阴极电极保护在变电站防雷接地中的作用

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年21期

（国网四川省电力公司乐山供电公司，四川乐山 614000）

目前，在变电站防雷接地中，最常见的技术就是接地网，但电力系统在快速发展的过程中，也得到了很大的进步，同时在防雷接地网的安全维护中也遇到了巨大的挑战，金属在地下经常被腐蚀，使得整个变电站系统的保护功能以失败而告终。为了能更好的利用防雷接地网，前提就是解决这一挑战问题，在经过工作人员研究之后，发现了阴极电极保护技术，该技术不仅投资小，而且效果也非常好，操作起来还方便敏捷，并且无论实在国内的变电站防雷接地中还是国外的变电站防雷接地中，都得到了普及。

一、分析变电站的防雷接地技术

1 变电站的防雷接地技术

在变电站的防雷接地技术中，根据作用方式的不同将其分为两种，第一种是通过特定的防雷防护装置而将雷引入到接地网中来完成变电站防雷接地的保护工作；第二种是预防雷电的侵入，但在本文中，研究和分析的是第一种，通过特定的防雷防护装置而将雷引入到接地网中。这里所使用的防雷防护装置是接闪器，它可以对电流执行拦截和导引的作用，具体的装置就是避雷线和避雷针。在一些小型的变电站中，只需要使用避雷针就可以达到防雷的效果了，但是在一些大型的变电站中，不仅要在架构上安装一些避雷线或者是避雷针，还要严格设置引流线的参数，这样才能完成变电站的防雷工作。而接地线是连接在屏蔽设施和被保护对象之间的引线，在变电站工作时期电阻要在1Ω以下，它主要有主接地线、分接地线以及等电位连接板三种接地线。

2 变电站防雷接地中的防腐蚀方法

根据上述的论述可知，在变电站的防雷接地中，面对的最大挑战就是腐蚀问题。首先，从材料的角度出发，如果将原来的材料碳钢替换成钢，则会减少材料的腐蚀度，但由于钢的价格非常昂贵，使得变电站防雷接地中的防腐蚀技术再次失败。其次，如果在接地网的材料表面涂上一层抗腐蚀的材料，就会减少腐蚀，但是这种方法需要耗费大量的时间和金钱。最后的一种防腐蚀技术则是本文论述的重点，利用阴极电极保护技术，该技术不仅投资小，而且操作起来也非常简单，下文就对该技术进行探讨和分析。

二、分析阴极电极保护技术

1 原理

对于阴极电极保护技术的原理，是对被保护的金属不断的补充电子，避免在金属原子失去电子之后溶入到溶液里，并出现负电位的现象，而在变电站防雷接地中，是利用阴极电极保护技术对接地网进行不断地补充电子，进而形成一个大型的阴极，这个过程就称为阴极电极保护。对不同阴极的保护根据实现的方法不同而分成了两种，分别是外加电流法和牺牲阳极法。

图1

图2

所谓外加电流法，是在阴极保护的同时将电源的负极和被保护的对象相连接，使得其电位比周围环境的电位低，进而形成阴极，最后达到一个避免被保护的金属被腐蚀的目的。但这种阴极电极保护的方法主要用在土壤的电阻率很高的环境，或者是大型的变电站中。具体的外加电流阴极电极保护的原理图如图1所示。

所谓牺牲阳极保护法，它是与电位比被保护金属更低的金属相连，然后将电子通过转移的方式转到被保护金属上，形成牺牲阳极的阴极保护，在实际的应用中，主要用到的阳极金属主要是镁以及镁合金阳极，和锌合金阳极。这种方法相对上一种方法来说比较方便，并且还不需要外界的电源，在运行时也不会有干扰的现象产生，但这种方法还有一个缺点，使用寿命相对较短，只有3到5年的时间，并且有时还会在阳极表面有一层硬壳产生，该硬壳不仅不导电，还会对电子的输出产生阻碍作用，进而会导致整个保护以失败告终。

导致保护失败的主要原因有以下两种，一是阳极所在地区的土壤电阻率较高；二是阳极的金属不满足所规定的要求。所以，牺牲阳极保护法只适用于变电站的规模较小的情况或者是周围土壤的电阻率比100欧姆小的环境。具体的牺牲阳极保护法的原理图如图2所示。

2 分析两种阴极电极保护技术在使用中所要注意的方面

在现实的防护中，无论是外加电流保护法还是牺牲阳极保护法都需要特别注意的地方，进而才能让整个的保护效果更完美。

在采用牺牲阳极保护法时，首先要测定该环境周围的土壤电阻率以及在不同时间内的变化范围，其次就要根据测出的电阻率来选择作为牺牲阳极的金属材料。下表是镁和锌阳极的性能表，可以通过下表来选择阳极金属的材料，但如果所测出土壤的电阻率大于100欧姆时，建议不选择这种保护方法。

表1

通过上表选完阳极的金属之后，就到计算整体保护的面积以及阴极总电流的时候，而这些计算的依据是根据变电站防雷接地网中的碳钢结构以及外形的尺寸。但对于计算总电流，则还可以根据土壤腐蚀性所规定的最小电流计算。而阴极保护的电位可以根据接地网的自然腐蚀电位而决定，将其左移250MV～300MV或者可以直接规定为-850MV，对于电位的选择，只要能将电流密度保证到最小，则就可以不用考虑电位了。在上述所有理论值计算完之后，就可以决定阳极的质量和个数等各种参数了，最后才是确定用阴极电极保护技术来保护整个变电站防雷接地系统的安全性和可靠性。

三、阴极电极保护在变电站防雷接地中的施工

1 施工需要注意的问题

首先，对于牺牲阳极的材料，在选择和设计时必须要符合国家规定的标准，而且还需要专业的工司或人员来完成。

其次，对于施工的方案和程序，不仅要满足国家规定的标准，还要符合专业的设计要求。

2 两种保护技术的优缺点分析

对于牺牲阳极保护法，优点是不需要外加电源就可以工作，并且干扰小，管理和维护都比较简单，运行时电流的分布也比较均匀，效率也高，整个工程队伍的投资和总体的保护长度成正比；其缺点是必须有高质量的覆盖层，保护的电流不能实现控制，而且还不适用于较高的土壤电阻率环境中，对于阳极的金属材料还必须要定期的更换才能完成。

对于外加电流保护法，对外界环境的电阻率无影响，所需要的覆盖物质量不用太高，对大型的变电站和工程量较大的环境都适合，输出的电流可以随意控制，并且使用的寿命还较长，不需要更换仍然可以继续再用。其缺点首先是需要外加电源才可以运行，对周围金属建筑物的干扰也会产生较大的影响，其次还需要定期的管理和维护。在实际的应用中，可以根据变电站防雷接地的具体情况来选择适当的保护技术。

四、阴极电极保护在变电站防雷接地中的应用实例

无论是国内还是国外，阴极电极保护在变电站防雷接地中的应用都受到了认可。例如，在浙江省台州市，110KV的海保变电站在2005年就将阴极电极保护技术应用到防雷接地中，在2007年，将第一批腐蚀试片挖出时，却未发现有明显腐蚀的地方。而在一些沿海地区，即使气候潮湿容易腐蚀，但阴极电极保护在变电站防雷接地中也受到了应用，例如1982年建立的内蒙古包头市的桥西变电站，在未引进阴极电极保护技术之前，需要经常维修，并且还要填补接地网附近的腐蚀坑，而2009年，该变电站采用了阴极电极保护技术，经过一年的使用之后，挖出测试片进行分析时，却发现测试片的腐蚀速度仅是未保护测试片的1/3，抗腐蚀的效果非常明显。