特高壓接地極線路基礎(chǔ)保護(hù)技術(shù)研究

彭福先，張 瑋，韓夢(mèng)夢(mèng)

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司超高壓分公司，江西 南昌 330096；2.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330096）

0 引言

目前，特高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送功率大、距離長(zhǎng)、損耗小、占地較少等突出優(yōu)勢(shì)，因此，特高壓直流輸電已成為大型風(fēng)電、火電、水電送出的重要途徑，有利于滿足地區(qū)間能源外送需求，支撐經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[1]?！?00 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)主要由送端換流站、送端接地極線路、送端極址、直流輸電線路、受端換流站、受端接地極線路、受端極址等組成。以雅中—江西±800 kV 特高壓直流輸電工程為例，在雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，接地極線路流過極址的不平衡電流不超過10 A，電壓不超過35 kV；而系統(tǒng)故障單極運(yùn)行時(shí)，接地極線路流過極址電流多達(dá)5000 A，電壓不超過35 kV。由于極址需要承受大電流，考慮運(yùn)行需要，故極址選擇需滿足以下幾個(gè)條件：1）極址的土壤導(dǎo)電性能良好；2）需與換流站保持一定的距離；3）極址土壤應(yīng)含有豐富的水份和較好的導(dǎo)熱性，含鹽量低、酸堿度趨于中性，滿足接地極在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)熱穩(wěn)定的要求，以及減少對(duì)極體的腐蝕。根據(jù)極址選擇可得知，極址一般位于低洼有水的區(qū)域，土壤電阻率較低處。由于雜散電流腐蝕和土壤電阻率低，接地極線路2 km范圍內(nèi)桿塔、基礎(chǔ)的腐蝕性就越強(qiáng)，故在靠近極址2 km 范圍內(nèi)基礎(chǔ)需做絕緣防腐或者陰極保護(hù)[2-4]?？紤]到接地極線路按照5 年一遇洪水設(shè)計(jì)，2 km 范圍內(nèi)基礎(chǔ)會(huì)有水淹情況，為滿足桿塔使用年限滿足要求，需考慮對(duì)鐵塔的陰極保護(hù)。

1 基礎(chǔ)桿塔電腐蝕原理

接地極線路是在特高壓直流輸電系統(tǒng)中連接換流站直流電壓中性點(diǎn)與接地極之間的架空絕緣線路。換流站在雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，接地極線路中只會(huì)通過不平衡電流，但是當(dāng)特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障，在單極帶電運(yùn)行方式下，接地極線路上流過的電流等于輸送功率/輸送電壓。該電流通過極址雙圓環(huán)導(dǎo)流電纜向四周發(fā)散，會(huì)在極址附近區(qū)域形成跨步電壓，使潮濕土壤導(dǎo)電，從而加快極址附近埋地金屬構(gòu)件的電腐蝕[5-6]。

電腐蝕出現(xiàn)的主要原因是埋地金屬構(gòu)件的電導(dǎo)率比周圍土壤的電導(dǎo)率更小，使得電流更容易通過金屬構(gòu)件[7]。由于埋地金屬構(gòu)件的這種集流效應(yīng)，會(huì)使得金屬構(gòu)件電荷密度較大，一部分電荷會(huì)從金屬構(gòu)件流到周圍土壤溶液中，在這個(gè)過程中，金屬會(huì)失去電子變成離子融入到土壤中，這就形成了金屬構(gòu)件的電腐蝕。

由于靠近極址范圍內(nèi)不平衡電流和單極回路大電流的影響，同桿塔之間、不同桿塔之間會(huì)存在電流回路，從而加快對(duì)基礎(chǔ)、桿塔、接地的電腐蝕。存在回路主要有以下幾種：1）同一桿號(hào)基礎(chǔ)之間通過桿塔形成的回路；2）同一桿號(hào)接地線之間通過桿塔形成的回路；3）不同桿號(hào)桿塔基礎(chǔ)之間通過接地光纜形成回路；4）不同桿號(hào)桿塔接地通過接地極光纜形成的回路。

2 直流接地極線路基礎(chǔ)絕緣保護(hù)

