不同腐蚀性下电力接地材料的选择

李 博，陈国龙，卢 毅，高 靖，吕忠华

（1.营口职业技术学院，辽宁 营口 115000；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；3.国网营口供电公司，辽宁 营口 115000）

不同腐蚀性下电力接地材料的选择

李 博1，陈国龙2，卢 毅3，高 靖2，吕忠华2

（1.营口职业技术学院，辽宁 营口 115000；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；3.国网营口供电公司，辽宁 营口 115000）

为合理经济地选择电力系统接地材料，必须研究土壤、地下水对不同种类金属的腐蚀性。文中系统地分析前人的研究成果，明晰不同酸碱性下金属材料选择规律。依据国家已有的规范，按照地勘报告提供的土壤、地下水的pH值、盐化物离子浓度等参数，判断出接地网所处位置的腐蚀性，合理选择接地材料，提高了工程设计过程中接地材料选择的可靠性、经济性。

金属腐蚀；接地网；土壤

1 接地材料选择概述

接地装置在电力系统中具有重要的保护作用，当系统发生短路、遭受雷击时，通过接地网提供电流安全泄漏通道，能够将短路、雷击电流及时导入大地，使事故处的过电压控制在规程允许范围内，确保人身安全、设备正常运行。

电力系统接地装置主要指变电站、输电杆塔敷设在地面0.8 m及以下的接地网及设备引上线，接地网分为以水平接地带为主的水平地网和垂直接地极为主的垂直地网，以及二者联合使用的复合接地网。

电力系统的接地网常规采用金属材料，主要用钢和铜。由于敷设于地下土壤中，因此会受到腐蚀，必须考虑所使用金属接地材料的正常使用寿命周期。不同的金属材料在同一种环境下受腐蚀的影响程度不一样，同一种金属材料不同截面尺寸使用寿命周期也不一样，钢的造价要远低于铜。选择接地材料时，要根据使用环境对不同金属的腐蚀性加以选择，以达到尽量选择造价低的材料，减少接地材料使用量，延长地网使用寿命的目的。

2 金属受腐蚀的相关研究

金属埋于土壤中，土壤中发生的化学腐蚀非常复杂，土壤是由气、液、固3种成分组成的复杂体系，土壤的含气量、含水量、盐分等因素都对土壤的腐蚀性有影响，影响因素互相交叉作用，随着时间的变化，这些因素相互之间的作用也发生变化。

金属在土壤介质中主要受到电化学腐蚀，盐类水解后形成电解质溶液，金属在电解质溶液中发生原电池反应而导致腐蚀，土壤中含有Cl－、、、O2等，都会对金属材料造成腐蚀，土壤中的铁会与、O2反应生成Fe2O3、FeSO4，铜会与Cl－、、O2反应生成CuCl2、Cu2O、CuSO4，并且多种生成物成分并存。土壤中地下水含水层，对金属的腐蚀性与地下水的pH值，Cl－、浓度密切相关，尤其在土壤与地下水位交界的位置，腐蚀更加严重。

聂新辉等测试不同水土比制成的土壤溶液［1］，结果表明按1∶1制成的土壤溶液最能保持土壤特性，酸性土壤中，铜质接地材料的耐腐蚀性不如钢。郑敏聪等指出酸性土壤中铜的耐腐蚀性几乎降低至与钢材相当的水平［2］。杨明等研究指出碱性土壤对镀锌层呈高腐蚀性［3］，对钢不具有保护性，在碱性土壤中，铜的耐腐蚀性明显好于镀锌钢。龚晓明等研究表明土壤配置液对钢、铜两种金属的腐蚀性与pH值之间有直接关系［4］，弱酸土壤配置液对铜、钢2种材料的腐蚀性明显强于弱碱土壤配置液。

前人的研究成果表明，无论是酸性还是碱性土壤都对铜、钢有腐蚀性，在酸性土壤中铜的耐腐蚀性不如铁，在碱性土壤中铜的耐腐蚀性明显好于钢。钢接地体接头和本身腐蚀过程会出现点腐蚀，点腐蚀的速度是均匀腐蚀速度的4～60倍［5］，铜不存在点蚀。

