考慮土壤腐蝕的桿塔接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方法

國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司建設(shè)分公司 黃明祥

在土壤對(duì)金屬導(dǎo)體的腐蝕特性方面，針對(duì)國(guó)內(nèi)埋地金屬主要應(yīng)用的碳鋼、不銹鋼和鍍鋅鋼等材料的腐蝕特性很早就開(kāi)展研究，李謀成[1]等人進(jìn)行了碳鋼的電化學(xué)腐蝕研究，國(guó)內(nèi)張紅[2]和美國(guó)Zhang X G[3]等人分別研究了鍍鋅層在溶液中的腐蝕特性，得出鍍鋅層會(huì)對(duì)基體碳鋼起到一定的保護(hù)作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于不銹鋼材料的耐腐蝕性質(zhì)的研究表明[4-5]，在酸性和中性土壤中，由于不銹鋼表面鈍化膜的保護(hù)作用使得其在土壤中的腐蝕速率較低。但在一些高堿性土壤中，由于的含量較高，在自催化機(jī)理的作用下，不銹鋼的腐蝕速率隨含量的增加而增大[6]。

另外，在透氣性較差的土壤中不銹鋼的耐蝕性也會(huì)隨之減弱。美國(guó)的Deni son和Hobbs[7]得出腐蝕速率與土壤酸度呈正比。國(guó)內(nèi)賈思洋[8]等人也研究了不同pH值土壤中的腐蝕速率。李健[9]等人通過(guò)失重法、觀測(cè)腐蝕形貌、分析腐蝕產(chǎn)物和測(cè)量極化曲線得出。Goidanich[10]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明交流電流的增大會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕速率增大，在電流密度為10A/m2時(shí)，交流腐蝕速率是無(wú)電流作用時(shí)腐蝕速率的2倍左右。楊燕[11]等研究了金屬X70鋼在中性電解液中的交流腐蝕行為，結(jié)果表明腐蝕速率和交流電流密度呈正冪函數(shù)關(guān)系。劉騁[12]等研究了交流雜散電流的腐蝕特性，Wakelin[13]等發(fā)現(xiàn)交流電流密度低于20A/m2時(shí)材料幾乎不發(fā)生腐蝕。

1 影響埋地金屬腐蝕速率的因素

1.1 土壤酸堿度對(duì)腐蝕速度的影響

按照金屬腐蝕領(lǐng)域的研究，在酸性和堿性土壤中鋼材發(fā)生腐蝕的原理完全不同。在酸性土壤環(huán)境中，F(xiàn)e2+與水分子化合溶解在土壤中：Fe2++nH2O→Fe2+·nH2O，而在中性或堿性土壤環(huán)境中Fe2+與OH-反應(yīng)形成了Fe(OH)2，并在H2O和O2作用下進(jìn)一步反應(yīng)生成Fe(OH)3，其難溶且不穩(wěn)定，最后反應(yīng)生成鐵銹。對(duì)于鍍鋅鋼而言，由于Zn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比Fe低，隨著埋設(shè)在土壤環(huán)境的時(shí)間增加，土壤對(duì)鍍鋅鋼材料不斷進(jìn)行腐蝕，鋅層最先開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)，由于鍍鋅層的厚度有限且熱浸鍍過(guò)程中容易存在工藝缺陷，部分鋅層被腐蝕掉后，鋅和與土壤接觸的碳鋼同時(shí)發(fā)生反應(yīng)。因此隨著腐蝕時(shí)間的增加或土壤環(huán)境腐蝕情況進(jìn)一步加重，在鋅層破壞后，碳鋼基體逐漸發(fā)生腐蝕破壞。

嚴(yán)格意義上講，不同酸堿度的土壤環(huán)境雖然對(duì)于金屬腐蝕存在差異，但除非是針對(duì)特定土壤的測(cè)試試驗(yàn)，否則很難定量給出不同土壤環(huán)境下的金屬腐蝕速率。以上分析是基于金屬材料在簡(jiǎn)單溶液體系下的腐蝕電位與溶液pH值的關(guān)系，對(duì)于土壤這種復(fù)雜的三相體系情況則復(fù)雜得多：酸性環(huán)境下腐蝕速率大、耐蝕性低，堿性環(huán)境下腐蝕速率小、耐蝕性高。當(dāng)模擬土壤的pH值降低時(shí)，一方面使得H的電極電位Ee(H2/H+)變正，而標(biāo)準(zhǔn)狀況下Ee(Fe/Fe2+)=-0.440V，所以腐蝕過(guò)程發(fā)生作用的驅(qū)動(dòng)力即電位差ΔE=Ee(H2/H+)-Ee(Fe/Fe2+)也變大，腐蝕速率加快。