2.1 基礎(chǔ)絕緣保護(hù)原理

絕緣基礎(chǔ)保護(hù)原理主要基于防止電流形成回路，進(jìn)而降低對(duì)基礎(chǔ)、桿塔、接地造成的電腐蝕。具體保護(hù)措施如下：

1）極址2 km范圍內(nèi)同一基礎(chǔ)存在跨步電壓，會(huì)使基礎(chǔ)通過鐵塔形成回路，進(jìn)而使鐵塔、基礎(chǔ)受到腐蝕，故將基礎(chǔ)對(duì)地絕緣、鐵塔對(duì)基礎(chǔ)絕緣和單點(diǎn)接地，防止基礎(chǔ)通過鐵塔形成回路；

2）在極址5 km范圍內(nèi)，同一桿號(hào)桿塔會(huì)通過接地形成回路，為了避免對(duì)接地和桿塔造成的電腐蝕，極址5 km范圍內(nèi)鐵塔采取單點(diǎn)接地的措施；

3）由于極址不平衡電流一直存在，為防止10 km范圍內(nèi)不同桿號(hào)基礎(chǔ)、桿塔通過光纜形成回路，進(jìn)而對(duì)基礎(chǔ)和桿塔受到腐蝕，故需將電纜對(duì)桿塔絕緣。

2.2 絕緣基礎(chǔ)施工工藝

為防止極址入地電流對(duì)鐵塔和基礎(chǔ)的電腐蝕，對(duì)靠近接地極約2 km以內(nèi)的桿塔，基礎(chǔ)對(duì)地、桿塔對(duì)基礎(chǔ)應(yīng)絕緣防腐處理[8]。

基礎(chǔ)對(duì)地的絕緣防腐工藝：

1）采取絕緣措施處理的基礎(chǔ)均須做C15素混凝土墊層，待墊層達(dá)到50%強(qiáng)度后，清理墊層表面；

2）在墊層上涂刷第一道雙組份聚氨酯防水涂料，待風(fēng)干后，涂刷第二道，共涂刷5道，每道厚度不低于40 um；

3）鋪設(shè)第一層玻璃纖維布（厚度≥1.2 mm），涂抹環(huán)氧樹脂，再鋪設(shè)第二層玻璃纖維布，兩層之間利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行膠粘；

4）在玻璃纖維布上涂刷5道雙組份聚氨酯防水涂料，鋪設(shè)第一層防水卷材。在第一層防水卷材涂刷5道防水涂料之后，鋪設(shè)第二層防水卷材，再次涂刷5道防水涂料；

5）經(jīng)過以上各個(gè)工序后，開始綁扎鋼筋，支護(hù)模板進(jìn)行澆筑。待立柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后，拆模，反方向?qū)α⒅爸孢M(jìn)行以上工序?；A(chǔ)底面施工工藝詳見圖1；

圖1 基礎(chǔ)底面防水絕緣截面圖

6）待基礎(chǔ)涂刷完成回填后，需對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行接地電阻測(cè)試，根據(jù)接地極線路施工驗(yàn)收規(guī)范要求，基礎(chǔ)對(duì)地電阻需大于500 Ω。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，電阻大概在2000 Ω 以上，需選擇合適量程的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

桿塔對(duì)基礎(chǔ)的防腐絕緣工藝：

1）組塔前，需提前安裝玻璃鋼墊板和玻璃鋼套筒，再開始塔腳板安裝。安裝完塔腳板后，需安裝玻璃鋼墊片，擰緊雙螺帽，開始組塔作業(yè)。通過玻璃鋼墊板、玻璃鋼套筒和玻璃鋼墊片使地腳螺栓和鐵塔自檢絕緣；

2）待鐵塔組立完成后，需對(duì)鐵塔與基礎(chǔ)地腳螺栓之間電阻進(jìn)行測(cè)量，其阻值應(yīng)大于500 Ω。驗(yàn)收合格后，需做環(huán)氧樹脂保護(hù)帽密封[9-11]，詳見圖2絕緣基礎(chǔ)安裝示意圖。

圖2 絕緣基礎(chǔ)安裝示意圖

3 直流接地線路基礎(chǔ)陰極保護(hù)

3.1 基礎(chǔ)陰極保護(hù)原理

陰極保護(hù)主要是指供給被保護(hù)金屬足夠多的游離電子，使其整個(gè)金屬表面處于受保護(hù)的負(fù)電位，進(jìn)而保護(hù)該金屬表面的金屬原子不易失去電子。埋地金屬構(gòu)件的陰極保護(hù)有以下兩種方法：1）犧牲陽極法；2）外加電流源法。

