变电站接地网腐蚀行为的实验室快速测定

张利庭张元龙李汝彪魏状

(1,浙江嘉兴电力局,浙江 嘉兴314033;2,浙江省电力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江杭州310032)

变电站接地网腐蚀行为的实验室快速测定

张利庭1张元龙1李汝彪2魏状3

(1,浙江嘉兴电力局,浙江 嘉兴314033;2,浙江省电力公司,浙江 杭州310007；3,浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江杭州310032)

根据变电站接地网腐蚀行为的研究现状，在实验室建立了一个模拟金属土壤腐蚀行为的装置。工作中以A3钢为测试金属，以嘉兴地区两个110 kV变电站的土壤为目标土样，利用试片失重法和电化学测试技术对模拟装置的有效性进行了评价。结果表明，在电化学活化控制条件下，所建的土壤模拟腐蚀装置能有效地反应变电站现场A3钢的腐蚀情况，两者的实验误差在20%以内。以上研究成果对指导接地网运行具有重要的意义。

土壤腐蚀；接地网；腐蚀电流；极化曲线；失重

变电站接地网是电力系统电气装置为防止雷击或接地短路电流危及人身和设备安全而采取的安全措施，其对电网的安全运行具有重要的意义。目前，国内在进行变电站接地网建设时，一般先查阅相关的腐蚀数据手册，然后根据热稳定性要求再决定接地网的尺寸大小。手册上数据一般来源于特定地区和特定试样的填埋试验，由于气候条件和土壤理化性质的差异性，所查数据对各个特定的变电站往往仅具参考价值，对实际生产的指导性并不是很强。因此，相应气候条件下如何有效测定不同土壤中常规金属材料的腐蚀速度对电力系统接地网的建设具有重要的实际意义[1-3]。

为了有效测定相关金属材料在目标土壤中的腐蚀速度，在实验室内建立能有效模拟各种常见金属材料在不同种类土壤中的腐蚀行为是问题的关键。一般地，为了使模拟装置的测试结果与实际现场的腐蚀速率有很好的相关性，建立的模拟装置至少应满足以下两个基本条件：（1）表观实验条件下的模拟；（2）特定条件下金属腐蚀动力学特性的模拟[4]。另外，由于模拟测试装置得到的结果为瞬时腐蚀电流的大小，因此，如何确定一个相应较为完整的测试周期也是保证测试结果具有实际指导意义的重要保证。

本工作中研究了A3钢在嘉兴地区2个变电站的腐蚀行为（桐乡110 KV的龙翔变电站和平湖110 KV的东方变电站）。根据现场分析及土壤理化性质的测试，我们在实验室建立并优化了相应的模拟测试装置，模拟装置的有效性通过现场填埋试片的失重进行核证。

1 实验方法与仪器

1.1 电化学测试及模拟装置图

电化学测试装置采用三电极体系，恒电位仪为上海华辰的CHI660C。A3钢模拟腐蚀装置如图1所示，模拟腐蚀装置土样的具体填埋要求如下：（1）土样填埋深度要求大于12 cm，一般为16 cm左右；（2）两片金属试片平行放置，间距保证在2 cm以上；（3）夯土要求，首先在腐蚀模拟体系底部填埋约2 cm厚度的泥土，夯实之后，再添加2 cm厚度的泥土，再夯实，直到达到测试要求的规定为止；（4）在建好的测试装置中添加适量的蒸馏水并放入恒温恒湿箱内保存，加水频率取决于现场土壤氧化还原电位的高低。

1.2 土样理化性质的测定[5]

在2007年年初，我们按规定标准分别对这2个变电站进行了土壤样品的采取、失重试片和测试件的现场填埋等工作。变电站的电化学性质进行现场测试，而其他指标根据相关标准程序在实验室分析，两个变电站土壤理化性质如表1所示。

表1-2 个变电站土壤的理化指标

1.3 动力学特性的分析及数据处理方法[4,6]

