陰極保護技術(shù)在電力接地網(wǎng)系統(tǒng)應用探討

□王 浩(濮陽市豫安防腐有限公司)

一、陰極保護

利用陰極保護技術(shù)預防接地網(wǎng)的自然腐蝕和表面結(jié)垢現(xiàn)象,能有效地保證接地系統(tǒng)的完整性，使接地電阻小于規(guī)定的0.5Ω，保證供電生產(chǎn)安全。

（一）該技術(shù)的特點

陰極保護技術(shù)有充分的理論依據(jù)，根據(jù)各地的土質(zhì)及地表介質(zhì)的不同性質(zhì)，依據(jù)變電站運行的年限，一般設計保護年限為30～50年，在此期間，使接地網(wǎng)的接地電阻小于0.5Ω，與其他方法相比，該技術(shù)的防腐保護效果非常明顯。

（二）接地網(wǎng)系統(tǒng)腐蝕機理

金屬在海水、淡水及土壤介質(zhì)中的腐蝕主要為電化學腐蝕，另外還有微弱的細菌腐蝕及雜散電流腐蝕。其腐蝕等級分為強、中、弱3種，具體如表1。

表1 腐蝕等級表

在腐蝕等級較強和中等地區(qū)，主要為酸、堿性土壤介質(zhì)，就要考慮接地網(wǎng)保護問題。在弱腐蝕地區(qū)，主要為巖石介質(zhì)，就要考慮降阻問題。

電化學腐蝕的機理：由于金屬中總是含一定量雜質(zhì)，如角鋼、扁鋼或圓鋼等，除了鐵質(zhì)之外，還有少量碳(C)等，當放在酸、堿土壤介質(zhì)中時，F(xiàn)e與C分別產(chǎn)生了電極電位即：

上式中對Fe和C雖然環(huán)境相同，但反應各種物質(zhì)介質(zhì)E是不相同的，所以Fe的E和C的E的值不相同，在Fe與C之間，必然形成電位差，當構(gòu)成閉合電路時，有腐蝕電流通過，腐蝕因此產(chǎn)生了。這種腐蝕是微電池腐蝕，但腐蝕的快慢決定了腐蝕電流的大小，腐蝕電流由兩個因素決定：即Fe-C極間電阻的數(shù)值和電極附近的土壤介質(zhì)及其含氧量。

接地網(wǎng)系統(tǒng)中的另一種腐蝕為宏電池腐蝕，主要是因為同一個地網(wǎng)，有時處在不同的土壤中，造成接地網(wǎng)周圍含氧量及其介質(zhì)的不同，而形成宏電池，腐蝕嚴重，而發(fā)生在土壤交界處的腐蝕，會使金屬形成穿孔腐蝕或斷開。

在潮濕的土壤中，地網(wǎng)接地電阻小，但腐蝕嚴重，在干燥土壤中則相反。故在利用陰極保護技術(shù)保護地網(wǎng)時，必須參考腐蝕等級的劃分。

（三）地網(wǎng)電化學保護

根據(jù)電化腐蝕原因的分析，針對上面的敘述，可采取措施降低Fe-C極間的電位差，或者在地網(wǎng)中加上一種物質(zhì)，使其電位比鐵更負。地網(wǎng)電化學保護，就是采用的后一種方法。

陰極保護就是對被保護的金屬施加一定的陰極電流，使其產(chǎn)生陰極極化,當金屬的電位負于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。根據(jù)提供陰極電流的方式不同，陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，前者是將一種電位更負的金屬或合金與被保護金屬結(jié)構(gòu)物電性連接，通過電負性金屬或合金的不斷消耗溶解，向被保護物提供保護電流，使金屬結(jié)構(gòu)物獲得保護。地網(wǎng)電化學保護就是利用陰極保護技術(shù)的犧牲陽極法，通過合理的設計可獲得良好的保護。