基礎(chǔ)陰極保護(hù)作用是防止對(duì)基礎(chǔ)中鋼筋、地腳螺栓的電化學(xué)腐蝕。由于野外外加電流源是很難實(shí)現(xiàn)的，故一般采用犧牲陽極法。犧牲陽極法是指在相同潮濕土壤環(huán)境中，利用電纜將活性強(qiáng)的金屬和被保護(hù)金屬構(gòu)件相連接，活性強(qiáng)的金屬失去電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬構(gòu)件上，使被保護(hù)金屬構(gòu)件表面游離大量的電子，從而不易失去自身電子變成離子游離在土壤溶液中。該方法一般用于土壤電阻率較低的環(huán)境下（土壤電阻率≤100 Ω/m）的金屬構(gòu)件。

3.2 基礎(chǔ)陰極保護(hù)施工方法

為了防止極址入地電流對(duì)2 km 范圍內(nèi)的基礎(chǔ)和接地裝置造成破壞，故該范圍內(nèi)的基礎(chǔ)和接地裝置需進(jìn)行陰極保護(hù)。

針對(duì)不同類型基礎(chǔ)型式，陰極保護(hù)施工方法幾乎近似相同。具體基礎(chǔ)陰極保護(hù)施工方法如下：

1）在基礎(chǔ)鋼筋綁扎時(shí)，從基礎(chǔ)ABCD 腿頂部鋼筋引出接地扁鋼至接地埋設(shè)深度（1 m），將水平接地體與ABCD 腿引出的接地扁鋼焊接連接（如圖3所示）；

圖3 基礎(chǔ)陰極保護(hù)平面布置圖

2）犧牲陽極與被保護(hù)接地體之間采用電纜連接，埋設(shè)前，電纜與陽極鋼芯需可靠的放熱焊接，并浸泡水中至飽和，電纜長(zhǎng)度也應(yīng)留有一定裕量；

3）犧牲陽極水平接地體應(yīng)等距離均勻布置，采用臥式開槽埋設(shè)，與水平接地體距離不小于500 mm，陽極頂部埋深距地面不小于1 m 或與水平接地體埋設(shè)在同一標(biāo)高；

4）陽極電纜與水平接地體采用放熱焊接，待測(cè)試樁電纜引入塔基或塔身后，方可進(jìn)行回填。

測(cè)試樁施工方法（詳見圖4）：

圖4 陰極保護(hù)剖面圖

1）根據(jù)基礎(chǔ)水淹情況，測(cè)試樁需在塔基中抬高或者布置塔身處。將水平接地體的一處電纜、鋅合金連接電纜和參比電極引出電纜一起引出至塔基中或者塔身高處，進(jìn)行回填或者固定。參比電極可提供參考零電位，減少土壤電流引起的電位偏移的作用；

2）根據(jù)設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行要求，測(cè)試樁采用混凝土澆筑或者固定塔身高處，方便后期檢測(cè)，確保陰極保護(hù)正常運(yùn)行；

3）待陰極保護(hù)施工完成一星期后，需進(jìn)行保護(hù)電位測(cè)量，使用萬用表測(cè)量參比電極和鋅合金陽極電位，要求電位小于等于-0.85 V[12]。

4 基礎(chǔ)保護(hù)方法對(duì)比分析

從以上絕緣基礎(chǔ)、陰極保護(hù)原理分析以及相應(yīng)施工方法的介紹，可知絕緣基礎(chǔ)和陰極保護(hù)施工及運(yùn)維主要優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 絕緣基礎(chǔ)和陰極保護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)

5 結(jié)語

特高壓直流接地極線路基礎(chǔ)保護(hù)是一個(gè)技術(shù)含量較高的課題，通過該課題研究，可為極址附近的線路基礎(chǔ)、桿塔、接地電腐蝕提供保護(hù)方案。文中通過對(duì)絕緣基礎(chǔ)和陰極保護(hù)的原理分析、施工介紹和施工運(yùn)行對(duì)比分析，為建設(shè)管理單位、運(yùn)行單位根據(jù)工期要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境勘查等情況審查設(shè)計(jì)2 km范圍內(nèi)基礎(chǔ)保護(hù)類型提供參考，也為運(yùn)行單位掌握線路基礎(chǔ)保護(hù)情況、大修技改等方面提供技術(shù)支撐。