4 6m 2 总工程量约为：面积：2 8 6m 2 考虑到设计余量，本设计方案中工程总量按照3 0 0m 2 来计。 2 3 2 设计要求及参数选择说明 2 3 2 1 设计说明 接地系统是保障整个变电站安全运行的关键，任何腐蚀破坏和由于腐蚀造成接地系 统性能的下降都会直接影响变电所的设备及人身安全。而我国变电站的接地系统多采用 镀锌扁钢、镀锌钢管或角钢，均埋入地下o 8 3 3 m 以下土壤中。由于土壤的腐蚀性， 接地网自埋入地下之日起即受到不同程度的腐蚀。因此，采取合适的防腐蚀技术，对变 电所地下金属构件进行全方位保护是十分必要且势在必行。其中地下钢质接地网的保护 显得更为重要，因为接地网不仅仅遭到工作环境的电化学腐蚀作用，同时还存在因承担 排流作用而带来的电腐蚀，接地网的腐蚀速率总是偏高。 2 3 2 2 方案设计原则 ( 1 ) 方案设计必须确保在3 0 年有效保护期内，被保护对象的保护效果自始至终全面达 标，保护率超出9 0 以上。 ( 2 ) 方案设计过程中，必须全面而充分地考虑非保护对象和工况条件等因素对保护效果 的影响。同时，也必须全面而充分地考虑阴极保护系统对非保护对象的干扰作用，决不 能顾此失彼，也就是说阴极保护系统的实施对非保护对象只能有益，不能有害； 大连交通大学t 程硕士学位论文 ( 3 ) 方案设计过程中，设计参数的选取既要留有余地，确定一个适宜的保险系数，又要 讲究方案的经济性与可行性； ( 4 ) 在阴极保护工程中，应设置保护效果跟踪测试系统，做到有效保护期间内随时可以 提供具有代表性的和说服力的可靠数据，予以评定保护效果； ( 5 ) 在阴极保护方案设计和实施过程中，必须选用优质的产品与设备，进行优良的施工， 予以支撑保护方案的可行性与有效性。 2 3 3 保护电流密度确定 阴极保护电流密度的大小是影响金属构件保护效果的最重要设计参数，它与最小保 护电位( 钢为0 8 5 v ，相对饱和铜硫酸铜电极，即c s e 电极) 相对应。为使被保护的金 属构件达到最小保护电位，必须选取适宜的阴极保护电流密度，如果选取的电流密度偏 低，会造成保护不足，被保护的金属构件达不到完全保护；反之，选取的保护电流密度 偏高，将会造成不必要的经济损失，还可能产生副作用使扁钢上出现阴极析氢反应， 可能带来基底金属氢脆等问题。 阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、防腐涂层的 种类和质量、腐蚀介质的性能、有效保护年限以及外界条件的影响等等，这些因素的差 异可以使阴极保护电流密度由几个帅2 变化到几百个m a m 2 。在国内相应技术规范中， 针对这一部分并无明确规定，通常根据工程实际情况和实践经验取值确定。国际上，埋 地金属裸管等钢质构造物的保护电流密度，一般取1 - - , 1 0 m a m 2 ；裸钢的推荐保护电流 密度为1 0 1 0 0 m a m 2 。本方案综合参考上述推荐值，又充分考虑国内实际情况以及水 平接地网和垂直埋设的接地极以及接地引出线裸露无涂层等情况，以及考虑设计余量， 确定设计保护电流密度6 0 m a m 2 。 那么总的保护电流i = i 术s = 6 0m 刖m 2 木3 0 0 m 2 = 1 8 a 。 2 3 4 最佳保护电位的确定 在实施阴极保护时，通入的阴极极化电流越大，电位负移越显著，金属腐蚀速度降 低的程度也越大。然而，随着电位的不断负移，腐蚀速度降低的幅度是逐步变小的，而 阴极析氢反应速度却越来越大，可能带来涂层氢鼓泡、基底金属氢脆等问题，当然还需 要消耗更多的保护电流。因此，选择适当的阴极保护电位，对于保证保护效果、防止过 保护和节约能源都十分重要。 目前在工程上采用的、甚至在标准中规定的阴极保护电位的数值主要由经验来确 定，在许多情况下缺乏十分严密的理论依据。如在中国石油行业标准s y t 0 0 3 6 2 0 0 0 对 钢构筑物的保护电位准则有如下的规定： 1 6 第二章阴极保护方案的设计 ( 1 ) 在通电情况下，测得管道保护电位为8 5 0 m v ( 相对于饱和c u c u s 0 4 参比电极) 或者更负。 ( 2 ) 管道表面与同土壤接触的参比电极之间测得阴极极化电位差不得小于1 0 0 m v 。 这参数可以是极化的建立或衰减过程中的数。 ( 3 ) 当土壤或水中含有硫酸盐还原菌且硫酸根含量大于0 5 时，通电保护电位应 达到9 5 0 m v ( 相对于饱和c u c u s 0 4 参比电极) 或更负。 以上规定只是非常粗略地提供了一个保护电位的采用原则，实际上工程上采用数据 往往是凭经验来确定，而且当土壤或者其他外部条件变化时，仅仅依靠传统的电位和电 流测量还不能监测正在进行的腐蚀，特别是当土壤中有瓜降存在时，由于测得的电位 值中附加了一个负电压，也不能正确地判定阴极保护达到的水平，因而十分需要有m 降存在时能直接监测腐蚀的技术，以确定阴极保护是否充分。 近1o 年来研究发现，电化学阻抗谱阻1 ( e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ，e i s ) 测试技术为解决这一问题提供