变电站铁塔基础接地网土壤腐蚀性研究

魏 敏，吴芳芳，田 浩

（1.嘉兴电力局，浙江 嘉兴 314033；2.浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

接地装置长期处于恶劣的运行环境中，承受着地网散流与杂散电流的腐蚀，土壤的化学与电化学腐蚀也不可避免，接地网腐蚀会造成电气设备“失地”，接地电阻升高，影响电气设备的安全运行。因此，确保接地网免受腐蚀是保证电网安全稳定运行的主要措施。而判定接地网周边土壤的腐蚀性，是选择保护措施的先决条件。

为了快速准确地测定金属材料在土壤介质中的腐蚀速度随时间的变化规律，近年来相继出现了一些电化学测试方法，如极化曲线法、交流阻抗技术等，为深入研究土壤腐蚀机理提供了技术支持。还有研究者采用测量对地电位（自腐蚀电位）、氧化还原电位等方法来测定对比金属材料在不同土壤中的腐蚀速率。这些方法对土壤环境无干扰，但只能提供单一的与腐蚀有关的信息，与土壤的腐蚀速度关系不密切，因此实际应用情况并不理想。

本文采用现代电化学测试手段和相关的仪器表征方法，通过数学方法研究碳钢作为接地材料在某土壤环境下的腐蚀行为。通过对土壤取样、理化性质和电化学性质的分析、腐蚀电流的现场和实验室测定及与填埋失重法的比对分析等，以嘉兴某220kV变电站为例，测定了接地网的腐蚀速度，估算其运行寿命，为接地网的运行和维护提供理论依据。

1 土壤腐蚀性

1.1 土壤的特性

土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，因此土壤是一种腐蚀性电解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。

土壤中含有多种无机物和有机物，其种类和含量影响土壤的酸碱性和导电性。土壤是不均匀的，长距离的地下管道和大尺寸的地下设施，其各个部位接触的土壤结构和性质可能有较大差异。而土壤中大量的微生物会加速金属腐蚀。

1.2 影响土壤腐蚀性的因素

影响土壤腐蚀性的主要因素有：含水量、含氧量、含盐量、电阻率、pH值。

（1）土壤含水量既影响土壤导电性，又影响含氧量。

（2）氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响，会产生氧浓度差腐蚀电池。

（3）土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小。随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。

（4）当pH值小于6或者大于7.5时，土壤腐蚀性均增强。

2 土壤性能的研究

主要研究内容包括：土壤取样与理化性质测试、试片预埋与相关现场测试、腐蚀速率的实验室快速测定等。

2.1 土壤理化性质测试内容与方法

测试内容包括：土壤种类、氧化还原电位、pH值、含水率、总盐度、硫酸根离子、氯离子含量和有机质含量等，具体测试方法见表1。

表1 土壤理化指标的测试方法

2.2 腐蚀速率的测定

测试方法主要包括：准稳态极化曲线法、简要的极化曲线法（即现场测试法）、交流阻抗法和填埋失重法，在此基础上还分析了材料在土壤中腐蚀速度的演化行为。

2.3 数据处理方法

电化学测试过程中得到的腐蚀速度用腐蚀电流来表示（即测得的是金属的瞬时腐蚀速度），而常用的腐蚀速度都用失重率或年平均腐蚀厚度来表示，为了便于对比及与习惯说法相一致，要对腐蚀电流进行积分（不同时间段有不同的腐蚀电流）以得到年平均失重（g/cm2·a 或 mm/a）。

为了将测得的即时腐蚀电流数据转化为年平均失重，根据建立计算模型的需要，结合气象资料，将1年的时间划分3个不同时间段：10℃以下的2个月，10℃～25℃的6个月，25℃以上的4个月。将失重质量m看作函数f（t），是以时间t为变量的函数，再根据划分的时间段对其积分。

式中：（0，t1）为温度在 10℃以下的时间段；（t1，t2）为温度在 10℃～25℃的时间段； （t2，t3）为温度在25℃以上的时间段；M为试片的原子量，此处取56；F为法拉第常数（96485）；i为腐蚀电流；S为试片表面积，此处取1 cm2。