1.2 接地網(wǎng)導(dǎo)體散流密度對(duì)腐蝕速率的影響

在有交流電流通過(guò)桿塔接地網(wǎng)導(dǎo)體流入土壤的情況下，其腐蝕機(jī)理非常復(fù)雜。大量研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論推導(dǎo)得出幾種不同的交流腐蝕機(jī)理，主要為法拉第整流效應(yīng)、陽(yáng)極反應(yīng)的去極化作用、陽(yáng)極反應(yīng)的不可逆性、金屬/介質(zhì)界面的振蕩作用和強(qiáng)電場(chǎng)理論。由于接地網(wǎng)干擾源的不同，散流對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕可分為直流雜散電流腐蝕和交流雜散電流腐蝕以及地磁場(chǎng)。直流、交流兩種雜散電流的腐蝕機(jī)理不同，因此腐蝕速率也不同。

交流雜散電流在低于20A/m2時(shí)主要為電容充放電，參與了碳鋼腐蝕反應(yīng)的電流很小，因此接地網(wǎng)的腐蝕速率和無(wú)電流狀態(tài)下的腐蝕強(qiáng)度相近；交流雜散電流在20～100A/m2范圍中參與接地網(wǎng)材料腐蝕反應(yīng)的交流電流增加，即電解質(zhì)中各種離子的移動(dòng)速度使接地網(wǎng)的腐蝕反應(yīng)加快；交流雜散電流在100～200A/m2范圍內(nèi)接地網(wǎng)腐蝕反應(yīng)初期非?？欤请S著腐蝕產(chǎn)物的不斷堆積，如在表面生成致密氧化物會(huì)對(duì)基體起保護(hù)作用，腐蝕速率會(huì)有一定減緩（表1）。

在較高電流密度的交流雜散電流作用下，碳鋼的腐蝕形式會(huì)由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，使得內(nèi)層碳鋼上出現(xiàn)了蜂窩狀的點(diǎn)蝕坑。在酸性土壤環(huán)境中，交流雜散電流密度越大接地網(wǎng)的腐蝕速率越大；在上述中性環(huán)境中，由于腐蝕產(chǎn)物的致密性交流雜散電流腐蝕速率會(huì)被抑制，當(dāng)土壤的pH值足夠高時(shí)腐蝕速率會(huì)降至較低的程度，且微弱交流電頻率對(duì)接地網(wǎng)材料的交流雜散電流腐蝕影響很小。

表1 不同雜散電流對(duì)腐蝕速率的影響

2 典型桿塔接地網(wǎng)導(dǎo)體電流的分布

目前桿塔接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)大多按照矩形結(jié)合輻射狀導(dǎo)體的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。以500kV輸電線路常用的接地體結(jié)構(gòu)為例，主要包括TB3、TB5、TB10、TC5、TC10、TC15、TA20和TJ幾種類型。其中的數(shù)字3、5、10、15、20分別代表土壤電阻率分別為300、500、1000、1500和2000Ω·m。不同接地裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中相應(yīng)的參數(shù)列于表2中。

由于接地網(wǎng)導(dǎo)體流入大地的電流密度既是影響動(dòng)、熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是影響腐蝕速度的主要因素。在線路正常運(yùn)行情況下，由于相線和地線的感應(yīng)，桿塔必然存在入地電流。但這一數(shù)值在不同情況下存在較大差異，按照不同文獻(xiàn)的計(jì)算分析，電流數(shù)值從10幾A到100多A不等。表2給出了入地電流100A情況下，最大泄漏電流位置和最小泄漏電流位置。為了使泄漏電流密度小于20A/m2需要的最小接地網(wǎng)導(dǎo)體半徑，如果以常用的12mm直徑圓鋼為參考，在TC5、TB5、TB3、TA3四種接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，需考慮更粗的接地網(wǎng)導(dǎo)體或使用耐腐蝕的新型接地材料。

表2 不同形式接地網(wǎng)單位長(zhǎng)泄漏電流需要的接地網(wǎng)導(dǎo)體半徑（100A入地電流）

3 結(jié)語(yǔ)

土壤的酸堿性差異對(duì)金屬腐蝕速度存在差異，一般情況下酸性土壤的腐蝕更強(qiáng)，堿性其次，中性最弱，但即使酸堿性相同，腐蝕速度也受入地電流因素影響，因此針對(duì)一條輸電線路的桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行腐蝕程度分析時(shí)，建議對(duì)接地網(wǎng)所在區(qū)域全部進(jìn)行采樣分析其腐蝕速度；接地網(wǎng)的散流會(huì)加速接地網(wǎng)的腐蝕速度，在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮接地網(wǎng)散流盡可能均勻，避免出現(xiàn)局部腐蝕速度過(guò)快的問(wèn)題；本文通過(guò)研究，提出了結(jié)合金屬在不同土壤中的腐蝕速度設(shè)計(jì)接地網(wǎng)導(dǎo)體尺寸，并對(duì)典型接地網(wǎng)分析其散流大小，提出了通過(guò)添加分支、減少主網(wǎng)的散流提高接地網(wǎng)壽命。