交流系统接地网的腐蚀与防护研究

1、2006年 4月 第 7卷 第 4期电 力 设 备El ectri ca l Equi p m ent Ap r 12006 Vo l . 7No. 4交 流 系 统 接 地 网 的 腐 蚀与 防 护 研 究邵建人 , 乐晏廷(武汉二十一世纪防腐科技有限公司 , 湖北省 武汉市 430073摘要 :, JR 、 性能及其 在接地网防腐中的应用 , 。关键词 :接地网 ; 腐蚀 ;中图分类号 :0 前言接地是电力系统安全运行的重要保障之一 , 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

2、发的 重大电力运行事故。 文章着重论述交流系统工作接地 网的腐蚀因素与防护措施 , 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 接地网的电化学腐蚀形式(1 点腐蚀 。构成接地网的碳钢可以看作是 由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 , 接 地网 碳钢 发生 微 观 原 电 池 腐蚀 , 这种电 化学 腐蚀 是接 地网 发生 点 腐 蚀 的 主 要原因 。(2 宏观腐蚀 。 在低电阻率土壤环境中 , 整个接 地网与土壤存在电势差而形成腐蚀原电池 , 接地网的 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

3、蚀尤其严重 。(3 局部腐蚀 。 当接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 时 , 接地网各部位也会产生电势差而形成腐蚀原电 池 。 局部 原 电 池 腐 蚀 是 接 地 网 发 生 断 裂 的 主 要 原因 。(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 。(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

4、 波 电 流 加 速 地 网 腐蚀 。 2 接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 , 腐蚀因素复杂 。 由于接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 指标均为接地网腐蚀因素 , 它们分别是土壤电阻率 、 含水量 、 含氧量和微生物等 。2. 2 接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

5、。 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土壤电阻率 / cm -1土壤腐蚀性100很弱 2. 3 接地网腐蚀与土壤含水量的关系接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 , 接地网的腐蚀速率反 而变小 。土壤含水量与 土壤 腐蚀 性的 关 系如 表 2所示 。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 ” 数十吨置换干燥的 、 不保水的 、 电阻率较大的沙石 土 , 以满足接地网接地

6、电阻的设计要求 。 不论是潮湿经验交流 邵建人等 :交流系统接地网的腐蚀与防护研究 71表 2 土壤含水量与土壤腐蚀性的关系土壤含水量 /%土壤含水量特征 土壤腐蚀性 0 土壤不含水 土壤无腐蚀性 1012 土壤含水量接近临界值 土壤腐蚀性递增 1225 土壤含水量保持临界值 土壤腐蚀性最大 2540 土壤有不连续水层 土壤腐蚀性递减 40 土壤有连续水层 较低的恒定腐蚀速率的地质还是用“ 降阻剂 ” 改良的土质 , 接地网都会遭 受到严重的电化学腐蚀 。2. 4 接地网腐蚀与土壤含氧量的关系壤含氧量由以下 2; 壤含氧量少 , 。 在接地网施工回 填土方时 , , 就是这个道理 。 2. 5

7、 接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 , 接地 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 接地网腐蚀 。 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 。3 我国接地网防腐措施及其效果分析3. 1 热镀锌和加大截面接地装置施工及验收规范 G B 50169 1992中规 定 :大中型发电厂 、 110k V 及以上变电站或腐蚀性较 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

8、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接地网 。 由于镀锌层的厚度极其有限 , 因此接地网运行的寿命 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 , 接地网寿命 也不可能成倍增加 。 因此 , 热镀锌和加大截面的效果 不尽人意 。3. 2 导电水泥有观点认为导电水泥可作“ 永久性接地网 ” , 缺 乏理论依据 。 水泥不防水是众所周知的 , 因而接地网 的电化学腐蚀依然存在 。 一旦地网遭受雷电或短路 事故形成的大电流冲击 , 被水泥固定