采用传统接地材料（如角钢、扁钢），单位材料的价格便宜，使用年限短，维护和改造频繁。铜材料价格较高，使用年限长。因此，在设计中应综合比较选择材料，以获得最优的设计方案［6］。

3 工程设计面临的问题

3.1 规范支撑问题

土壤的腐蚀性与气、液、固态腐蚀介质的浓度有直接关系，接地网埋于地下，因此必须考虑固态（土壤）介质、液态（地下水）介质对金属的腐蚀。目前在工程设计阶段，土壤对金属的腐蚀性判断，有《水利水电工程地质勘察规范》［7］、《岩土工程勘察规范》［8］相关条款可供执行。《岩土工程勘察规范》规定腐蚀性分为强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀、微腐蚀4个等级。2种规范中前一种明确了地下对钢材腐蚀性判断标准，后一种明确了土壤对钢结构的腐蚀性判断标准。如何按照Cl－、离子浓度含量、pH值判断土壤、地下水对钢材的腐蚀性，2种规范给出了部分pH值范围内对钢的腐蚀性，不足之处在于：侧重于酸性条件下土壤、水对钢材的腐蚀性判断，对碱性条件腐蚀性论述不足或无论述；都缺少土壤、水对铜的腐蚀性判断标准。国内目前缺少土壤、水对铜腐蚀性的相关规程，判定对铜腐蚀性只能参考前人相关研究成果。

3.2 地勘报告问题

电力工程设计过程中，初步设计阶段，需要明确接地材料选择。目前判定土壤对金属的腐蚀性可依据的地质支撑文件来源于岩土工程勘察报告（简称地勘报告）。事实上，绝大多数的地勘报告侧重于结构基础设计的需要，主要提供工程力学方面的数据，涉及到土壤腐蚀性的数据不全面。存在以下问题：普遍没有分层土壤的腐蚀性数据；简单地将勘察深度无地下水认定为土壤对钢无腐蚀；有地下水，仅给出地下水对金属的腐蚀性；有的报告提供Cl－、离子浓度，有的不提供；地勘报告论述的腐蚀性更多的是基于对钢材的腐蚀性，普遍缺少土壤对铜的腐蚀性数据。

4 接地材料选择方法步骤

4.1 材料选择原则

选择接地网材料的，首先要借助规范中土壤、地下水腐蚀性评价标准。评价土壤对钢的腐蚀性时，按《岩土工程勘察规范》中“表12.2.5”规定执行，如表1所示。

表1 土对钢结构腐蚀性评价

评价地下水对钢材的腐蚀性时，按《水利水电工程地质勘察规范》中“表L.0.4”规定执行，如表2所示。

表2 地下水对钢结构腐蚀性评价

确定腐蚀性时，如果整个地网处于地下水位以上时，应按土的腐蚀性选择；如果地网处于地下水位以下时，应按地下水的腐蚀性选择；如果地网部分处于水位以上，部分处于水位以下，应分别考虑地下水、土的腐蚀性，按两者之间最严重的腐蚀性进行选择。

4.2 材料选择方法

4.2.1 对地勘报告的要求

各设计单位在自己或委托做岩土勘测时，地勘报告中需要增加地网埋置层土壤的pH值，地下水的pH值、离子浓度等数据。

4.2.2 腐蚀性等级判断

目前岩土工程地勘钻探范围包括从地面开始往下的4个土层，深度根据需要确定。电力系统变电站一般采用水平接地网为主、垂直接地网为辅的复合接地网，埋于0.8 m深，接地极长2.5 m。首先判断地面下接地极埋深处（地面下3.3 m左右）有无地下水，如果整个接地网所处区域含水量小于3%，则可以认为是干燥土层，可认为是微腐蚀性。接地网在地下水以下，在地下水以上，部分在地下水以上、部分在地下水下可相应的依据pH值、离子含量，参照4.1判断出土壤、地下水对钢的腐蚀性等级。

