耐蚀性金属接地材料研究综述

周佩朋，王 森，李志忠，张 波，曾 嵘

（1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系），北京市，100084；2.陕西电力科学研究院，西安市，710048）

0 引言

电力系统接地的目的是提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点及降低绝缘水平。接地系统是确保电力系统、电气设备的安全运行，确保运行人员及其他人员的人身安全的重要措施[1]。

由于铜材的短缺，我国主要以镀锌钢作为接地装置材料。在很多地区，接地网腐蚀已构成影响电力系统安全运行的重要因素。在我国，因接地网腐蚀而引起的电力系统事故时有发生，每次事故都会产生较大的经济损失。

为了抑制接地网的腐蚀，国际上通常使用铜材为接地材料，但是铜材的价格昂贵，为此，在国内外市场上，出现了一些新型接地材料，如铜镀钢、不锈钢、锌包钢等材料。铜镀钢已在国外获得较多的使用，而其他材料尚无可以依据的使用标准或经验，因此在生产及使用中存在一定的盲目性。针对上述问题，本文通过调研相关文献、标准，收集数据，对部分接地金属材料从耐腐蚀性、金属截面积选择、技术经济比较3方面进行综合分析，以供工程参考。

1 国内外各种新型接地材料调研

目前国内各种接地材料众多，本文首先对国内外已使用和可能使用的材料进行汇总。

铜镀钢在国外获得了较多的应用，美国、英国等国家都制订了相关标准[2-4]。该种材料还有铜铸钢、铜包钢等不同生产工艺[5]；市场上另有一种热浸锡铜镀钢，即在铜镀钢的外边镀1层锡，其防腐性能更好。

近些年，锌包钢、不锈钢接地棒逐渐出现在市场上。锌包钢是用挤压包覆的工艺[6]将较厚的锌层包覆在钢表面，克服了热浸镀锌钢镀层太薄的弊端，从而起到防腐的目的，这种材料在实际工程中应用不多，也没有相关标准可以依据。不锈钢的防腐性能是显而易见的，但目前在接地工程中很少采用。有人提出过不锈钢包钢的想法，但是目前尚无成型产品。

在下面的分析中，本文将针对镀锌钢、铜、铜镀钢、不锈钢、锌包钢等材料进行详细的比较。

2 金属的耐腐蚀性

金属的耐腐蚀性很大程度上决定了其在接地工程中的应用前景，在国内外曾进行过大量的相关实验。

2.1 国外开展的相关实验

美国和波兰针对接地材料腐蚀特性进行了深入研究。美国国家标准局在1910—1955年开展了为期45年的“地下腐蚀”研究项目[7]；美国加利福尼亚国家海军土木工程试验室在20世纪60年代早期与美国国家腐蚀工程师协会合作开展了为期7年的“接地棒现场测试”研究项目[8]；美国国家接地研究计划从1992年开始在国际电气监察协会的南内华达州分部研究不同接地极材料的长期性能，该项目现在由防火研究基金会继续进行试验[9]。波兰华沙技术大学材料科学工程系实验室也进行了电镀铜与镀锌钢的腐蚀实验[10]研究。

2.2 国外实验结果

美国国家标准局“地下腐蚀”研究项目的主要研究成果如下：

（1）铜和铜镀钢。包括管状和板状样品，其中铜镀钢的铜层厚度为0.254 mm。在14个不同场地埋入地中13年，根据重量测量，得到平均腐蚀深度为12.7×10-6mm。埋置在另外29个不同试验场地8年的样品的平均腐蚀深度为22.86×10-6mm。

（2）镀锌钢。测试了208个镀锌钢管，镀层厚度约为0.121 mm，样品埋入地中10年。10年后镀锌层的平均腐蚀厚度达0.063 5 mm。镀锌层下的钢出现了点蚀。

（3）对轧制锌材和镀锌钢（平均镀层厚度0.13 mm）在美国不同地点的50种土壤中进行了腐蚀性能的评定。数据显示，镀锌钢件的平均腐蚀速率与锌基本一致，但是点蚀穿透率明显低于锌；而且当大部分镀层被腐蚀后，腐蚀速率降低[11]。

