改性硅酸鹽復合接地材料在輸電線桿塔接地中的使用

張 翔 ，孫祺智， 王 霖

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

輸電設備接地材料使用最多的還是金屬材料，鋼、鍍鋅銅為使用最多的材料之一。銅雖然耐腐蝕性較好，但成本較高。金屬接地材料的腐蝕問題是桿塔接地的一大難題，市場上針對腐蝕性問題也做出了調整，出現(xiàn)了一些非金屬性的接地材料，具有導電防腐功能；但在實際使用中各有利弊。復合材料的接地模塊進入水分和空氣后，會出現(xiàn)內部金屬腐蝕，且導電防腐涂料施工困難?；诮饘俳拥夭牧显趯嶋H使用中存在的腐蝕性高問題，對一種新型接地體——改性硅酸鹽復合接地材料進行探討，分析該復合接地材料在導電與防腐上的優(yōu)勢，以幫助輸電線桿塔接地起到更好的防腐降阻效果。

1 輸電線桿塔接地裝置現(xiàn)狀

1.1 架空線路接地電阻值的控制

架空線路的接地裝置要充分滿足接地規(guī)范的要求，保證接地裝置的接地電阻值偏小，才可以起到更好的防雷效果。不同區(qū)域的輸電線路有著不同的土壤環(huán)境，在進行接地電阻值的設計時，當季節(jié)干燥，需要將每一個帶有接地線的塔架從接地線斷開，且工頻接地電阻不應超過表1中的值[1]。

表1 接地電阻大小Tab.1 Grounding resistance size

由于接地電阻的電感效應關系，在擴展射線長度時，如果接地電阻無法得到有效改善，則會限制接地裝置的功能發(fā)揮。因此在實際操作中，每條射線都有最大的長度要求，具體如表2所示[2]。

表2 最大長度限制Tab.2 Maximum length restrictions

1.2 桿塔接地裝置現(xiàn)狀

架空線路的接地裝置材料以鋼為主，架空線路在長期的運行中極易受到自然界的侵蝕，使接地裝置出現(xiàn)斷裂。對于運行年限久遠的地網(wǎng)，在檢查時會發(fā)現(xiàn)腐蝕的方式是垂直進入土壤，接地裝置的地下受到酸堿腐蝕后，雷電流減弱就會導致電阻增加，從而嚴重影響到線路的穩(wěn)定運行。

1.3 接地電阻值超標的原因

綜合而言，桿塔接地裝置的接地電阻超標原因有：接地裝置設計選型不合適；土壤影響[3]。

2 不同環(huán)境下優(yōu)化降阻方案

2.1 接地網(wǎng)外延降阻

通過接地網(wǎng)外延方式進行降阻，改變外延體的運行方式，增加其長度，以達到降低電阻的目的。在具體的輸電線接地網(wǎng)工程中，將接地網(wǎng)埋深設定為0.8 m，復合材料等效半徑設定為0.01 m，電阻率設定為100 Ω·m，得到不同外延體的分布情況，如圖1所示[4]。

圖1 接地網(wǎng)外延分布Fig.1 Epitaxy distribution of grounding grid

對于不同的外延體分布情況，可以通過現(xiàn)場測量的方式，測試土壤電阻率，當土壤電阻率分布均勻時，得到的測試結果如表3所示。

表3 不同外延體分布工頻電阻值[5]Tab.3 Power frequency resistance values of different epitaxial bodies

2.2 垂直接地體降阻

圖2為現(xiàn)代輸電系統(tǒng)地網(wǎng)垂直接地降阻方式，面積為15 m×15 m，埋深0.8 m[6]。

圖2 垂直接地降阻網(wǎng)絡圖Fig.2 Vertical grounding resistance reduction network diagram

垂直的接地體長度與數(shù)量之間有著相互聯(lián)系，如果長度值較短，則無法得到較大的降阻效果。當接地體的數(shù)量逐漸增加，則降阻率趨向于穩(wěn)定狀態(tài)[11]。綜合考慮后，要想讓接地網(wǎng)中的降阻率達到理想值，需要將垂直接地體的數(shù)量設定為8，以滿足降阻率的使用需求。說明垂直接地體的長度與水平地網(wǎng)的等值半徑相同，單位長度的利用率才可以獲得更好的效果，從而實現(xiàn)低造價成效[7]。

