基于电化学在接地网接地改造中应用

方梦鸽，扈海泽，袁雪琼，赵　军 ，付　超，宋雅楠，敬亮兵，黄加锐

(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙　410000；2. 湖南省电力公司 娄底供电局，湖南 娄底　417000；3. 湖南省长沙信长电力科技有限公司,长沙　410000)

基于电化学在接地网接地改造中应用

方梦鸽1，扈海泽1，袁雪琼1，赵军1，付超1，宋雅楠1，敬亮兵2，黄加锐3

(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙410000；2. 湖南省电力公司 娄底供电局，湖南 娄底417000；3. 湖南省长沙信长电力科技有限公司,长沙410000)

摘要：通过某变电站接地网腐蚀严重这一现状分析其腐蚀原因，从电化学的角度分期其腐蚀原理，并针对电化学腐蚀原理提出利用电化学原理采用阳极保护法的原则，并提出在各种土壤环境下选取不同的阳极材质进行保护，并提出一般采用较组成变电站接地网扁钢更为活泼的金属与接地网连接，形成无源电路模型，利用牺牲阳极的方法来保护阴极的接地网，最后从电化学的角度得到非常实用的变电站接地网防腐蚀方案。

关键词：接地网；腐蚀；电化学；阳极保护法；无源电路

一般接地网都在变电站建设之前开挖铺设，变电站开始投运后要一直运行，时间可能长达几十年。随着经济发展越来越迅速，导致环境污染加重，进而导致雨水PH值越来越小。对于变电站接地网来说，雨水也会慢慢对接地网的接地体进行腐蚀，一旦接地网的接地体发生腐蚀，接地网的接地电阻将增大[1-3]。随着运行时间的增长，接地网接地电阻越来越大，对于变电站来说一旦发生雷击变电站或者变电站进线发生雷电绕击事故，高雷电流很难迅速地通过接地网泄入大地，将发生各种反击和触电事故，严重威胁变电站设备绝缘和变电站工作人员的人生安全，所以对于接地网的接地体腐蚀防护至关重要。

1变电站概述及接地网腐蚀现状

某变电站地处沿海地区，处于一座小山坡上，土壤含盐(主要是NaCl)量非高，常年受海风吹洗，海水会随着海风进入变电站土壤中，而且平均降雨量比较多，土壤的导电能力比较强。在调研中还发生部分杆塔的接地体露出地表，接地体已经腐蚀严重，说明此地变电站土壤的对于钢铁的腐蚀程度很大。

通过对接地网进行开挖，发现部分接地体扁钢腐蚀严重，有些甚至发生腐蚀断裂情况，基本上都不能满足接地网的要求。很多接地体需要重新铺设，还有很多接地体腐蚀稍微轻些，都需要进行防腐蚀的保护，不然很容易发生更严重的腐蚀。

2接地网腐蚀的原因分析

根据电力规范及一般经验，变电站接地网建设时一般采用扁钢或者镀铜扁钢，但是在使用过程中有可能会损坏，以至于镀层保护不再起作用。接地网深埋的环境错综复杂，一般含有各种无机物、有机物、酸、碱、盐、水等物质，同时这些物质中存在空隙，进而存在空气。这些错综复杂的环境形成一个电解环境，是一个天然的大地电解池[4]。在形成电解池的电路中有两种类别，一种是有源电解，一种是无源电解[5-6]。所谓的有源电解是外加电源给阴极和阳极组成的电路供电，强加电源就相当于强制电解质的阴阳极。而无源电解电路就相反，是电解质通过自然连接，并且阴阳极是根据电化学理论自然形成。腐蚀性因素分析如表1所示。

表1　腐蚀性因素分析

由于接地体一般为钢材质，主要成分为铁(Fe)和碳(C)，根据电化学理论，在形成电解电路时活泼金属为阳极，不活泼的为负极。中间由于土壤中存在盐和水等物质，可以形成天然的连接，基本形成的电解电路如图1所示。

图1　无源电解电路

由于组成电解电路，中间有盐和水等物质构成电离的离子通道，则在阴极和阳极都会发生电离反应，至于具体反应分为以下几种情况。

当接地体所处的环境为酸性土壤时：

Fe→Fe2++2e

(阳极)

2H+-2e→H2↑

(阴极)

当接地体所处的环境为中性或者为碱性土壤时：

Fe→Fe2++2e

(阳极)

O2+2H2O+4e→4OH-

(阴极)

3腐蚀产生的影响

接地体腐蚀导致直接的危害就是接地体的接地电阻变大，接地电阻的变大主要影响到雷电流入地时的泄流速度和接地网上的地电位。

假设人的脚用一半径为r的圆表示，设圆的半径为0.08 m，并设两脚之间的距离为L，土壤电阻率为ρ，那么两脚之间的接触电阻RO为：

(1)

经过计算得到：

(2)

当人员走在地面上时，从电路的角度来讲，人的两脚和土壤间的接触电阻以及人身体的电阻Rb是串联的[7]。跨步电压电路图如图2所示。

图2　跨步电压电路图

此时人体两脚间受到是这些电阻总共的电压降，这个电压降即为跨步电压Uk：

(3)