美国加利福尼亚国家海军土木工程试验室对9种不同材料的垂直接地棒（长2.4m，直径16 mm），埋入地下7年，分别在1年后、3年后、7年后从土壤中挖出测量，得到的实验结果如下：

（1）7年后，大多数试品的镀锌钢镀层腐蚀掉了，钢芯出现了点蚀。

（2）包不锈钢的钢接地棒基本没有腐蚀，但是钢芯出现了约25.4 mm深的点蚀。

（3）铜镀钢接地棒没有腐蚀，只是在端部钢芯出现了约50.8 mm深的点蚀。

美国海军在其公布的接地体现场测试报告中提供了一些现场测试结果[8,12]，腐蚀数据如表1所示。

表1 单一接地体埋在土壤中的腐蚀数据Tab.1 Corrosion data of single metal buried in soil

美国国家接地研究计划的试验材料包括了镀锌钢和电镀铜材料。5个试验场地中的4个分别在试验9年、11年、12年进行了开挖。结果表明，镀锌钢出现了中等到严重的腐蚀，电镀铜导体只有轻微的腐蚀。

波兰华沙技术大学材料科学工程系实验室的研究表明，在相同腐蚀环境及波兰土壤条件下，腐蚀速率是均匀的，并且和暴露的时间成比例。热镀锌棒的平均腐蚀速率为1.1 mm/a，电镀铜棒的腐蚀速度是它的1/25。

另外，文献[13]给出了国外某些在接地装置中可能出现的金属埋在数十种土壤中进行腐蚀评估试验的平均结果，见表2。从表2中可见，从平均腐蚀率来看，钢铁和锌的腐蚀速度最快，铜和铅的腐蚀速度要慢很多，仅约为钢铁和锌的1/8；从点蚀速度来看，钢铁的最大点蚀速度达到了1.4 mm/a，而铜的最大点蚀速度不到0.2 mm/a，为钢铁的1/7。

表2 金属材料在土壤中的腐蚀速率Tab.2 Corrosion rate of metal materials in soil

2.3 国内研究成果

在金属材料的土壤腐蚀方面，国内尚无针对上述几种金属材料的全面试验比较，但也做了大量的相关研究。

中国科学院金属腐蚀与防护研究所用原位测试方法对碳钢、不锈钢、H62黄铜及金属铝在土壤中的腐蚀进行了研究[14-15]，认为1年内，铝、碳钢、不锈钢、H62黄铜的平均腐蚀率之比为1：22：0.5：4。该所还研究了1Cr13、1Cr18Ni9Ti两种不锈钢在酸性、中性及碱性土壤中经过1年、3年、5年3个试验周期后的腐蚀特征[16]，结果表明，1Cr18Ni9Ti耐蚀性优于1Cr13，2种不锈钢在酸性及中性土壤中腐蚀轻微，在高盐碱性土壤中腐蚀严重，以点蚀为主。

电信科学技术第五研究所采用自然埋藏的研究方法，对线缆金属材料铜、铝、铅在我国各种土壤中的腐蚀进行研究[17-18]，结果表明：铜、铝、铅平均腐蚀率随时间变化规律基本遵循方程式V=AtB（式中：V为腐蚀速率，g/dm2·a；A、B为常数；t为时间，a）；铜在内陆盐土，铝在碱性土壤，铅在酸性土及潮湿草甸土、紫色土中呈局部斑点腐蚀；局部腐蚀产物不具保护性。

北京科技大学利用汽车镀锌板，研究了完整镀锌板、基板和镀锌层不同程度破损试样在泥浆和NaC1水溶液中的腐蚀规律[19]。结果表明：完整镀锌层的腐蚀速率高于基板；镀锌层破损试样的腐蚀失重随镀锌层破损面积的增加而增大。

2.4 综合讨论

依据美国海军的试验结果，该实验室的专家认为，只有电镀铜厚度为0.25 mm的钢棒以及不锈钢棒的抗腐蚀速度可以被接受[6]。另外，从8～13年在43种不同土壤中铜试品的测试结果中的41种计算得到30年的平均点蚀深度为0.17 mm，因此一些国际标准都将电镀铜钢棒的铜镀层的要求确定为至少0.25 mm，包括英国BS7430和美国的UL467[3-4]。

