電廠接地系統(tǒng)降阻及防腐蝕研究

郭 良

（國家能源集團準格爾能源有限責任公司矸石發(fā)電公司，鄂爾多斯 010300）

在電力工業(yè)快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)容量越來越大，大大增加了電廠、變電站的工頻短路電流，對電廠接地系統(tǒng)提出了更高的要求。而接地阻抗是衡量接地系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵參數(shù)。過高的接地阻抗不利于電廠設(shè)備和人員的安全。我國發(fā)生過多起因為電廠接地系統(tǒng)的接地阻抗過高造成的安全事故，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，也帶來了負面的社會影響。因此，降低接地阻抗成為接地系統(tǒng)優(yōu)化的重要內(nèi)容。其中，降阻和防腐蝕是提高接地系統(tǒng)性能的有效手段[1]。

1 電廠接地系統(tǒng)降阻措施

1.1 斜井接地降阻

可以借助斜井將接地系統(tǒng)與周圍建筑地基連接，擴大接地面積，從而達到降低接地阻抗的目的。如果電廠接地系統(tǒng)的底部土壤的電阻率比表層土壤的電阻率高，則不適合采用深井接地方式。但是，電廠接地系統(tǒng)周圍有建筑物，建筑物的地基通常深埋在地下，因此適合用斜井技術(shù)（如圖1 所示）實現(xiàn)降阻效果。為了確保建筑物地基等自然接地體在使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性，并確保降低接地電阻的長期效果，必須遵循以下連接方法。第一，使用地下金屬管作為自然接地體時，采用跨接線焊接方式連接管接頭和接線盒。如果管道直徑為40mm 或更小，則跨接線可以采用圓鋼材料[2]。如果金屬管道直徑大于50mm，則跨接線應(yīng)采用扁鋼。第二，當利用接線鋼管作為自然接地體時，為防止鋼管被腐蝕成不連續(xù)導(dǎo)體，管壁的厚度至少應(yīng)為1.5mm。第三，當建筑物和建筑物金屬構(gòu)件用作接地體時，必須在建筑物的伸縮縫處使用跨接電纜穿過伸縮縫，以避免由于建筑物的不均勻沉降而斷開接地電纜的連接。這類自然接地體的跨接線可用直徑至少為12mm的鋼絞線，在鋼絞線的兩端焊接扁平連接頭，然后用螺釘固定。第四，當電力電纜護套用作接地體時，電纜護套和接地體、電氣金屬外殼的連接可以用卡箍緊固連接。連接前刮除電纜護套表面的銹跡，在卡箍和電纜護套之間墊厚度為2mm 的電纜扎帶并緊固。螺栓、螺母以及墊圈等固定裝置應(yīng)鍍鋅，以防止腐蝕。

圖1 電廠接地系統(tǒng)斜井接地

1.2 外延接地降阻

一方面，可以通過水平外延接地系統(tǒng)降低接地阻抗。大型電廠如果出現(xiàn)單相短路故障，會產(chǎn)生非常大的接地短路電流，因此接地系統(tǒng)的接地阻抗值必須較低[3]?？梢栽诰嚯x主接地系統(tǒng)2km 范圍內(nèi)、電阻率較低的土體中，用銅制接地體構(gòu)建外延接地系統(tǒng)，以形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。水平外延接地系統(tǒng)通過2 ～3 根連接線連接到主接地系統(tǒng)。將外延接地系統(tǒng)設(shè)置成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，原因是通過適當布置格柵尺寸可以減小人體的階躍電壓以確保人身安全。

圖2 水平外延接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一方面，利用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)降低電廠接地系統(tǒng)的接地阻抗。某些電廠所在地的土壤電阻率高，僅用水平外延接地難以獲得理想效果。這時可采用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)降低接地系統(tǒng)阻抗。三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)由深井接地體和水平接地體組成，如圖3 所示。深井接地體主要用于降低接地電阻，水平接地體用于電壓均衡。實踐證明，在水平接地體的交點處插入了一個長度為2.5m 的深井接地體構(gòu)成三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)，可以增加電流在土壤中的散流半徑，完全釋放垂直、水平方向的短路電流[4]。為了避免在使用三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)時產(chǎn)生屏蔽，兩個垂直接地體之間的距離必須大于垂直接地體長度的2 倍。

圖3 三維復(fù)合外延接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 降阻劑降阻

降阻劑的基本原理是利用降阻劑的滲透擴散作用減小接地體土壤電阻率。通常，化學降阻劑通常要比其他形式的降阻劑效果好。例如，膨潤土材質(zhì)的降阻劑擴散滲透能力不強。但是，降阻劑穩(wěn)定長效和擴散滲透能力不可兼得。具有較強擴散滲透能力的降阻劑，很容易因雨水而流失，因此穩(wěn)定性不足[5]。此外，降阻劑應(yīng)用于接地體土壤后，會增加接地體的有效橫截面積，從而降低接地電阻?；瘜W降阻劑會隨著時間的流逝而消失，使得接地體的有效橫截面積越來越小。接地電阻包括接地體和周圍大體呈現(xiàn)的電阻及接地體與周圍土壤的接觸電阻兩部分。接地電阻的大小取決于接地電極周圍的土壤。通常，土壤越密，接地電阻越低，土壤越疏松，接觸電阻越高。此外，接觸電阻還和接地體的表面粗造度成反比。接地體生銹后，接觸電阻逐漸增加。將降阻劑應(yīng)用于接地體之后，接觸電阻會降低。但是，只有某些物理降阻劑和膨潤土降阻劑具有此功能，化學降阻劑沒有這樣的效果。此外，接地體腐蝕會增加接觸電阻。降阻劑的吸水、保水作用能夠優(yōu)化并保持土壤電導(dǎo)率。例如，膨潤土降阻劑具有很強的吸水性，吸水后降阻劑體積會擴大，可以長時間保持糊狀，使接地電阻保持穩(wěn)定。