当人员站立在地面上，同时人的手接触到金属设备的外壳时人的电阻和土壤电阻时并联形式。接触电压电路图如图3所示。

图3　接触电压电路图

因此两脚之间的电压为两电阻并联后的电压，这个电压既是接触电压Uj：

(4)

一般根据电力设计经验，取值土壤电阻率为100 Ω·m，人体电阻Rb=1 500 Ω，则把数据代入上两个式子，得出：Uk=0.714Ek，Uj=0.909Ej。计算结果可知，跨步电压的大小达到了地电位的71.4%，由于接地电阻的过大，导致地电位较高，进而使得跨步电压很大。跨步电压很大不仅容易造成地电位对于变电站设备的反击[8]，而且当发生雷电流入侵变电站的事故时，对于工作于变电站的工作人员来说，会形成很大的跨步电压和接触电压，导致触电事故。

4防腐蚀的改造措施

在一般的接地腐蚀改造措施中，大家采用对接地网的接地扁钢铺设防腐剂，防腐剂的成分包含各种各样的化学成分。虽然现在市场上对于防腐剂的加工更加环保，但是由于其主要原理还是利用化学知识的相互反应而保护接地体，反应形成的生成物又是化学剂融合在土壤中，会对环境造成很大的污染。而且防腐剂有时候不适合一些土壤环境，并且防腐剂有效期短，对于重新铺设不方便，达不到长久有效期。

因为接地网的腐蚀主要是由于形成了电解电路，发生了电化学反应。因此，在改造措施的设计时优先以电化学的知识来设计保护，根据电化学的腐蚀机理，一般都是阳极腐蚀，所以只要把接地网的扁钢换成阴极，就会对接地网起到很好的保护作用。由于一般是活泼金属作为阳极，所以在接地网形成的电解电路中加入比Fe活泼的金属作为电解电路的阳极，如Zn、Mg、Al等相对于Fe的活泼金属，人为地控制电解电路的阴阳极，在这里采用无源法电解电路，因为可以自然形成电解电路，不需要外界提供电源，不仅能达到效果而且能达到节能的要求。

在设计阳极的材料选型时，必须首先利用四季法对接地网的土壤电阻率进行测量根据土壤电阻率的大小选择材料。

土壤电阻率的大小与采用阳极的材质选取关系如表2所示。

表2　土壤电阻率与材质选择

由表2可知，当变电站接地网的土壤电阻率在20 Ω·m及以内，则可以采用Zn及Zn的合金作为电解电路的阳极接地体(见图4)；当电阻率为20～100 Ω·m以内，则采用Mg及Mg的合金作为电解电路的阳极接地体(见图5)；当电阻率在100 Ω·m及以上的则采用Mg合金，如果特殊环境的则应该采用有源电路(见图6)，外接电源，认为的定性接地体的扁钢为阴极，起到保护阴极扁钢接地体的目的[2-4]。

图4　Zn作为阳极电路

图5　Mg作为阳极电路

图6　有源电路

选择电解电路阳极材质后，需要把电解阳极与接地网相连接，形成一个电解电路的回路通道，才能发生电解池反应。在设计阳极铺设职位选择时，考虑到如果电解电路的阳极腐蚀已经很严重的情况下，一般是几年或者十几年，需要及时更换电解阳极，进而对阴极的接地网进行完好的保护。所以，在铺设位置选择时必须选择在接地网不远处的空地，方便及时开挖进行更换。一般根据经验选择接地网的四个角进行铺设，并且用导线把四个阳极相互联系起来作为一个阳极，具体分布如图7所示。

图7　无源阳极铺设

5结语

通过分析变电站接地网腐蚀这一现象以及通过对相关知识的理解及应用，得到以下结论。

(1)由于土壤环境原因，变电站接地网很容易发生电化学腐蚀。

(2)电化学腐蚀主要是因为接地网的扁钢作为电解电路的阳极而发生氧化反应

(3)外加活泼金属能够强制接地网为阴极，活泼金属为阳极，以活泼金属的腐蚀为代价而保护接地网的扁钢。

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(本文编辑：赵艳粉)

Based on Electrochemical Applied in Ground Net.Through Grounding Modification

FANG Meng-ge1，HU Hai-ze1，YUAN Xue-qiong1，ZHAO Jun1，FU Chao1，SONG Ya-nan1，JING Liang-bing2，HUANG Jia-rui3

(1. School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000, China;2. Electric power company in hunan province loudi power supply bureau，Loudi 417000，China;3. Hunan changsha Xinchang electricity technology, Changsha 410000，China)

Abstract:The article the author through the substation ground network this serious corrosion by analyzing the corrosion reasons, from the Angle of the electrochemical staging its corrosion principle, using the electrochemical principle are put forward based on electrochemical corrosion principle based on the principle of anode protection law, and puts forward the selection of different anode material under various soil environment protection, and put forward the general use of a substation grounding network flat more active metal and grounding network connection, form the passive circuit model, the method of using sacrificial anode to protect cathode grounding network, and finally from the point of view of electrochemical very practical substation ground network anticorrosion scheme.

Key words:grounding network; corrosion; electrochemistry; anodic protection; the passive circuit

DOI：10.11973/dlyny201601027

作者简介：方梦鸽(1995)，女，从事高电压防雷技术研究。

中图分类号：TM86

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-11-09