黑龙江省某110kV变电站接地网防腐蚀方案设计

摘要第3章防腐蚀方案设计变电站接地网在电力系统运行中常用的防腐蚀方案有外加电流阴极保护、牺牲阳极保护、涂层保护、表面镀锌等。电力接地网的防腐蚀设计与操作安全、经济效益和人身安全等关键问题密切相关。其中，外加电流与牺牲阳极阴极保护已成为变电站接地网防腐蚀方案设计中常用的两种种方法，它不仅能大大提高变电站接地网的使用寿命，而且可广泛用于变电站接地网的防腐蚀工作中。本章主要从外加电流、牺牲阳极阴极保护法进行方案的设计与计算，进行数据分析对比。3.1阴极保护法阴极保护技术可有效控制及防止接地网的腐蚀状况。阴极保护的原理是干预腐蚀反应，指通过对需要被保护的接地装置进行阴极化，使其成为大型阴极，达到防止接地网金属碳钢材料腐蚀的目的。其理论基础是金属腐蚀的电化学，根据不同金属材料腐蚀进行动力学基本原理及碳钢在土壤中的极化发展曲线，当阴极极化使碳钢的腐蚀环境电位比起始电位低0.1V以上时，碳钢的腐蚀反应速率会下降，只要电位低至0.1V以上，就能起到防护作用，所以达到防腐蚀的目的。阴极保护是目前防止接地网地下金属腐蚀最好的方法。阴极保护法主要包括以下两种不同方式，一种是牺牲阳极法，另一种是外加电流法[13]。两种保护方法都在接地网的防腐蚀工作中有很好的应用效果。3.1.1牺牲阳极阴极保护法在牺牲阳极法的基础上，将一种活性金属引入腐蚀电池体系中，构成另一种新型腐蚀电池。通常用于作为牺牲阳极的材料是锌，镁和铝。锌阳极具有密度较高，发生电量小，电流效率高，表面溶解均匀，腐蚀产物容易脱落等特点，在保护钢结构的过程中，它能自动调节电位和电流的特性：镁阳极具有密度极低，电位极负，对钢电压影响大，电流效率不高等特点。锌阳极适合于在高阻性土壤中应用[14]。用牺牲阳极阴极保护法保护接地网的技术已日趋成熟，这种技术方法成本不高，施工方便，选材简单，同时降低了接地电阻，减少了杂散电流带来的危害，延长了其使用周期。3.1.2外加电流阴极保护法外电流阴极保护是一种利用外加直流电源，电流通过辅助阳极流经接地装置，使接地装置的电位达到保护电位，从而防止接地装置金属腐蚀的保护技术。相对于牺牲阳极法，长期使用，后期维护量小，保护寿命长。此方法主要用于保护大型金属结构。图3-1为保护原理图。图3-1保护原理图采用阴极保护措施时，当阴极电流流入较大时，电位负移较明显，使金属腐蚀速度降低。当电位负移动时，腐蚀速率变慢，阴极析氢反应增大，会产生基底金属氢脆现象，同时也增加了保护电流的消耗。要使被保护金属达到最小电位标准，必须选择适当的阴极保护电流密度，并根据试验结果和相关经验，如外界环境的影响、金属的性质、表面稳定性、防腐涂层的质量、腐蚀介质的性能、寿命限制，各种因素的影响，阴极保护电流密度也会随之不同。阴极保护电源需要持续不断的外部电源供应，需要有恒电位输出，恒压输出，恒流输出功能。外接电流法的保护电压输出可以人为进行调节，可以应付一这些突如其来的事故，而且土壤的电阻率不能对其产生影响，但是施工工程艰难、安装需要大量人力且困难，后期运行阶段管理人员不易管理，检测、维修费用高昂[15]。3.2防腐蚀方案选择与设计牺牲阳极法，就是将被保护接地装置与牺牲的阳极相连接，形成电流回路，进而使接地装置金属成为电流回路的阴极，阳极金属被腐蚀，从而达到保护阴极（接地网）的目的。在牺牲阳极法中，存在一个保护电位，当达到这个电位时，腐蚀或可忽略或停止。而德国的相关规定如下表：表3-1钢和铁在不同环境下的电位金属结构钢和铁电位准则(vs铜/饱和硫酸铜)自然腐蚀电位/V保护电位/V极限值(最大负值)<40℃-0.65~-0.40-0.85不限>60℃-0.80~-0.50-0.95不限不通气环境-0.80~-0.65-0.95不限沙土电阻>500Ω-0.50~-0.30-0.75不限根据国内标准ISO155892005年制定的阴极保护准则规定，阴极保护电位应为-120~-850mV(vs铜/饱和硫酸铜)。