但是值得注意的是，在文献[20]中提到，在透气性较差的土壤中，不锈钢的耐腐蚀性会减弱，而且不同材质的不锈钢具有不同的耐腐蚀性，因此该文献建议将不锈钢接地从有关标准中移除。

以上大量实验数据表明：

（1）铜、不锈钢的耐腐蚀性远远好于镀锌钢，但是他们在特殊土壤中的腐蚀也是不能忽略的，而且不同材质不锈钢的耐腐蚀性不同。

（2）铜镀钢30年的平均腐蚀深度一般不大于0.17 mm。依据不锈钢包钢棒与其他金属材料的一些试验结果，可以认为不锈钢包钢也具有与铜镀钢类似的耐腐蚀性。

（3）锌材的腐蚀速率与镀锌钢的腐蚀速度相当，因此锌包钢从包覆层的腐蚀速度上来说没有明显优势，主要是利用其阴极保护能力牺牲自己来实现保护其他金属构件的目的。

（4）镀层破坏会减弱镀锌钢的抗腐蚀能力。

因此可以认为，在保证产品质量的前提下，铜、不锈钢、铜镀钢的耐腐蚀性要好于镀锌钢，锌包钢也能起到一定的阴极保护作用。虽然国内外开展了土壤中金属材料的腐蚀研究，但很多试验对应的环境条件并不明确。鉴于多种金属材料仍缺乏足够的土壤腐蚀试验数据，很难确定其在不同土壤中的腐蚀速率，因此建议多开展此类试验，积累数据，为工程中金属截面的选取提供参考。

3 金属截面积选择

对于接地材料截面积的选取，除了要考虑其耐腐蚀性能外，还要考虑其足够的通流能力。美国IEEE std.80—2000中推荐式（1）的简化计算公式：

式中：Akcmil为接地材料截面积，单位为kcmil，1 kcmil＝0.507 mm2；Ig为流过接地线的短路电流稳定值，A；te为短路的等效持续时间，s；Kf为接地导体材料的材料系数，可从表3中取值[21]，不同材料的Kf是根据材料最高容许温度取值的（周围环境温度取40℃时）。该标准还提出，当采用硬拉铜线时，由于机械强度的原因，应谨防导体温度超过250℃，以防止导体淬火，韧性降低。据此标准，按照250℃计算，硬铜导体的最小截面积分别要在原热稳定计算的截面基础上，扩大1.67倍。

表3 部分金属的材料系数Tab.3 Material coefficients of some metals

我国电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》推荐式（2）的简化公式：

式（2）与式（1）类似，不同之处在于：Ag的单位为mm2；c为热稳定系数，该标准中只对钢、铝、铜的热稳定系数给出推荐值，钢、铜的热稳定系数分别取值70和210，而对于表3中所列其他金属，没有给出推荐值[22]。该标准还规定了按机械强度要求的接地钢导体的最小尺寸，其中圆钢的最小直径为8 mm或10 mm，这里取保守值10 mm，因此铜镀钢、不锈钢、不锈钢包钢、锌包钢接地棒按机械强度要求的最小直径为10 mm，即实际使用的最小截面积为78.54 mm2。

假设短路时间为0.5 s，入地故障电流Ig为10 kA，按IEEE标准、我国电力行业标准计算，再考虑机械强度要求得到不同接地线的截面和半径如表4所示。表4中，铜、铜镀钢、不锈钢、不锈钢包钢均认为没有腐蚀，只需进行热稳定条件校核，故其截面积比考虑腐蚀的镀锌钢要小的多；表4中镀锌钢接地体截面选择包含4种情况：不考虑腐蚀、轻度腐蚀（0.05 mm/a）、强腐蚀（0.1 mm/a）、严重腐蚀（0.2 mm/a），同时考虑50年的腐蚀量，以及1.2的不均匀腐蚀程度。对于锌包钢（包覆层厚3 mm），由于其耐腐蚀性没有准确的数据，而且其部分防腐性能体现在作为牺牲阳极上，所以这里没有对其截面选择作计算。

