电力工程接地网设计选型分析

苏兴锋

【摘 要】随着用电量不断增加，电力工程也成为人们关注的重要方面。但是从电力工程现状来看，依然存在各种技术问题影响正常供电，给人们工作、生活造成一定影响。本文结合某电厂的现场实际情况，分析了土壤腐蚀的机理及防止接地网腐蚀的各种措施，并对增加金属厚度和牺牲阳极的阴极保护两种防止腐蚀的方法进行了技术经济选型分析。

【关键词】接地网 牺牲阳极 阴极保护

1 概述

电力工程接地网是用于工作接地、防雷接地、保护接地的重要设施，是确保人身、设备、系统安全的重要环节。当事故出现时，如接地网有缺陷，短路电流无法在土壤中充分扩散，导致接地网电位升高，使接地的设备金属外壳带高电压而危及人身安全和击穿二次保护装置绝缘，甚至破坏设备，扩大事故，破坏系统稳定。实际应用中，铁质接地网腐蚀严重，导致接地线截面减小、热稳定性不够、接地电阻增大。因而必须采取一定的措施防止接地网的腐蚀。

2 腐蚀机理

腐蚀是指金属与环境间的物理—化学的相互作用，由此造成金属性能的改变，导致金属、环境或由其构成的一部分技术体系功能的损坏。以腐蚀的机理来划分，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指金属和非电解质直接发生纯化学作用而引起的金属损耗。电化学腐蚀是指金属和电解质发生电化学作用而引起的金属损耗。在电化学腐蚀过程中，同时存在着两个相互独立的反应过程，阳极反应和阴极反应，并有电流产生，如钢铁在水溶液中的腐蚀。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象。

2.1 土壤腐蚀机理

从外观上看，金属的材质是均一的，但是，当它浸入电解质中时，由于不同材料或金属材料本身组织结构及表面物理状态的不均匀性，在金属表面上形成许多宏观的或微观的阳极区和阴极区，阴、阳极之间通过介质产生微电流。电子从阳极区向阴极区移动，阳极区金属失去电子，一部分金属就会成为离子溶于电解质中，使得阳极区金属受到腐蚀。根据这一机理，以钢为例，铁离子在电解质中的流动形成电流，电流的方向与电子移动的方向相反，进而铁离子与水中的氢氧根离子OH-反应生成氢氧化亚铁Fe（OH）2，而后又变成沉积在钢表面的氢氧化铁Fe（OH）3，形成锈层。

2.2 影响土壤腐蚀性的因素

由于土壤是由固、气、液三相构成的不均一多相体系，较之水介质的腐蚀要复杂，因此任何能够影响土壤理化性能的因素都能左右土壤的腐蚀性。土壤的腐蚀性是由其物理、化学特性所决定的。影响土壤腐蚀性的因素很多，包括土壤的电阻率、pH值、氧化还原电位、含水量、含盐量及盐的种类、土壤温度、土壤质地，透气性等。由于土壤电阻率直接受到土壤质地、松紧度、含水量、含盐量、有机质等性质的影响，是土壤导电能力的综合表征。因此在实际中常常用土壤电阻率作为土壤腐蚀性的评价指标。

3 防止接地装置腐蚀的措施

3.1 增加金属厚度

目前国内的接地装置设计中，一般都采用镀锌和加大接地导体的截面及厚度来延长接地导体的使用寿命。

（1）涂覆层是防止地下金属结构腐蚀最为常用的手段之一。但并不能完全有效地解决金属的腐蚀问题。这是因为涂层，总是不可避免地存在漏涂、针孔、破损等可能，腐蚀将会集中在这样一些微小区域，导致金属腐蚀穿孔。此外，涂层具有老化问题，难以保证在发电厂寿命期内一直起到保护作用。金属涂覆层有良好的电导性，可用作钢接地网的防护层，镀锌层最为常用的，它不但起隔离层作用，而且起牺牲阳极保护作用。但镀锌层在强腐蚀性土壤中很快就会因腐蚀而消耗掉，寿命极短，尤其是当镀锌层较薄或存在缺陷时更是如此。因此，在强腐蚀性土壤介质中，钢接地网仅靠镀锌层来保护是远远不够的，很难获得长期有效的保护效果。（2）加大导体截面不但增加了钢材的消耗量，增加了工程投资，而且给接地体的焊接和弯、折等施工带来了很大的困难。

3.2 采用铜接地网

采用裸铜绞线作为接地材料，是一种抗腐蚀的方法。由于铜材料价格高，几乎是钢材的两倍。另一方面电厂内许多设备的外壳，构架和埋管都是选用钢材，特别是循环水管采用钢管时更应要慎重考虑，铜本身会加速腐蚀与其接触或在邻近的其他金属如钢材、钢管等，对钢质循环水管的防腐蚀带来了困难。