电压过高，不能没有达到环境保护作用效果，电压过低，金属材料可能会导致产生氢脆现象或高pH值的应力腐蚀等问题，对于一个比较复杂或者比较特殊的情况，也应作特别需要考虑。改造后的电位测量结果如表3-2：表3-2测试桩各电位测试桩阴极保护电位/V阳极开路电位/V地网自然电位/V1#-1.003-1.141-0.532#-1.28-1.187-0.53经过改造和BD01导电涂层的应用，接地网运行状况良好，可延长运行寿命30年以上。该方法已经成为防腐蚀的有效方法之一。图3-2接地网的牺牲阳极式阴极保护原理示意图3.3设计准备首先要了解变电站所在地点土壤和原地网的基本情况，包括地质条件、土壤电阻率、土壤的物理化学特性、土壤的腐蚀性、接地网的面积、用料、腐蚀情况等，然后计算出最大入地故障电流，对接地系统各项数据进行分析。合适的增加接地引下线截面积，可防止地网的腐蚀。在腐蚀较轻的变电所，可用热镀锌钢作接地导体进行防腐蚀，在南方雨量大、含盐量高、土壤酸度偏酸、污染严重等腐蚀性较强的地区，接地网防腐蚀宜用导电涂料、阴极保护等方法，应加速开发具有良好导电性能、耐腐蚀性能和经济环保性能的新型接地材料[16]。按图样设计施工，保证焊接质量过关，接地砖必须夯实，确保接地砖与土体紧密接触。监督施工过程。设计参数的选择要留有余地，要综合考虑资金投入和改造效果，绝不能顾此失彼，要确保接地网的保护效果始终达到完全达标，到30年有效保护率超过90%。3.4牺牲阳极法设计过程3.4.1选择牺牲阳极根据该变电站土壤电阻率为285Ω·m，选择锌作为牺牲阳极，在60℃以上，由于锌阳极表面的氧化，锌的电位就会比锌本身的电位正，所以锌的阳极会变成阴极，而铁变成阳极会加速腐蚀。所以锌阳极通常用于电阻率高的土壤中。3.4.2确定最小保护电流密度根据该变电站土壤的腐蚀性为中等偏弱，从而得出该变电站最小保护电流密度为10mA/m2。3.4.3计算被保护面积水平地网50×5镀锌扁铁按2000m计算，独立使用避雷针地网50×5按100m计算，垂直接地极Φ60×6×

2.5镀锌瓦斯管60根，每根2.5m。被保护面积为：水平地网：S1=2000×2(0.05+0.005)=220.00m2避雷针接地网：S2=100×2(0.05+0.005)=11.00m2垂直极接地网：S3=πDL＝3.14×0.06×2.5×60=28.26m2共计：S=S1+S2+S3=220.00+11.00+28.26=259.26m23.4.4所需锌阳极的重量计算G==1512.40Kg（3-1）式中：I—最小保护电流密度（A/m2）S—保护面积（m2）30—保护年限（年）8760—一年小时数530—锌阳极实际产生电量（A·h/Kg）0.85—阳极利用系数3.4.5计算阳极个数选用质量为10.8Kg/个的阳极，共需阳极支数1512.40÷10.8=140个。3.4.6保护电位保护电位一般要求在-0.85V以下。3.4.7方案试验与维护牺牲阳极安装接地网后，需要在学习一些具有典型地区发展进行分析检测，每年可以定期检测环境保护电位，牺牲阳极的开路电压，牺牲阳极的产生影响电流，阳极的接地电阻，土壤的电阻率等一系列电化学参数。至少一年三次测量电压保护，每四个月一次测量的保护电压，并进行记录。计算结果显示：考虑到锌阳极后期产生的电量，锌阳极寿命大于60年，因此其平均阳极寿命比60岁稍短，但可以肯定达到30年的目标。即使在阳极耗尽后，也不必更换，平铁腐蚀开始后，仍有10~20年的使用周期。