在常规实验条件下，现场测试件典型的极化曲线如图2和图3所示，不同条件下对不同极化电位内电位-电流关系的分析结果显示。相关工艺条件研究表明两个变电站A3钢的腐蚀过程属电化学活化控制。为此，我们可以利用下式来求算A3钢在上述土壤中的腐蚀速率：

其中ic为腐蚀电流密度，Ec为腐蚀电位，βa和βb为阴、阳极极化过程的塔菲尔斜率。

1.4 腐蚀电流测试结果与试片失重法的比较

由于电化学测试法得到的是腐蚀电流，而试片失重法得到的腐蚀速度为某段时间内平均的腐蚀速度。为了便于比较，一般要对腐蚀电流进行积分以得到年（（或月）平均失重。根据建立计算模型的需要，结合查阅到近年来桐乡和平湖地区的气象资料，我们将1年时间简单地划分3个时段：10℃以下的2个月，10~25℃的6个月，25℃以上的4个月。在计算出各个时段的平均腐蚀电流后即可求算出A3在研究时间段的平均失重。

1.5 A3钢填埋试片失重的测定[5]

A3钢试片失重质量与平均腐蚀电流之间的换算公式是：

式子中ic是求算的腐蚀电流大小，单位是mA/cm2；2是腐蚀反应中得失的电子数；F是法拉第常数，等于96485；m是试片失重质量，单位是g；D表示填埋实验进行的天数；S表示填埋试件的表观面积。

2 结果与讨论

对附近停用变电站接地网截取样品的分析表明，桐乡110KV的龙翔变电站和平湖110KV的东方变电站不存在细菌腐蚀问题。与从事接地网工作的技术人员交流得知，在嘉兴地区，接地网的腐蚀以均匀腐蚀为主。排除上述因素后，对这两个变电站接地网腐蚀行为的研究就可以进行简单化处理。即除了电解腐蚀外，只要求算出A3钢在目标土壤中的均匀腐蚀速度即可，而电解腐蚀通过相应的电量给出。在本研究中，失重试片与接地网并未连通，故电解腐蚀可以不用考虑。

2.1 土壤腐蚀装置的优化

在测试初期，土壤模拟腐蚀装置如图1（左边-旧）所示。测试结果的平均值与试片失重法换算得到的腐蚀电流相比表明（如表2所示），两者差别过大，该装置无法很好地模拟现场A3钢的腐蚀行为。

经课题组的仔细分析讨论和验证，认为填埋试片属均匀腐蚀及过程动力学特性属电化学活化控制这两个基础没有问题。以下几个因素可能是造成该结果的主要原因：（1）模拟装置腐蚀电流的时效性问题没有考虑；（2）实验室测试过程所取的点数不够多；（3）氧化还原电位的模拟不够到位（具体表现为加水次上）；（4）所建的电化学模拟装置不够理想。因此工作中有必要对上述几个因素进行分析与优化，限于篇幅，本文以模拟装置的时效性为例进行优化。

表2 模拟装置所测得的腐蚀电流与试片失重法算得的腐蚀电流

2.2 模拟测试装置腐蚀电流的时效性分析

在模拟装置的测试过程中，由于土样夯实程度的不同，所测腐蚀电流的大小肯定也会有一定的时效性。因此建好模拟装置后在什么时间进行腐蚀极化曲线的测定有重要的优化价值。实验中以桐乡110 kV龙翔钱变的测试情况为例进行说明（图4）。图4结果表明，模拟装置在刚建立的几天内腐蚀电流值较大，这可能是刚建立的装置土壤较松，氧气的补充速率较快，从而导致体系有较大的腐蚀电流。随着时间的推移，装置中土壤的紧密度变好，此时所测腐蚀电流密度值有所下降。重复试验表明，模拟装置在10 d后才能测到较平稳的腐蚀电流值。装置电化学阻抗谱的分析结果也有同样的结论。