表4 不同金属接地线的截面选择Tab.4 Cross-section selection of grounding wires of different metals

由表4可见，2种标准计算的钢接地线的尺寸相差很小，对于铜接地线的尺寸，IEEE标准更显保守一些。考虑腐蚀后各种接地材料的金属截面积选择差异很大，采用纯铜、铜镀钢、不锈钢、不锈钢包钢的截面积远远小于镀锌钢和锌包钢，尤其是镀锌钢在腐蚀较为严重时截面会大大增加。

4 不同金属接地材料的技术经济比较

由于IEEE标准全面给出了各种金属的热稳定系数，因此下面的分析中选择IEEE标准进行不同金属的技术经济比较。

在考虑了材料的耐腐蚀特性、保证材料足够的通流能力后，最终材料的选取还要看其综合的技术经济比较结果，包括材料用量、价格、施工难度、维护成本等。这里主要针对铜、铜镀钢、不锈钢、锌包钢4种耐蚀性金属，与镀锌钢进行比较。各金属材料的价格见表5，调查于2009年12月中旬，铜包钢依据的是部分市场调查，其余金属参考全国市场的报价。由于锌包钢是新出现的产品，其市面价格尚不稳定，因此在表5中以及后面的技术经济比较中并未列出。

表5 各金属材料的价格Tab.5 Prices of different metals

考虑不同腐蚀情况下50年的耐用年限，同时根据机械强度要求，根据不同短路电流情况（其幅值分别取值10、15、20、30、50 kA，持续时间分别取值0.25、0.5、1、2、3 s）计算各耐蚀金属与镀锌钢的材料费用比，再进行汇总后如表6所示。其中，铜的材料费用按照软铜考虑，如果是硬拉铜，则费用需乘1.67倍。可见，随着土壤腐蚀性的增强，使用铜、铜镀钢、不锈钢会显现出更好的经济性；在产品质量有保证的前提下，相对纯铜而言，使用铜镀钢、不锈钢大大节约了材料费用。

表6 考虑不同腐蚀情况下的材料费用比Tab.6 Material cost ratio under different corrosion degrees

值得注意的是，表6的计算是理想的情况，即不考虑不锈钢和铜的腐蚀等附加因素[22]。在实际应用中考虑到上述问题，采取的截面会略大，其材料费用也会增加。

对铜、铜镀钢、不锈钢构成的接地网的性能综合总结如表7所示。从表7中可以看出，由于这3种金属的价格要高于钢材的价格，在一般情况下，一次性投资比建设钢接地网时大；但这3种金属的接地网一般不需要改造，省去了大量的人力、物力和财力进行大规模开挖检查。因此，总体来说，耐蚀性金属接地网虽然一次性投资大，但是省去了接地网改造的费用，更重要的是它使得系统更加可靠，更加稳定，消除了产生事故的隐患[24]。

表7 几种金属构成的接地系统综合比较Tab.7 Comprehensive comparison of grounding systems of different metals

5 结论

铜、铜镀钢、锌包钢、不锈钢等是可以选择的潜在耐蚀性金属接地材料。调研数据表明，铜、镀铜材料、不锈钢材料的防腐性能比镀锌钢好得多，锌包钢能起到牺牲自己来实现保护其他金属构件的防腐效果。可认为，铜、性能较高的不锈钢、镀层厚度0.25 mm以上的铜镀钢、厚度足够且包覆较好的锌包钢都能维持远超过镀锌钢的使用寿命。在强腐蚀土壤中采用耐蚀性金属导体，比采用钢导体的费用低。从长远效益看，采用耐腐蚀性金属材料减少了接地网的腐蚀，减少了维护费用，提高了运行的安全性和可靠性。对于耐蚀性金属，我国基本没有相关标准可依据，其使用也存在着一些盲目性和争议，生产工艺水平也有待提高，应该多开展这方面的研究和试验，编制国家标准，将耐蚀性金属纳入接地材料中，使发变电站接地系统工程的实际施工更具可操作性和规范性。由于目前的施工工艺下，深长垂直接地极通常仍然使用钢材，其与以上耐蚀性金属的连接和防腐也是需要深入研究的课题。

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