3.3 阴极保护

（1）阴极保护原理；阴极保护是对被保护金属结构通以阴极电流，使之阴极极化，从而消除电化学腐蚀的一种方法。如上所述，在电解质中金属的腐蚀是由电化学反应引起的，因此，如能阻止这一电化学反应就可以抑制金属的电化学腐蚀。在电解质中对被保护金属进行阴极极化，当阴极电流通过钢表面时，大部分电流优先流到阴极区，从而降低了原有的电位，使之阴极极化。随着电流的增大，钢表面阴极区的负极化也增大，当极化到阴极区和阳极区的电位差为零时，腐蚀电流消失，因而抑制了腐蚀过程，达到了保护的目的。（2）阴极保护的种类及特点；所谓阴极保护就是向被保护金属通以一定的直流电，使被保护金属变成阴极而得到保护。根据所提供电流方法的不同，阴极保护分为外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法是用外加可调直流电源供电，电源的正极接辅助阳极，负极接被保护的金属。其优点在于输出杂散电流保护管道，保护范围大，不受环境电阻率影响，保护装置寿命长；缺点在于需要外部电源，对邻近金属构筑物干扰大，维护管理工作量大。牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。其优点在于不需要外加电源，对邻近构筑物无干扰或很小，投产调试后可不需管理，保护电流分布均匀、利用率高；缺点在于高电阻率环境不宜使用，保护电流几乎不可调，覆盖层质量必须好，消耗有色金属。

4 阴极保护及增加金属厚度的比较

某电厂土壤平均电阻率25Ω？m，PH值为6.3，土壤腐蚀性属于中等偏强，不考虑采用铜接地网。因为采用铜接地网投资比采用阴极保护高30%左右，而且铜本身可能加速腐蚀与其接触或在邻近的其他金属，如钢材、钢管等。对增加金属厚度和采用牺牲阳极阴极保护两种方式进行比较。

4.1 增加金属厚度

根据《水电工程设计手册》中的腐蚀速度估计式和接地线和接地土壤电阻率与腐蚀性的关系表，当土壤电阻率为25Ω？m时，腐蚀率按0.244mm/a考虑，使用寿命按30年考虑。设计电厂的计算结果为500kV系统采用70×11热镀锌扁钢和角钢∠63×63×10。

4.2 牺牲阳极阴极保护

因为牺牲阳极阴极保护适合于保护钢接地系统，用铜材做接地系统时，应对工程的地下金属结构物实施统一的阴极保护措施，此时推荐用外加电流法。且牺牲阳极法虽然一次性投资较大，但是运行维护工作量小。外加电流法一次性投资较小，但运行维护工作量较大，运行时需要用电，后期投入较大。所以，本工程如采用阴极保护，推荐采用牺牲阳极法。土壤电阻率为25Ω？m，所以宜采用MUG-2镁牺牲阳极。阳极规格尺寸为700×（100+110） ×105mm。阳极与接地网相同深度，与接地网平行，水平埋设。设计使用年限按25年考虑（自然腐蚀5年）。保护电流密度i = 18 mA。单只阳极发生电流可按下式计算：

式中： If 为单只阳极发生电流量；ΔE为阳极驱动电压0.65V；R为阳极接地电阻。

阳极接地电阻R可按下式计算：

式中：L为阳极长度，0.7 m；D为填料层直径0.25 m；d为阳极等效直径0.134 m；ρ为土壤电阻率25 Ω？m；ρ1为填料电阻率1.0 Ω？m；t为从地面至阳极中心的埋深0.8m。经计算：R =5.235Ω，If = 0.124 A。地网保护电流如下：

全厂埋地接地网，水平接地体材料为热镀锌扁钢，规格为50×6mm（考虑5年的自然腐蚀），垂直接地体为热镀锌角钢∠40×40×5mm。

所需阳极数量

式中，N为所需阳极数量；f为备用系数，取2～3倍；I为所需保护电流；If为单支阳极输出电流。

经计算：1020

取N=1100。

阳极工作寿命

式中。T为阳极工作寿命（a）；W为阳极净质量15400kg；ω为阳极消耗率[kg/（A？a）]，镁阳极7.96kg/（A？a）；I为阳极平均输出电流63.36A。

经计算，T=25.95>25（a）

满足要求。

5 结语

该发电厂接地装置在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀，增加金属厚度和牺牲阳极阴极保护均能够有效的防止其腐蚀。牺牲阳极方案水平接地体采用50×6的热镀锌扁钢，垂直接地体采用∠40×40×5热镀锌角钢，增加金属厚度方案水平接地体采用70×11热镀锌扁钢，垂直接地体采用∠63×63×10热镀锌角钢。虽然增加金属厚度投资费用少，但由于接地材料截面的增加给施工带来了一定的困难。综合考虑，该工程的接地网采用牺牲阳极阴极保护的方案更好。

参考文献：

[1] 田浩，吴芳芳，王吉庆.控制接地网阴极保护电位的效果及评价[J].浙江电力，2009（1）.

[2] 张晓龙.阴极保护在接地网防腐蚀中的应用[J].科协论坛（下半月），2009，（3）.