根據(jù)現(xiàn)場情況，對不同垂直接地體降阻情況進行實驗，根據(jù)實驗的條件，將接地網(wǎng)的埋深設置為1 m，垂直接地體的長度設置為2 m，得到電阻降阻率的測試結果，具體如表4所示?？梢缘玫剑S著垂直接地體的數(shù)量不斷增加，電阻率得到下降。

表4 試驗測試結果與垂直接地體的數(shù)量關系[8]Tab.4 The relationship between the test results and the number of vertical grounding bodies

2.3 降阻劑降阻

降阻劑的降阻原理主要通過提升接地體的截面起到消除接觸電阻，并改善周圍土壤的電阻率目的，利用其吸水與保水性優(yōu)勢提升并保持土壤的導電特性。工頻電阻隨著降阻劑的厚度發(fā)生變化，具體結果如表5所示[9]。

表5 工頻電阻與降阻劑厚度之間的關系Tab.5 Relationship between power frequency resistance and thickness of resistance reducing agent

由表5可知，降阻劑的劑量與降阻率具有一定關系，當劑量達到設定值時，降阻效果會發(fā)生飽和。在各類面積地網(wǎng)中，相互之間的降阻效果差異較大，降阻劑對于集中接地體的工頻降阻效果明顯，極限降阻率達到30%以上[10]。

3 改性硅酸鹽復合接地材料的特點及腐蝕性能對比

3.1 改性硅酸鹽復合接地材料特點

自制的改性硅酸鹽材料組成成分質量分數(shù)，具體如表6所示。

表6 改性硅酸鹽材料組成成分質量分數(shù)[11-12]Tab.6 Composition of modified silicate materials

改性硅酸鹽材料對于金屬具有良好的腐蝕保護效果，硅酸鹽具有抗氯離子滲透功能，水泥中添加活性礦物材料粉末，可以形成水硬凝膠材料，與礦渣粉、粉煤灰等礦物材料相結合，可以起到微細填充作用。讓水泥的水化產(chǎn)物得到優(yōu)化，對氯離子可以起到一定的物理吸附作用。

3.2 幾種接地材料的腐蝕性能對比

3.2.1土壤取樣腐蝕試驗

(1)不同pH值環(huán)境下：選取3種不同的pH值土壤環(huán)境，分別為pH=2、pH=4、pH=6[13]；將其分別對不銹鋼、銅、銅覆鋼、鍍鋅鋼、碳鋼和改性硅酸鹽材料等6種樣品進行腐蝕試驗。環(huán)境溫度45 ℃，試驗周期1個月，試驗結束后其清洗前后對比結果如圖3所示。

(a)清洗前

(b)清洗后圖3 試品清洗前后對比Fig.3 Comparison of samples before and after cleaning

不同pH值土壤下的腐蝕速度如表7所示[14]。

表7 1個月不同pH值土壤的腐蝕速度Tab.7 Corrosion rate of soil with different pH in one month g/(m2·h)

由表7可知，碳鋼不管在哪一種土壤環(huán)境下，腐蝕速度和分值都最高；改性硅酸鹽在排序中位列中等，排名第4，防腐效果低于鍍鋅銅，說明在不同的土壤環(huán)境下，可以對碳鋼起到一定的保護作用；

(2)不同地區(qū)土壤取樣：為了更好地獲取改性硅酸鹽的腐蝕情況，比較在不同地區(qū)6種樣品的腐蝕情況，選擇了沿海鹽堿地區(qū)江蘇南通、酸性紅壤地區(qū)江西南昌、內陸低阻地區(qū)山東濟南作為代表，各樣品的規(guī)格、溫度、時間均與pH值腐蝕對比試驗相同，實驗后的清洗效果如圖4所示；實驗結果如表8所示[15]。

