输电线路中常用接地材料防腐性能的研究

2020-12-21方晓明

中国新技术新产品 2020年20期

方晓明

（中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南郑州 450007）

目前，输电线路工程中常用的杆塔接地材料有镀锌圆钢、铜覆钢（镀锡铜覆钢）、不锈钢、接地模块、柔性石墨这几类接地形式。接地材料一方面需要有较低的接地电阻，另外一个重要因素需要有合适的耐腐蚀性能。传统的接地材料为金属材料，其腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，而这两者在实际中往往同时存在。化学腐蚀是一种自发性的腐蚀，主要原因是金属接地材料的表面与空气土壤中的非电解质发生了化学反应。化学腐蚀不产生电流，如空气中的接地引下线的腐蚀主要属于化学腐蚀。电化学腐蚀的原理是原电池原理，腐蚀部分包括阴极区和阳极区，其特征在于腐蚀过程中电子从阳极溢出并向阴极运动而产生电流。该文详细介绍了几种接地材料的特点及应用原则[1]。

1 线路常用接地材料

1.1 镀锌圆钢

目前所有线路工程中最常见、以往使用量最大的一种接地材料，常用规格为直径12 mm 的圆型，一般要求采用热镀锌工艺。在圆钢材料的表面镀上一层锌结构能够有效地加强接地材料的耐腐蚀性，提高其使用的可靠性。制作镀锌圆钢时，首先将圆钢表面清洗、活化，然后将该圆钢材料浸于熔融的锌液中，高温下铁元素和锌元素会发生反应和扩散，可以有效地在圆钢表面上辅佐一层锌合金镀层。具有制作时间快，成本低，效果好的特点。热镀锌具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长等优点。

1.2 不锈钢

不锈钢相对于传统的金属材料其具有材料稳定性强，不易腐蚀的特点，在空气、水蒸气、水等腐蚀介质中不易被腐蚀。由于合金元素的不同，这种不锈钢虽然对于弱腐蚀介质的耐腐蚀性较强，但是对于如酸、碱、盐等化学介质的耐腐蚀性较差，因此，通过重新分配钢材料中的合金元素产生了不锈耐酸钢，不锈耐酸钢对于酸、碱、盐等化学浸蚀性介质的抗腐蚀性较强。由于不锈钢和不锈耐酸钢的化学成分中存在较大的差异，因此两者对于抗腐蚀性的介质也不同，不锈钢对于空气、水蒸气、水等弱腐蚀介质的抗腐蚀性较强，对于酸、碱、盐等化学介质的耐腐蚀性较差，而不锈耐酸钢正好相反。

不锈钢中的主要合金元素是Cr（铬），只有当Cr 含量达到一定值时，钢材有耐蚀性。因此，不锈钢一般Cr（铬）含量至少为10.5%。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo、Si、Cu 等元素。纯不锈钢由于其导电率低且加工性能的局限以及价格因素的限制，导致其较少直接被用作接地材料[2]。

1.3 铜覆钢

铜覆钢是指在钢材料的表面附上一层铜材料，主要的制作方式是通过电镀的技术将铜分子均匀的覆盖到钢材料的表面上，通过这种技术生产出的铜覆钢接地材料，铜分子和钢分子能够紧密的结构。具有抗腐蚀性强，可塑性优良，材料的结构强度加大抗拉性强，同时电阻较低，导电性较好。由于铜制接地材料表层铜的电位较高，如果与地下管网（钢制）直接相连接或距离较近，易对地下管网产生电位差腐蚀，如采用阴极保护将会抬高保护电位。为了解决这一缺陷，同时考虑部分应用场合防盗的需求，又出现了镀锡铜覆钢材料。一般采用电镀生产工艺，实现铜与钢的高度结合，外表热镀一层锡，因此耐腐蚀性强，使用寿命长达50 年以上[3]。

