变电站土壤类型特点及理化性质分析

2018-02-22侯世春李国兴

东北电力技术 2018年11期

侯世春，李国兴

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江哈尔滨 150030)

变电站接地网是保证电力设备和人身安全的必要措施，接地网将电力系统的点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄放通道，稳定电位，提供零电位参点。随着电力系统的发展，接地短路电流不断增大，对接地网的安全可靠性要求也越来越高。构成接地网的导体埋于地下，导体常因施工时焊接不良或土壤腐蚀等原因，使接地网接地不良，接地电阻增高，接地性能变坏；当系统发生对地短路故障时，可能造成接地电位不均匀或异常，不但严重危害运行人员安全，还可能破坏变电站二次设备的绝缘，引起检测或控制装置拒动或误动，从而引发较大的事故[1]。因此，必须保证接地网在运行周期内的完好性。

影响接地网腐蚀的因素有很多,其中土壤的腐蚀是最关键的因素,而土壤的物理化学性质决定了其腐蚀特性[2]。黑龙江省电网变电站分布于全省大部分区域，各地区的土壤由于形成条件不同，土壤性质有很大差异；即使是同一地区的土壤，由于地形地貌和区域人类活动的不同，土壤性质也会不同，因此本文对黑龙江省各地市区域内37个变电站土样和20个非变电站土样进行了采集，分析了黑龙江省内各地区的土壤类型特点和性质，得到了土壤理化性质对接地网腐蚀的影响因素和作用机理，为新建变电站的勘测设计、运行变电站接地网的腐蚀监测提供了科学依据。

1 土壤类型及分布

黑龙江省位于我国东北部，北、东部与俄罗斯为界，西部与内蒙古自治区相邻，南部与吉林省接壤，主要由山地、丘陵、平原和江河构成，全省土地总面积47.3万km2(含加格达奇和松岭区)。依据土壤的成土过程，黑龙江省土壤主要分为8类，包括暗棕壤、白浆土、黑土、黑钙土、草甸土、沼泽土和泥炭土、盐碱土和沙土。

1.1 暗棕壤

暗棕壤的地形为丘陵漫岗，在林木下发育的土壤，有一定粘化，氧化铁在淀积层有积累，使土呈棕色、红棕色或黄棕色。暗棕壤是黑龙江省山区分布最广、面积最大的一类土壤，在小兴安岭和东北山地，张广才岭、完达山、大兴安岭东坡也有大面积分布。类型包括暗中草甸、白浆化、原始、残余碳酸盐暗棕壤4个亚类。

1.2 白浆土

白浆土质地粘重，有明显的腐殖质层、淀积层和母质层，而白浆层有明显的片状结构。

白浆土主要分布在黑龙江省东部和北部气候较湿润的地方，如佳木斯、牡丹江、哈尔滨东部等地区，在齐齐哈尔、大庆、大兴安岭没有分布。

1.3 黑土

分布地形为起伏漫岗，草原草甸植被，腐殖质层较厚，土体中有铁锰结核。

黑土主要分布在黑龙江省和吉林中部，集中在松嫩平原的东北部，小兴安岭和长白山波状起伏台地和漫岗地，北起嫩江、北安，沿滨北线到公主岭一带和三江平原，集贤、富锦、宝清及佳木斯一带也有分布。

1.4 黑钙土

草甸草原或草原植被下发育的土壤，土体中有石灰反应，有石灰家菌丝体石灰结核的钙积层，无明显的盐分聚积层。

黑钙土主要分布在呼兰河以西、兰西、青冈、明水、安达、肇东、肇洲、杜蒙、齐市、龙江、甘南、富裕、林甸、依安。

1.5 草甸土

草甸土是在地形低平、地下水位较高、土壤水分较多、草甸植被生长繁茂的条件下发育形成的非地带性土壤，土中腐殖质层较厚，腐殖质含量高，粒状结构明显，土体中可见到锈斑或灰蓝色的潜育斑，主要分布在三江和松嫩平原排水不畅的低平原地区。

1.6 沼泽土和泥炭土

沼泽土和泥炭土是在湿地积水生长沼泽植物的地方发育起来的，土壤有机质和腐殖质含量大，持水性高，主要集中在三江平原及穆棱河、兴凯湖低地、大小兴安岭、完达山及其山谷。

1.7 盐滞土

黑龙江省盐滞土为内陆型盐滞土，包括盐土和碱土，为土壤潜水升高、地表水强烈蒸发、土层结冻等过程形成了土壤积盐。

盐滞土主要分布在松嫩平原的林甸、齐市、泰康、富裕、安达、青冈、明水、兰西、三肇及大庆东部，三江平原的集贤、宝清、友谊、富锦一带也有零星分布。

1.8 沙土

沙土是在河湖漫滩、冲积平地、砂丘砂岗、风蚀洼地发育起来的，土壤沙性大、有机质含量低，土体多呈黄色。主要分布在江河两岸，在富裕县至齐齐哈尔市区一线以南的广阔冲积风积平原分布最为集中。

2 黑龙江省变电站土壤类型特点及理化性质分析

截至2017年12月，黑龙江电网35 kV及以上变电站共有880多座，并网运行的火电厂、水电厂和风电厂共有210多座，为黑龙江省的社会、经济发展提供清洁、稳定、优质的电力能源。由于变电站遍布于各个区域，其中包括人迹罕至的风电厂，因此变电站的土壤类型和性质反映了整体土壤状况。