4.2.3 材料选择过程

通过对前人研究成果的总结，结合《水利水电工程地质勘察规范》、《岩土工程勘察规范》，在接地材料选择过程中建议按照以下几个主要原则。

接地网位于地下水位以上时，按照土壤腐蚀性考虑，当pH≈7时，微腐蚀性可按无腐蚀性考虑，选择铜、钢做接地材料皆可，从节省造价和材料使用年限角度考虑，户外变电站建议选择钢，全户内变电站建议选择铜；当土壤呈酸性，5.5＜pH＜7时，对钢材为微腐蚀性，4.5＜pH＜5.5时，对钢材为弱腐蚀性，此时可以建议接地材料考虑采用钢，当pH＜4.5时，对钢材为中、强腐蚀性，建议在接地材料选择钢的同时，考虑采用埋置阴极金属补偿等措施降低接地网材料的腐蚀；pH＞7时，土壤呈碱性，建议选择铜作为接地材料。

接地网位于地下水位以下时，按照地下水腐蚀性考虑，地下水pH为3～11、（Cl－＋）浓度＜500 mg／L，对钢材为弱腐蚀性，建议选择钢；当3＜pH＜7、（Cl－＋）浓度≥500 mg／L时，对钢材为中腐蚀性，建议接地材料采用钢，当7＜pH＜11时，建议接地材料采用铜，考虑采用埋置阴极金属补偿等措施降低接地网材料的腐蚀；当地下水pH＜3时，建议采用钢，并考虑采用埋置阴极金属补偿等措施降低接地网材料的腐蚀。

接地网部分位于地下水位以上、部分位于地下水位以下时，分别按照土壤、地下水判断出对钢的腐蚀性，并取最严重作为整体的腐蚀性，参照上述2方面论述过程选择接地材料。

5 结束语

土壤、地下水对接地网的腐蚀是非常复杂的，腐蚀成因难以尽述。进行工程设计时更要加强土壤、地下水对金属腐蚀方面的考察工作。金属钢的选择可以参考规范的要求，金属铜的选择更多是根据前人的实践成果。因此要认真掌握规范对腐蚀性的认定标准，加强地勘报告中关于土壤、地下水腐蚀性的深度要求。在具体选择接地材料时，大致遵照土壤、地下水pH值呈中性情况下，即腐蚀性评价为微腐蚀时，选择铜、钢做接地材料皆可；偏酸性土壤，倾向于选择钢；偏碱性土壤，倾向于选择铜。

［1］ 聂新辉，郑敏聪，李建华.铜质接地网材料电化学腐蚀行为［J］.腐蚀与防护，2012，33（9）：7－21.

［2］ 郑敏聪，陈自年，李建华.大型变电站接地装置腐蚀规律及防腐［J］.华东电力，2009，37（9）：1 463－1 467.

［3］ 杨 明，程 好.盐碱环境中变电站接地体材料的腐蚀行为研究［J］.江苏电机工程，2013，32（6）：130－150.

［4］ 龚晓明，葛红花，刘 蕊，等.碳钢和纯铜在试验土壤中的腐蚀研究［J］.上海电力学院报，2009，25（6）：125－129.

［5］ 王东烨，王 勇，谭立佐.镀铜接地网与钢、铜接地网技术经济比较［J］.东北电力技术，2011，32（1）：18－20.

［6］ 张春华，王雪梅.220 kV变电站接地系统设计［J］.东北电力技术，2010，31（5）：38－40.

［7］ 岩土工程勘察规范：GB50021—2001［S］.

［8］ 水利水电工程地质勘察规范：GB 50487—2008［S］.

Choice of Earth Material under Different Corrosive Conditions

LI Bo1，CHEN Guo⁃long2，LU Yi3，GAO Jing2，LÜ Zhong⁃hua2
（1.Yingkou Vocational and Technical College，Yingkou，Liaoning 115000，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；3.State Grid Yingkou Power Supply Company，Yingkou，Liaoning 115000，China）

In order to realize the reasonable and economical choice of earth materials in electric power system，this paper researches the corrosion of different metals.The research results analyses the selection rules of metal materials under different acid and alkaline conditions.On the basis of the existing national standard，the earth grid in the position of the corrosion grade are judged by the geolog⁃ical exploration report，groundwater pH and salt ion concentration parameter.According to the reasonable choice of earth material，the reliability and economy of earth material selection in engineering design process are improved.

Metallic corrosion；Earth⁃electrode network；Soil

TM862

A

1004－7913（2016）01－0044－03

李 博（1977—），女，硕士，副教授，主要从事计算机及供配电研究工作。

2015－10－10）