因此，接地网系统用30年以上才能得到保证[17]。阳极寿命T==65年（3-2）式中:0.85—阳极利用系数10.8—每个阳极重量（kg/支）530—锌阳极实际发生电量（A·h/Kg）8760—一年小时数0.0086—每个阳极实测发出电流（A）3.4.8施工检测序号检测项目检测结果1镀锌扁铁接地网自然电位(vs.Cu/CuSO4)-0.966V2锌阳极保护电位(vs.Cu/CuSO4)-1.141V3接地网保护电位(vs.Cu/CuSO4)-0.85V表3-3施工检测记录续表3-3施工检测记录序号检测项目检测结果4阳极输出电流8.65mA5阳极埋设位置距接地网≥0.5m6阳每个阳极重量及总数量10.8kg/个，共140个7阳极埋入深度≥0.85m8阳极导线与接地网连接方式铝热焊9焊点制作情况打磨镀锌层露铁再焊10土壤电阻率285Ω.m11阳极地床接地电阻5.22Ω3.5外加电流法设计过程3.5.1确定最小保护电流根据该变电站土壤的腐蚀性为中等偏弱，根据上面方法进而得出最小保护电流密度为10mA/m2。L=i·S=10*259.26=2592.6mA（3-3）i—保护电流密度，mA/m2S—保护面积，m23.5.2选择恒电位仪根据保护电流值的大小，选择输入电源AC380/50Hz；输出电流最大为DC50A，输出电压最大为60V；保护电位-0.30～-3.00V连续可调的恒电位仪2台。3.5.3选择辅助阳极辅助阳极应采用性能稳定、寿命长、消耗率低的合适金属；对于腐蚀性大的土层，可选用贵金属氧化物阳极或高硅含铬铸铁阳极。该变电站土壤的腐蚀性为中等偏弱，采用锌合金作为辅助阳极。3.5.4辅助阳极接地电阻估算R1=ln（)=ln（）=37.59Ω（3-4）R1—每个阳极井接地电阻，Ωρ—土壤电阻率，现场实测值，Ω·mL—阳极长度，mD——阳极直径，m3.5.5辅助阳极井数量计算N===3.37个（3-5）其中：N—辅助阳极数量R1—每个阳极井接地电阻，ΩU—恒电位仪最大输出电压，VI—保护电流设计值，AR0——接地网接地电阻，实测值，Ω3.5.6辅助阳极寿命计算T===45.9年（3-6）其中：T—阳极使用寿命，aG—阳极重量，kgK—阳极利用系数，取0.85g—阳极消耗率，商品参数或实测值，kg/（A·a）IW—单阳极电流，A3.5.7外加电流方案设计防护电流应尽可能均匀地分布在地网和重要防护区域的初级设备区，一般应设置3~4个以上，以初级设备区为主要防护区；阳极井应尽可能分布在地网外圈，同时应尽量设置在地下水位较高或潮湿低洼的地方，并应确保地下没有巨大的障碍物和人为建造设施；电缆应尽可能利用变电站原有电缆沟布置，新挖出的电缆沟不应影响电网安全运行；恒电位计应该安装在控制室内。3.6经济效益对比一个110kV变电所仅采用普通热镀锌改造，耗资10万余元，但使用寿命不长。例如采用镀锌铁阳极加牺牲阳极联合防腐蚀的方法，生产成本在15万元左右，寿命在30年以上。用外电流法生产成本约为20万元，无论从经济效果上，牺牲阳极或外电流阴极保护，其防腐蚀方案设计均优于普通热镀锌。接地网调查表明，运行20多年来，多数接地网存在安全隐患，应尽快进行改造以避免事故发生，改造方案设计中选择牺牲阳极阴极保护法为最好方法。由于目前缺乏相关的规范和电力系统的标准，需要进行设计和建设标准参照石油行业标准。3.7本章小结变电站接地网防腐蚀方法中，牺牲阳极与外加电流阴极保护法应用较为广泛，其效果也很好。在进行防腐蚀设计之前，应结合变电站土壤条件进行多方面分析，采用最适合、最安全、最经济的方法进行防腐蚀建设。无论是牺牲阳极法还是外加电流法都各有其优缺点，能够很好地利用他们的优点，进行接地网防腐蚀建设，是最有效的方案。