本文分区域采集了37个变电站土样和20个非变电站土样，对土壤的理化性质进行分析。变电站在建设期间，由于土建工程的施工，需要对变电站内部分土壤进行挖除和回填，从而改变了这部分土壤的组成和性质，因此采样时应避开这部分土壤；变电站接地网的埋设深度通常为0.8～1.0 m，因此土壤样品采集深度也为0.8～1.0 m，以代表接地网埋设处的土壤性质。

采集土壤样品时，观察0.8～1.0 m深度土壤的外观，手握土壤初步判断土壤质地；采集土壤样品时，现场测定土壤的温度、容重、孔隙度、含水量、电阻率；取土样2.0 kg，实验室内检测土壤的化学性质，如表1所示。

表1 土壤的物理化学性质分析

续表

土壤样品采集深度土层的温度在6—8月间通常在14.5～23.0℃范围内；各类土壤的容重和总孔隙率没有明显的规律性，主要由土壤的形成过程有关，通常容重大的土壤，其孔隙率则较低，土壤越致密，孔隙度越小。砂质土壤的孔隙度大于粘土、粘壤土；泥炭土的容重最小，而含水量和总孔隙度最大，电阻率通常较小；土壤的砂石含量高时，容重会较大，含水量降低，其电阻率会增高。

土壤取样层的pH值，暗棕壤的pH值通常为5.8～7.1，呈弱酸性或中性；白浆土、黑土和泥炭土的pH值为5.8～6.9，呈弱酸性；黑钙土、盐滞土和盐化草甸土、沼泽土的pH值通常大于8.0，呈弱碱性或碱性。

对于盐滞土和盐化草甸土、沼泽土，含有较多的可溶性盐，Cl-和SO42-含量较高。由于土壤取样层的深度为0.8～1.0 m，受地表因素影响小，因此其有机质含量通常小于1.0%，较低；但对于泥炭土，由于泥炭层较深，因此有机质含量大，通常大于20%。

土壤的电阻率与土质有密切的关系，土壤含沙量大时，电阻率增高；土壤电阻率受土壤的含水量、孔隙度、温度等因素影响，同一土壤，含水量大、孔隙度小、温度升高(0 ℃以上)时，电阻率降低，反之增大。

3 土壤理化性质对接地网腐蚀的影响

土壤是由固、液、气三相组成的胶质体，土壤颗粒间充满空气、水分和各种盐类等物质，使其成为电解质，因此接地材料在土壤环境中的腐蚀不同于大气、水的腐蚀，除了受接地材料本身的影响外，更多的是受土壤理化性质的影响。电力行业标准DL/T 5394—2007《电力工程导则》中提出了土壤腐蚀性的评价方法，其中土壤电阻率和pH值是常用评价因素，如表2所示。

表2 土壤电阻率、pH值与土壤腐蚀性

根据以上标准，黑龙江省大部分变电站土壤的电阻率在20～50 Ω·m，属中腐蚀性土壤；所有采集的土壤样品的pH值均大于5.8，属弱、中腐蚀性土壤。

土壤电阻率与土壤的质地结构、水分含量、pH值、各种可溶性盐的性质和含量等多种因素有关，是土壤中多种性质的综合表征。土壤土质导电性强、水分和可溶性盐含量大时，土壤的电阻率小，腐蚀强。由于有些变电站接地网是回填土，因此不能简单通过土壤电阻率进行土壤腐蚀性判断，应结合pH值和氧化还原电位综合进行评价[3]。

铁的氧化物易溶于酸而不易溶于碱，在酸中它很容易被腐蚀(尤其是非氧化性酸中)，pH值的降低会使铁的表面氧化膜的溶解度增加，因而腐蚀速度会加快。然而在碱性溶液中，由于Fe(OH)2不溶于水，因此铁的腐蚀速度较慢，即抑制了铁的腐蚀[4]。因此土壤的pH值越低，酸性越强，腐蚀性就越强。

除了酸性很强的土壤外，钢铁在土壤中的腐蚀主要是氧的腐蚀[6-7]，因此土壤中的含氧量对钢铁的腐蚀有很大的影响。由于土壤中的氧主要有两种存在方式，一种存在于土壤的毛细管和缝隙中，另一种溶解在水中，因此土壤中的含氧量与土壤结构和含水量有密切关系。表层土壤较疏松，孔隙度大，含氧量高，氧腐蚀性强，这就是接地引下线通常腐蚀很严重的原因。在接地网施工完成后，应分层回填土壤，并逐层夯实，以减小土壤的孔隙度和含氧量。

土壤的电阻率随含水量的增大而减小[8]，在一个相当大的范围内，土壤含水量增大，氧的溶解量和扩散速率增大，金属离子化速度增大，金属在土壤中的腐蚀速率增大，但含水量太大，达到过饱和时，由于水填充了土壤的空隙，影响了氧的溶解和扩散，使氧扩散困难，这时尽管电阻率降低，金属在土壤中的腐蚀速度也不会随之增大。

综上所述，由于土壤结构、组成和理化性质的复杂性，使土壤对接地网的腐蚀特性也很难评定，应结合接地网在土壤环境中的各种因素进行综合判断，才能得到科学准确的结果。