电厂接地系统降阻及防腐蚀研究

郭 良

（国家能源集团准格尔能源有限责任公司矸石发电公司，鄂尔多斯 010300）

在电力工业快速发展的背景下，电力系统容量越来越大，大大增加了电厂、变电站的工频短路电流，对电厂接地系统提出了更高的要求。而接地阻抗是衡量接地系统有效性的关键参数。过高的接地阻抗不利于电厂设备和人员的安全。我国发生过多起因为电厂接地系统的接地阻抗过高造成的安全事故，不仅造成了巨大的经济损失和人员伤亡，也带来了负面的社会影响。因此，降低接地阻抗成为接地系统优化的重要内容。其中，降阻和防腐蚀是提高接地系统性能的有效手段[1]。

1 电厂接地系统降阻措施

1.1 斜井接地降阻

可以借助斜井将接地系统与周围建筑地基连接，扩大接地面积，从而达到降低接地阻抗的目的。如果电厂接地系统的底部土壤的电阻率比表层土壤的电阻率高，则不适合采用深井接地方式。但是，电厂接地系统周围有建筑物，建筑物的地基通常深埋在地下，因此适合用斜井技术（如图1 所示）实现降阻效果。为了确保建筑物地基等自然接地体在使用过程中的稳定性和可靠性，并确保降低接地电阻的长期效果，必须遵循以下连接方法。第一，使用地下金属管作为自然接地体时，采用跨接线焊接方式连接管接头和接线盒。如果管道直径为40mm 或更小，则跨接线可以采用圆钢材料[2]。如果金属管道直径大于50mm，则跨接线应采用扁钢。第二，当利用接线钢管作为自然接地体时，为防止钢管被腐蚀成不连续导体，管壁的厚度至少应为1.5mm。第三，当建筑物和建筑物金属构件用作接地体时，必须在建筑物的伸缩缝处使用跨接电缆穿过伸缩缝，以避免由于建筑物的不均匀沉降而断开接地电缆的连接。这类自然接地体的跨接线可用直径至少为12mm的钢绞线，在钢绞线的两端焊接扁平连接头，然后用螺钉固定。第四，当电力电缆护套用作接地体时，电缆护套和接地体、电气金属外壳的连接可以用卡箍紧固连接。连接前刮除电缆护套表面的锈迹，在卡箍和电缆护套之间垫厚度为2mm 的电缆扎带并紧固。螺栓、螺母以及垫圈等固定装置应镀锌，以防止腐蚀。

图1 电厂接地系统斜井接地

1.2 外延接地降阻

一方面，可以通过水平外延接地系统降低接地阻抗。大型电厂如果出现单相短路故障，会产生非常大的接地短路电流，因此接地系统的接地阻抗值必须较低[3]。可以在距离主接地系统2km 范围内、电阻率较低的土体中，用铜制接地体构建外延接地系统，以形成网格结构，如图2 所示。水平外延接地系统通过2 ～3 根连接线连接到主接地系统。将外延接地系统设置成网络结构，原因是通过适当布置格栅尺寸可以减小人体的阶跃电压以确保人身安全。

图2 水平外延接地系统结构

另一方面，利用三维复合外延接地系统降低电厂接地系统的接地阻抗。某些电厂所在地的土壤电阻率高，仅用水平外延接地难以获得理想效果。这时可采用三维复合外延接地系统降低接地系统阻抗。三维复合外延接地系统由深井接地体和水平接地体组成，如图3 所示。深井接地体主要用于降低接地电阻，水平接地体用于电压均衡。实践证明，在水平接地体的交点处插入了一个长度为2.5m 的深井接地体构成三维复合外延接地系统，可以增加电流在土壤中的散流半径，完全释放垂直、水平方向的短路电流[4]。为了避免在使用三维复合外延接地系统时产生屏蔽，两个垂直接地体之间的距离必须大于垂直接地体长度的2 倍。