式（1）定义为：年平均腐蚀损失质量就是对以时间t为X轴和腐蚀电流i为Y轴的函数进行积分，积分结果再乘以常数M/2FS。

为便于计算和说明，研究过程中可将上述3个时间段内的腐蚀电流近似看作相等（测试结果表明，该处理方法确实可行）。具体到每个时间段的腐蚀电流大小，工作中根据实际情况和实验条件等进行重复测量，结果平均后即可得到相应时间段内平均腐蚀电流。式中：n为同一时间段内腐蚀电流测定的次数；in为同一时间段内第n次腐蚀电流的测量值。

计算试片在研究时间段内的平均失重公式为：

式中：m为研究段时间内试片的失重量；t为研究时间段的长度。

若将1年分为3个时间段，则相关试片在目标土壤中的年平均失重可通过以下公式求得：

具体计算示例如图1所示。由于温度变化原因，在不同时间段下的平均腐蚀电流是不同的。如图1所示1-2月的腐蚀电流是i1，3-8月的腐蚀电流是i2，9-12月的腐蚀电流是i3，长方形的面积表示试片失重的质量。

3 应用实例

3.1 变电站土壤腐蚀性能的测定

嘉兴某变电站位于嘉兴市秀洲区油车港千金寺，所在场地周围为农田，地下水系发达，西侧有一废品回收站。

图1 3个时间段内不同的平均腐蚀电流对比

选择该变电站基建工程开展接地网土壤腐蚀与防护研究，通过测定设计所选用接地材料在基建施工区域土壤内的腐蚀速率，预测其使用寿命并提出相应防护整改措施，保证接地网在设计寿命期内可靠运行。土壤的理化测试结果见表2。

表2 变电站土壤理化测试数据

3.2 稳态极化曲线测试

根据前期开展的接地网腐蚀研究成果，在嘉兴地区的气候条件和土壤环境下，接地网的年腐蚀速率可采用模拟系统快速测定，即利用试验分析装置进行电化学测试。由于实际土壤情况复杂，同一地点的土壤在不同环境条件下其物理化学性质，如含水率、土壤充气程度等也有不同，对电化学测试的结果会产生重要影响。为研究金属材料在同一土壤试样中不同情况下的腐蚀行为，模拟系统通过加入不含CO2的超纯水，使被研究的土壤变为泥浆状（此时所研究土壤的含水率为饱和状态），并采用电化学腐蚀测量方法（极化曲线法）进行评价，分析材料腐蚀速度和阴阳极控制特性，求得自腐蚀电流，即在弱极化区求解相应金属材料的腐蚀电流。测试过程中，每天测试4～6次，拟合后计算得到相应的腐蚀电流密度，然后对该数据进行平均。图2是典型的稳态极化曲线，图3给出了2个测试周期（5天）内的典型稳态极化曲线对比，图中的电位均指相对于铜-硫酸铜饱和参比电极电位。

图2 典型稳态极化曲线

图3 5天内的稳态极化曲线变化对比

图3的结果表明，在整个测试过程中，填埋试片的腐蚀速度一直比较平稳，说明该测试装置所得到的结果具有较好的稳定性，有较好的实际指导意义。

3.3 碳钢试片腐蚀速度计算

根据式（3），试片在所研究时间段内的平均失重公式为：

而在2个试验周期内测得的平均腐蚀电流分别为 1.8923E-02 和 1.4627E-02（mA/cm2），取其平均值为1.6775 E-02（mA/cm2）。则可计算得出A3钢在该土壤内的年失重量为0.1535 g/cm2。

4 结论

经测定，嘉兴电力局某220kV变电站接地网（碳钢）腐蚀电流的测定值 1.6775 E-02（mA/cm2）约为该地区其它变电所同期测定值8.555E-03（mA/cm2）的5倍，说明该所的土壤环境对接地网的腐蚀性较强，应采取相应的防腐措施，如阴极保护法。由此可见，对变电站（铁塔基础）接地网周边的土壤特性进行研究，对指导接地网的施工及保护有重要的价值。

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