2 電廠接地系統(tǒng)防腐措施

2.1 選擇合適的接地體材料

選擇接地體的材料時需要綜合分析各種材料的性能指標。目前，全球范圍內(nèi)廣泛使用的接地體材料是銅和鋼。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和化學穩(wěn)定性，在土壤中的腐蝕速率僅為鋼的腐蝕速率的1/10 ～1/5。銅材質(zhì)的接地體使用年限可超50 年。因此，發(fā)達國家普遍采用銅材質(zhì)的接地體。我國銅資源比較少，近年來銅的價格又持續(xù)上升，使用銅材質(zhì)的接地體的成本比使用鋼材質(zhì)的接地體高出5 倍以上。此外，同材質(zhì)接地系統(tǒng)容易產(chǎn)生電偶腐蝕，尤其是在電廠的其他結(jié)構(gòu)中使用不同的材料時，如果兩種金屬形成電氣連接，將發(fā)生電偶腐蝕，導(dǎo)致電位低的金屬被腐蝕。因此，盡管使用銅作為接地體材料可以有效抵抗腐蝕并確保接地系統(tǒng)的使用壽命，但是目前在我國很難大規(guī)模使用，而是普遍采用鋼材質(zhì)的接地體。

2.2 覆蓋層保護

在導(dǎo)體表面上使用覆蓋層是防止導(dǎo)體腐蝕的有效方法。覆蓋層可以將導(dǎo)體與外部隔離，以防止金屬表面出現(xiàn)微電池腐蝕。接地系統(tǒng)常用覆蓋層包括兩種。一是金屬覆蓋層。用耐腐蝕的金屬覆蓋層覆蓋導(dǎo)體表面，如鍍鋅覆蓋層和電鍍銅覆蓋層等。二是非金屬覆蓋層，利用塑料和瀝青等非金屬覆蓋層覆蓋導(dǎo)體表面。電廠接地系統(tǒng)的土壤中普遍會覆蓋一層焦油青，然后涂一層瀝青形成絕緣護套，有效減少原電池腐蝕，并減慢接地線本身和接地裝置的電化學腐蝕。為了增加覆蓋層的厚度，通常用填料或諸如石棉和玻璃纖維的無機纖維混合加固。另外，也可以使用諸如聚乙烯塑料帶和環(huán)氧覆蓋層的方法。使用金屬覆蓋層時，必須注意覆蓋層的完整性，以防止兩種金屬在不完整的覆蓋層表面形成電腐蝕[6]。

2.3 電化學防腐

2.3.1 犧牲陽極的陰極保護法

犧牲陽極的陰極保護法基于原電池原理。陰極采用化學性質(zhì)比被保護金屬材料更活潑的金屬作為陽極，陽極金屬更容易失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其腐蝕電位低于陰極金屬。將陽極埋于土壤中，通過導(dǎo)線連接需要防腐蝕的接地體構(gòu)件，構(gòu)建腐蝕原電池系統(tǒng)。陽極金屬因為化學性質(zhì)更活潑而優(yōu)先溶解，失掉的電子流向陰極。陽極金屬溶解后的正離子經(jīng)土壤流向陰極，相當于提供了陰極保護電流，促使被保護構(gòu)件被極化，表面富集電子，不再產(chǎn)生離子，從而實現(xiàn)防腐蝕。該方法無需外接電源，基本不會干擾周圍的金屬物，且保護電流分布更加均勻，安裝步驟簡單，占用空間小，但是不適用于電阻率高的土壤環(huán)境，同時不能調(diào)節(jié)保護電流的大小，且對保護覆蓋層的質(zhì)量要求很高，需定期更換陽極金屬。

2.3.2 外接電源的陰極保護法

外接電源的陰極保護法需要用到外接電源、輔助陽極和參比電極。需要防腐的接地金屬構(gòu)件與電源負極相連。電源的作用是為陰極提供保護電流，實現(xiàn)金屬構(gòu)件的陰極極化，從而實現(xiàn)防腐蝕的目的。電源通過埋在地下的輔助陽極，將保護電流引入地面，并通過土壤向受保護的金屬供電。要防腐的金屬材料是陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，從而有效抑制腐蝕。

3 結(jié)語

合理運用降阻防腐措施能夠有效優(yōu)化接地電阻，從而提高電廠接地系統(tǒng)的性能。合理選擇降阻材料可以達到最好的降阻防腐效果，因此在實踐中應(yīng)該根據(jù)使用場景和使用目的靈活運用降阻防腐措施，有效提高電廠接地系統(tǒng)的性能，從而改善電力系統(tǒng)的綜合性能。