其中牺牲阳极法操作简单、容易施工、经济消耗较少、一次施工、无须维护。外加电流法需要持续不断的外部电源供应，可以应付某些突发情况，且不受土水电阻率的影响，缺点是无论施工、安装、调试过程均不十分简单，运行后管理困难，检测、维修费用高昂。所以，采用牺牲阳极法进行接地网防腐蚀方案设计是最佳的方法。结论25结论随着我国电力工业的发展，电力系统的安全运行已成为人们时刻关注的重点问题。变电站作为电力系统的重要组成部分，其稳定性直接关系到电网和输变电设备的安全可靠运行。接地网的防腐蚀性能是影响变电站稳定运行的关键因素之一，所以变电站接地网的防腐蚀建设工作对于保障电力系统安全具有非常重要的作用。本文通过对变电站土壤的理化性质进行分析，判断土壤的腐蚀性，同时对外加电流法和牺牲阳极法两种防腐蚀方案进行研究，得出如下结论：（1）通过对变电所土壤资料的理化性质、腐蚀性的分析，土壤电阻率为285Ω·m，大于100Ω·m；pH值为6.53，在6.5~8.5之间；电导率为13.80μs·cm-1，采用单项指标法及综合指标法得出土壤的腐蚀性较弱。（2）外加电流法计算得出的辅助阳极的寿命为45.9年。此方法虽然保护电压可以调节，可应付突发情况。但是施工艰难、后期管理困难、维修费用高昂。（3）牺牲阳极法计算得出的阳极寿命为65年。而且此法操作简单、施工方便、无需维护。极大地提高了接地网的使用寿命，减少了投资费用，有效地避免了材料浪费。而且该项目施工周期短，节省时间成本。（4）对比经济效益，牺牲阳极法的性价比比外加电流法更高；同时，在人力、时间、操作的难易程度等方面，牺牲阳极法施工操作简单、工程容易、节约时间、不需要大量人力。所以，采用牺牲阳极阴极保护法作为变电站接地网防腐蚀方案设计的最佳方案。参考文献26参考文献[1]朱忠伟,吴一平,葛红花.变电站接地网腐蚀与防护研究进展[J].上海电力学院学报,570-574.[2]邵洪平,邵钧.变电站接地网腐蚀与防护分析[J].电力设备,2019,(09):28-30.[3]耿进锋,时洪飞.变电站接地网腐蚀与防护技术进展[J].腐蚀与防护,2009,(08):523-525.[4]吕旺燕,刘世念,苏伟,魏增福.变电站接地网腐蚀与防护技术的研究进展[J].2013,(12):26-30.[5]冯南战,李志忠,李亨特,李亚峰,于义亮,李英奇,董泽华.高压变电站接地网的腐蚀技术研究进展[J].腐蚀科学与防护技术,2018,(03):331-338.[6]朱文强.变电站接地网腐蚀及防腐措施[J].电气技术,2011,(12):108-110.[7]杨帆.变电站接地网腐蚀与防护研究[J].电气制造,2014,(05):58-60.[8]王天正,徐霞,郝晋堂,王琪.变电站地网腐蚀原因分析及防腐措施设计[J].电气制造,54-57.[9]曹康,董国防,贾志林,等.牺牲阳极保护法在接地网防腐改造中的应用[J].河北电力技术03):30-32.[10]裴运军.变电站地网腐蚀原因分析及防腐蚀措施探究[J].电子制作,2015,(10):150-151.[11]ElsevierLtd.Acorrosionfailureanalysisofcopperwiresusedinoutdoorterminalboxesinsubstation[J].EngineeringFailureAnalysis,2019,83-94.[12]胡学文,许崇武.接地网腐蚀与防护的研究[J].湖北电力,2002,(3):25-36.[13]徐松,冯兵,何铁祥.4种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究[J].湖南电力201536(4):36-40．[14]王志刚.地下金属管线防腐层状态检