（四）犧牲陽極產(chǎn)品

近年來，針對不同的使用條件，有關研究部門先后研制了高效鋁合金犧牲陽極、耐高溫犧牲陽極、高活化性能鋁合金犧牲陽極、高效鎂合金犧牲陽極以及土壤中使用的各種陽極填料。

地網(wǎng)電化保護的犧牲陽極主要為鋅合金和鎂合金犧牲陽極，為減少接地電阻和保持陽極活性，將該陽極在土壤介質(zhì)中應用時，在陽極周圍必須加裝填充料。

鎂合金犧牲陽極的電化學性能如表2，接地網(wǎng)地下金屬結(jié)構(gòu)陰極保護用鎂犧牲陽極型號、規(guī)格見表3。

表2 鎂合金犧牲陽極的電化學性能表

表3 接地網(wǎng)地下金屬結(jié)構(gòu)陰極保護用鎂犧牲陽極型號規(guī)格表

（五）技術(shù)數(shù)據(jù)、經(jīng)費概算及經(jīng)濟比較

1.犧牲陽極保護材料用量的計算

本文的保護對象以60×6的鍍鋅扁鐵為準，長度為1000m，腐蝕介質(zhì)以中性土壤且地下周邊環(huán)境水位偏高，設計的保護年限Y以30年為準。

保護電流密度(if)的選用：由于中性通氣土壤鋼鐵的保護電流密度為10～50mA/m2，且周邊環(huán)境地下水位較高，故本站保護電流密度選定為22 mA/m2。

主地網(wǎng)被保護面積S的計算：S=[0.06×2+0.006×2]×1000=132 m2，保護電流 I計算：I=if·S=0.022×132=2.904(A)陽極材料的選定：由于鎂合金陽極比重小，電位相當負，比較適合于各種土壤介質(zhì)中，故本文采用鎂合金陽極作為陰極保護材料。

鎂犧牲陽極用量(W)的計算:W=I·Y×Y單/(I單×P)，其中：Y—保護年限；I—保護電流；Y單—每年折算小時數(shù)；I單—單位發(fā)生電量；P—鎂陽極利用系數(shù)。

鎂陽極塊數(shù)的計算：根據(jù)具體情況，本站所用鎂陽極為14kg重的陽極塊。

陽極塊數(shù)的計算:

2.犧牲陽極在地網(wǎng)中的分布設計

在主地網(wǎng)和避雷針地網(wǎng)中分別依靠地網(wǎng)一點作為參照物，在該點放置一塊陽極塊，然后以該塊陽極為依據(jù)，根據(jù)水平地網(wǎng)及垂直接地極的分布，采用重心分布的原則進行陽極塊在地網(wǎng)中的分布。

3.接地支線保護設計

接地支線(包括室內(nèi)和電纜溝內(nèi))由于受到大氣腐蝕，所以采用涂刷丙烯聚氨脂漆3道的方法進行防腐保護。

4.測試樁的設計及測試

測試樁的設計所用材料及圖紙由中船重工725所提供。測試用搖表法和電流電壓法對保護的地網(wǎng)進行測試，要求達到如下標準。一是經(jīng)陰極保護后，被保護的鋼鐵結(jié)構(gòu)相對于標準Cu/CuSO4參比電極的電位值為-0.85～-1.05V，不宜超過此范圍值，≮-1.2V，否則將會過保護造成不必要的浪費。二是陰極保護接通和斷開的兩種情況相比，接通時的結(jié)構(gòu)物直流電位比斷開時低300mv。三是極化電位=‖OFF時電位‖-‖自然電位‖＞100mv。四是接地電阻≯0.5Ω。

5.經(jīng)費概算

依據(jù)上面論述的有關技術(shù)數(shù)據(jù)，參照市場鎂陽極的有關價格，可得鎂陽極造價為：816.2×55=44891(元)。鎂陽極輔助材料價格約為：44891×30%=13467.3(元)。故 1000m、60×6 的扁鋼保護30年所需犧牲陽極造價為：44891+13467.3=58358.3(元)。敷設人工費及調(diào)試費經(jīng)計算為14589.6。犧牲陽極總造價為：58358.3+14589.6=72947.9(元)。