(a)清洗前

(b)清洗后圖4 試品清洗前后對比Fig.4 Comparison of test products before and after cleaning

表8 1個月不同地區(qū)土壤腐蝕速度Tab.8 Soil corrosion rate in different regions in one month g/(m2·h)

由表8可知，改性硅酸鹽材料在不同地區(qū)的土壤環(huán)境中，腐蝕速度排名位居第2，僅次于不銹鋼；碳鋼與改性硅酸鹽材料相比較，在山東濟南土壤中的腐蝕速度最高；在鹽堿成分較高的江蘇南通以及酸性較高的江西南昌的紅土壤中，碳鋼與改性硅酸鹽的腐蝕速度相對較低，說明改性硅酸鹽材料在兩者中可以起到對碳鋼有較好的腐蝕作用。

3.2.2溶液加速腐蝕試驗

(1)腐蝕時間的影響：由表9可知，改性材料的綜合耐久性較好；不銹鋼與改性材料的腐蝕速率較低，適用于在酸性土壤環(huán)境中。其中，不銹鋼溶液的加速腐蝕速度隨著腐蝕時間的長短而發(fā)生變化，可以判斷不銹鋼接地材料在酸性土壤環(huán)境中使用時間較長；而碳鋼的腐蝕速度較快，且耐腐蝕性較差。

表9 不同接地材料在質量分數(shù)15%HCI溶液中的腐蝕速率Tab.9 Corrosion rates of different grounding materials in 15%HCI solution g/(dm2·d)

(2)溫度變化的影響：當實驗的溫度發(fā)生變化后，不銹鋼的腐蝕速度也大大增加，改性材料的腐蝕速度也大大增加，說明不銹鋼與改性材料的腐蝕速率非常容易受到溫度變化的影響。因此，這2種材料在溫差較大的環(huán)境中，耐腐蝕性需要提高。

4 具體應用

改性硅酸鹽接地棒如圖5和圖6所示，集導電性能與腐蝕性能于一體的改性硅酸鹽材料，形狀為圓棒性與方板形2種。以改性硅酸鹽接地板為主，對某220 kV線路工程進行改造。該地區(qū)位于酸性紅壤地區(qū)的江西南昌，屬于典型的酸性紅壤土，采用普通的金屬材料極其容易發(fā)生腐蝕，因此對其進行桿塔接地裝置的改造十分重要。

圖5 改性硅酸鹽接地棒Fig.5 Modified silicate ground rod

圖6 改性硅酸鹽接地板Fig.6 Modified silicate ground plane

對該地區(qū)的桿塔接地裝置進行改性硅酸鹽接地板的改進，應用公式：

(1)

式中：R為單個接地電阻；L為長度；W為寬度；ρ為土壤電阻率；h為深度；N為數(shù)量；K為調整系數(shù)；Rn為電阻要求值。

通過式(1)得出，當接地板的尺寸為長1 m寬0.2 m電阻率90 Ω·m、深度0.9 m時，地板數(shù)量為8；在施工過程中，將4塊接地板放在方框中心，讓接地板之間的導線進行連接，施工示意圖如圖7所示。

圖7 輸電桿塔接地的改性硅酸鹽接地板施工示意圖Fig.7 Schematic diagram of the construction of the modified silicate grounding plate for the grounding of the transmission tower

5 結語

根據(jù)pH值腐蝕實驗，得出改性硅酸鹽材料可以在不同pH值的土壤中起到對碳鋼的保護作用；在不同地區(qū)土壤腐蝕實驗中，得出改性硅酸鹽材料的防腐效果優(yōu)于銅、銅覆鋼以及鍍鋅銅，在鹽堿地區(qū)和酸性紅土壤地區(qū)中可以起到對碳鋼的腐蝕保護作用。通過實例證明，改性硅酸鹽復合接地材料應用在具體的輸電線路桿塔接地工程中，可以滿足工程需求。