2.3 其他几个因素的优化说明

仔细对比分析实验室模拟装置和现场土壤体系，课题组认为图1（左-旧）的测试装置还存在以下几点的不足：（1）模拟装置中所填金属试片底部的泥层厚度偏小；（2）为了模拟实际体系的氧化还原电位，工作中需对装置进行了加水处理，由于图1（左-旧）模拟装置并没有考虑相应的排水出口，导致装置内有明显的积水现象，从而影响测试结果。针对上述存在的两个主要缺陷，我们对模拟测试装置进行改进，改进后的模拟测试装置图1（右-改进后）所示。改进后的装置在底部打了许多小孔，以便所加水的顺利排出，另外，金属试片底部泥土的厚度也明显加厚（达10 cm），以便更好地模拟实际土壤腐蚀体系。

由于这两个目标变电站接地网的腐蚀属电化学活化控制，故利用加水频率来控制模拟装置氧化还原电位的方法对测试结果的准确性具有重要意义。

2.4 优化后的测试结果

利用改进后的模拟装置，在优化后的测试条件下，对A3钢在上述两个变电站的腐蚀行为进行了测定。试片的填埋工作从2007年3月开始，到10月份的试片取回共经历了近8个月的时间。模拟装置优化后测得的腐蚀电流与失重法换算得到的腐蚀电流值结果如表3所示，装置测得的腐蚀电流与实际试片失重法所换算得到的腐蚀电流较为接近，实验结果的相对误差的20%以内。以上对比结果表明，优化后的装置能有效地反应对现场接地网的腐蚀情况，测试结果对接地网的正常运行有着很好的指导作用。

表3 装置及工艺条件优化后的腐蚀电流测定值

3 结论

（1）根据气候条件和预研结果，可以将嘉兴地区一年的气候条件分为三类，其中气温低于10℃的有2个月，10~25℃之间有6个月，25℃以上的有4个月。

（2）建立并优化了模拟接地网腐蚀的测试装置，根据两个变电站接地网腐蚀的动力学特点，通过对氧化还原电位的有效模拟和测试装置腐蚀电流时效性问题的研究，所测结果与失重法所得结果较为接近，两者的相对误差在20%以内。

[1]电力设备接地设计技术规程SDJ8-79[M].北京:中国电力出版社，1979.

[2]胡学文，许崇武，李建华，等.接地网电化学防蚀保护若干个问题研究[J].中国电力，2002，35（7）：75-79.

[3]吕承杰，王芷芳.变电站接地网的腐蚀及牺牲阳极的应用[J].全面腐蚀控制，2005，19（5）:33-35.

[4]曹楚南.腐蚀电化学原理（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2004:4.

[5]全国土壤腐蚀实验网站.材料土壤腐蚀实验方法[M].北京：科学出版社，1990:3.

[6]查全性.电极过程动力学导论[M].北京：科学出版社，2004:1.

Quick Measurement of the Corrosion Rate of Ground Network in Laboratory

ZHANG Li-ting1,ZHANG Yun-long1,LI Ru-biao2,WEI Zhuang3
(1.Zhejiang Jiaxing Electric Power Bureau,314033,China；2.Zhejiang Electric Power Corporation,310007,China; 3.College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032, China)

A kind of simulating equipment was set up in our lab to study soil corrosion behavior of general metal on the basis of development of corrosion behavior of network.The validity of simulating equipment was tested in two 110kV transformer substations(Jiaxing,Zhejiang province)through comparing the in situ corrosive speed of A3 steel with that obtained from this simulating equipment.The experimental results show that this simulating equipment can effectively reflect in situ corrosion behavior of A3 steel under control by electrochemical kinetic process,and the error of two corrosive speeds is within 20%.Therefore,this kind of simulating equipment is very significant for effective operation of ground network.

soil corrosion;ground network;corrosion current;polarization curve;loss mass

1006-4184（2010）07-0023-04

2010-03-24

张利庭(1967-)，男，硕士，高级工程师，从事变电所检修维护及技术管理。