6.經(jīng)濟比較

（1）主材料造價。1000m、60×6的扁鐵的造價為

1000×2.83×2.8=7924(元)

用陰極保護技術(shù)可使該接地網(wǎng)多運行30年而不被更換，而一般未加犧牲陽極的地網(wǎng)一般在7年左右就需重新更換，故在30年內(nèi)不加犧牲陽極接地網(wǎng)的主材料造價為：

（2）輔材料造價。由于現(xiàn)在運行的變電站90%以上均為水泥混凝土硬化路面，故更換接地網(wǎng)需開挖水泥路面，并要重新鋪設恢復。1000m、60×6地網(wǎng)鋪設一次需要硬化的水泥混凝土數(shù)量：0.6×0.2×1000=120m3；1 m3水泥混凝土的配比為：水泥0.25t、砂子 0.55 m3、石子 0.85 m3，故需水泥 30t、砂子 66m3、石子102 m3，故更換4次接地網(wǎng)需鋪設水泥混凝土造價為：[30×140+66×55+102×70]=59880(元)

（3）人工費造價。根據(jù)預算，鋪設1000m、60×6鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)人工費造價為：88473.51(元)。更換4次地網(wǎng)需人工費造價為：353894.04(元)

（4）30年內(nèi)更換4次接地網(wǎng)總造價為①+②+③=447734.04(元)

（5）經(jīng)濟比較：鋪設1000m地網(wǎng)外加犧牲陽極保護安全運行30年的總造價為：72947.9+111367.51=184315.41(元)

故外加犧牲陽極保護接地網(wǎng)在同樣安全運行30年的情況下可節(jié)省的資金為：263418.63(元)。利用陰極保護技術(shù)建設地網(wǎng)的費用占不利用該技術(shù)的費用比為41.2%。

（六）陰極保護系統(tǒng)的安裝

1.衛(wèi)生與安全考慮

全部施工作業(yè)都應按適用規(guī)范進行。

2.通報

在開挖之前，應及時通知有關部門使他們能在計劃中的施工地段標出任何地下建筑物的位置，以免意外地對這些建筑物造成損害。

3.現(xiàn)場條件

施工前應對地下接地網(wǎng)區(qū)域的施工圖紙進行審查，并考慮某些其它因素，如地下水位、地上構(gòu)筑物等。

4.安裝程序

一是安裝時應與有關的操作人員進行協(xié)調(diào)，最大限度地減少安裝工作對生產(chǎn)的影響；二是陰極保護系統(tǒng)的所有施工工作均應符合施工圖和技術(shù)規(guī)范的要求；三是陰極保護系統(tǒng)的安裝應在經(jīng)過培訓的合格人員的監(jiān)督下進行，以確保符合圖紙和規(guī)范要求。

5.犧牲陽極及輔助陽極

一是袋裝陽極的儲存應保持干燥；二是陽極安裝應符合規(guī)范要求；三是回填時應注意不要損害導線和接線頭。

（七）運行和維護

應建立陰極保護系統(tǒng)的最終運行水平，以達到正確的陰極保護準則。做到維護檢查、外觀檢查、補救措施、記錄等各項程序和做法的要求。

二、陰極保護技術(shù)在電力接地網(wǎng)系統(tǒng)中的應用推廣

陰極保護技術(shù)在電力接地網(wǎng)系統(tǒng)中應用主要以電阻率較低的條件為原則，對于電阻率較高的巖石及砂礫石等地質(zhì)條件，陰極保護技術(shù)將起不到保護作用，效果不大。

近年來，濮陽市豫安防腐公司一直致力于陰極保護技術(shù)在電力接地網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)和利用，已在華北電力、華中電力、山東電力等數(shù)十個變電站地網(wǎng)改造、新地網(wǎng)的敷設中采用了該項技術(shù)，(如天津110kV郎園站，吳港站，山東濟南110kV站等)，提高了變電站地網(wǎng)運行的可靠性，保證了電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)。