1.4 石墨基柔性复合接地体

石墨作为当前应用研究较为前沿的新型材料，相对于传统的接地材料，具有良好的导电性，用石墨作为原材料制作石墨基柔性复合接地体具有抗腐蚀性能强，运输方便，环保等优点。石墨材料在酸、碱、烟的溶液中进行长时间的浸泡，基本不会产生腐蚀问题，并且在-200 ℃～800 ℃的温差环境中都可以安全的使用。用石墨制成的石墨基柔性复合接地体的纤维强度很高，并且不怕高温，具有较好的耐热阻燃的效果，在杂散电流的通过下，也不会发生电解反应。石墨制品也具有教好的柔化特性，石墨表面粗糙构成细孔，可以拉伸、折叠。石墨材料在跟土壤黏结后，不会产生空气结界，可以跟土壤一起蠕变。所以，使用石墨基柔性复合接地体进行铺设时，可以直接选择用泥浆回填等方式更加便捷，而且其使用的安全性和可靠性也得到了保障。最后石墨基柔性复合接地体具有热稳定性强的特点，在通电电流较为分散的时候，能够有效的降低电流的密度，并且石墨的比热容大，吸热能力强，这种材质的稳定性保证了其工作的可靠性。

1.5 常用接地材料比较

试验研究得出部分金属材料的腐蚀速率见表1。

表1 单一接地体埋在土壤中的腐蚀数据

从表1 中的数据可知，不锈钢和铜包钢的耐腐蚀性能较好，镀锌钢性能次之，钢材耐腐蚀性最差。常用的镀锌圆钢、铜覆钢、不锈钢、石墨基柔性复合接地体接地材料比较见表2。

通过表2 可以发现，镀锌圆钢的项目，基本方案为方框+射线+垂直接地，该方案的特点是电线的导电性能一般，IACS 为8.5，耐腐蚀性一般，但是技术较为成熟，生产效率较高，生产成本较低，施工较为便捷。但是需要注意的是，如果用导电焊进行焊接可能会使得接头的接触不良，在湿度较高的易腐蚀地区需要频繁的进行更换，这也增加了维护成本。

铜覆钢项目，基本方案为方框+射线+垂直接地，同样，该方案的电线的导电性一般，IACS 在20-40 在，但是其耐腐蚀性能好，不宜用于酸性土壤地区生产工艺成熟，近年来厂家受环保要求限制，产品质量水平有高有低，在生产过程中运用专用的工具，通过化学反应来进行铜和钢之间的热熔结，这种技术对于铜和钢的结合性较好，同时该材料的稳定性较强，这种电线可以正常使用30 年以上都不需要维护，缺点则是造价较高[4]。

不锈钢复合材料项目，基本方案为方框+射线+接地模块，该方案的导电性一般，IACS 为15，但是不锈钢复合材料生产出来的电线的耐腐蚀性能好，各种耐腐蚀性取决于不锈钢内合金元素成分生产工艺成熟，厂家基本采用常温下高压压接技术对材料进行连接，该技术由于不需要电弧焊接所以成本相对较低，该材料的可靠性较强，可以正常使用30 年，同时由于其生产成本较低，一般不会被偷盗。

石墨基柔性复合接地体项目，基本方案为方框+射线+石墨布非磁性，该档案具有耐腐蚀性能良好，抗酸、碱的特点。同时，该材料生产的电线易搬运易施工，储存方便，石墨基柔性复合接地体的电线，无须焊接，通过压接连接的方式即可，稳定性较强，使用寿命达到了30 年，并且也没有偷盗价值[5]。

2 近期实际工程中各种接地形式的使用原则

哈郑工程中对于中强腐蚀地区通过增大镀锌圆钢截面来提高运行年限，灵绍工程开始部分采用铜覆钢应用于强腐蚀地区，晋北江苏、扎青等工程开始在部分地区采用柔性石墨接地材料，然而这些材料也各有不足，如大截面镀锌圆钢强度高难以弯折施工，铜覆钢表面易破损及易被盗，外漏的柔性石墨绳部分易散股石墨易流失，仍然需要不断的优化改进。

根据前节关于各种材料的防腐性能论述，单就接地材料自身特性来说，柔性石墨的耐腐蚀性能最强，可以适应于各种强酸强碱等强腐蚀地区；其次为不锈钢材料，再其次为铜覆钢材料，镀锌圆钢耐腐蚀性较差。根据以往工程经验及近年来新型接地材料的推广应用，近几个特高压工程对于接地材料的使用原则基本一致，主要依据电阻率的大小选择不同材料的接地装置。