9、的扁钢会被强大 的热应力击断 。3. 3 牺牲阳极保护地网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 , 可方便地计算出接地网 被保护的年限 。 该工艺广泛应用于石油管道 、 钢桩码 头和大坝闸门等重要防腐工程 。 其缺点是电流密度 的在线监测难度较大 。 保护电流密度太小 , 接地网腐 蚀依然存在 ; 保护电流密度太大 (即所谓过保护 , 接 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 。3. 4 防腐导电涂料防腐导电涂料用于接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 于接地网防腐的涂料 , 、 3,、

10、性能及 应用4. 1 J R 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 JE M 100CX 透射电子显微 镜可观测到纳米碳的粒径绝大多数在 15n m 左右 , 少 数在 70n m 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 。4. 2 J R 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

11、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导电材料 物质结构 导 电 性镍粉 金属晶体 易氧化 , 氧化后不导电石墨粉 层状晶体 层间导电 , 导电有方向性纳米碳 纳米结构 不氧化 , 导电无方向性4. 3 J R 纳米碳防腐导电涂料的防腐性当导电材料的粒径 100n m 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 100n m 时 , 其表面

12、 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 。4. 4 J R 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汉高72 电 力 设 备 第 7卷 第 4期压研究所动热稳定实验室进行 。 在 50mm 5mm 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

13、打孔安装 , 涂层 实干后开始试验 , 并记录了通电 (30k A , 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. 15; 通电 时 扁 钢 被 烧 红 , 在 第 213s 时 扁 钢 被 30k A 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. 03。 在扁钢被烧红的同 时 , 涂层发生了烧结 , 纳米碳变得更致密 , 因此 , 涂层 的电阻率变得更小 。在中性点直接接地的交流输电系统中 ,有数十千安的短路电流经地网入地明 ,时 , JR 。4. 5 J R标准 JR 纳米碳防腐导电涂料经过用户试用后 , 于 2003年 6月

14、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 业标准号为 Q /WHRY012003, 企业标准备案号为 QB420111/14172003。 JR 纳米碳防腐导电涂料企业 标准如表 4所示 。表 4 J R 纳米碳防腐导电涂料企业标准(Q /WHR Y012003项 目 指 标在容器中的状态 搅拌后均匀 , 无结块固含量 5560表干燥时间 /h 1实干燥时间 /h 12耐冲击强度 /cm 不小于 50附着力 /级 1耐盐碱性 (10%NaCl 720h 不起泡、 不生锈电阻

15、率 / c m 10-3大电流冲击 (30kA /3s 涂层不烧失4. 6 J R 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 。 2004年采用 JR 纳米碳防腐 导电涂料的用户单位如表 5所示 。部分用户单位对涂有 JR 纳米碳防腐导电涂料的 接地网开挖检查 , 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接地网设计专家的关注 。 表 5 2004年 J R地 网 地 点 时 间 kV 湖北丹江 200401 湖北大冶 2

16、00404 110kV 变电站 武汉武钢 200407 武钢二冷轧 110kV 变电站 武汉武钢 200411 齐鲁石化电厂煤代油技改项目 山东齐鲁 200402 华泰 2135MW 热电项目 山东华泰 200412 戈阳 220kV 变电站 江西戈阳 200407 鄂豫 回路 500kV 线 鄂输变电 2004035 结束语电力系统交流接地网的腐蚀与防护研究关于电 力工业安全生产 , 高电压工作者在这方面做了很多有 意义的尝试 , 并取得了很多有益经验 。 由于接地网的 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

17、的防腐设计与施工规范 。收稿日期 :20051031作者简介 :邵建人 (1947 , 男 , 高 级 工 程 师 , 从 事 地 网 防 腐 研 究 工作 ;乐晏廷 (1964 , 男 , 高 级 经 济 师 , 从 事 地 网 防 腐 经 济 研究 。(责任编辑 孙瑜 S tudy o n Co rr o s i o n a nd P r o te c ti o n o f AC S ys tem G r o und i ng N e tSHAO J ian ren, LE Yan ting(W uhan 21st Century Anticorr osive Science and Technol ogy Co . , W uhan 430073, China Ab s tra c t:This paper discussed the corr osi on fact ors and anticorr osive measures of AC syste m gr ounding net, intr oduced the p repa