图3 三维复合外延接地系统结构

1.3 降阻剂降阻

降阻剂的基本原理是利用降阻剂的渗透扩散作用减小接地体土壤电阻率。通常，化学降阻剂通常要比其他形式的降阻剂效果好。例如，膨润土材质的降阻剂扩散渗透能力不强。但是，降阻剂稳定长效和扩散渗透能力不可兼得。具有较强扩散渗透能力的降阻剂，很容易因雨水而流失，因此稳定性不足[5]。此外，降阻剂应用于接地体土壤后，会增加接地体的有效横截面积，从而降低接地电阻。化学降阻剂会随着时间的流逝而消失，使得接地体的有效横截面积越来越小。接地电阻包括接地体和周围大体呈现的电阻及接地体与周围土壤的接触电阻两部分。接地电阻的大小取决于接地电极周围的土壤。通常，土壤越密，接地电阻越低，土壤越疏松，接触电阻越高。此外，接触电阻还和接地体的表面粗造度成反比。接地体生锈后，接触电阻逐渐增加。将降阻剂应用于接地体之后，接触电阻会降低。但是，只有某些物理降阻剂和膨润土降阻剂具有此功能，化学降阻剂没有这样的效果。此外，接地体腐蚀会增加接触电阻。降阻剂的吸水、保水作用能够优化并保持土壤电导率。例如，膨润土降阻剂具有很强的吸水性，吸水后降阻剂体积会扩大，可以长时间保持糊状，使接地电阻保持稳定。

2 电厂接地系统防腐措施

2.1 选择合适的接地体材料

选择接地体的材料时需要综合分析各种材料的性能指标。目前，全球范围内广泛使用的接地体材料是铜和钢。铜具有优良的导电性和化学稳定性，在土壤中的腐蚀速率仅为钢的腐蚀速率的1/10 ～1/5。铜材质的接地体使用年限可超50 年。因此，发达国家普遍采用铜材质的接地体。我国铜资源比较少，近年来铜的价格又持续上升，使用铜材质的接地体的成本比使用钢材质的接地体高出5 倍以上。此外，同材质接地系统容易产生电偶腐蚀，尤其是在电厂的其他结构中使用不同的材料时，如果两种金属形成电气连接，将发生电偶腐蚀，导致电位低的金属被腐蚀。因此，尽管使用铜作为接地体材料可以有效抵抗腐蚀并确保接地系统的使用寿命，但是目前在我国很难大规模使用，而是普遍采用钢材质的接地体。

2.2 覆盖层保护

在导体表面上使用覆盖层是防止导体腐蚀的有效方法。覆盖层可以将导体与外部隔离，以防止金属表面出现微电池腐蚀。接地系统常用覆盖层包括两种。一是金属覆盖层。用耐腐蚀的金属覆盖层覆盖导体表面，如镀锌覆盖层和电镀铜覆盖层等。二是非金属覆盖层，利用塑料和沥青等非金属覆盖层覆盖导体表面。电厂接地系统的土壤中普遍会覆盖一层焦油青，然后涂一层沥青形成绝缘护套，有效减少原电池腐蚀，并减慢接地线本身和接地装置的电化学腐蚀。为了增加覆盖层的厚度，通常用填料或诸如石棉和玻璃纤维的无机纤维混合加固。另外，也可以使用诸如聚乙烯塑料带和环氧覆盖层的方法。使用金属覆盖层时，必须注意覆盖层的完整性，以防止两种金属在不完整的覆盖层表面形成电腐蚀[6]。

2.3 电化学防腐

2.3.1 牺牲阳极的阴极保护法

牺牲阳极的阴极保护法基于原电池原理。阴极采用化学性质比被保护金属材料更活泼的金属作为阳极，阳极金属更容易失电子发生氧化反应，其腐蚀电位低于阴极金属。将阳极埋于土壤中，通过导线连接需要防腐蚀的接地体构件，构建腐蚀原电池系统。阳极金属因为化学性质更活泼而优先溶解，失掉的电子流向阴极。阳极金属溶解后的正离子经土壤流向阴极，相当于提供了阴极保护电流，促使被保护构件被极化，表面富集电子，不再产生离子，从而实现防腐蚀。该方法无需外接电源，基本不会干扰周围的金属物，且保护电流分布更加均匀，安装步骤简单，占用空间小，但是不适用于电阻率高的土壤环境，同时不能调节保护电流的大小，且对保护覆盖层的质量要求很高，需定期更换阳极金属。

2.3.2 外接电源的阴极保护法

外接电源的阴极保护法需要用到外接电源、辅助阳极和参比电极。需要防腐的接地金属构件与电源负极相连。电源的作用是为阴极提供保护电流，实现金属构件的阴极极化，从而实现防腐蚀的目的。电源通过埋在地下的辅助阳极，将保护电流引入地面，并通过土壤向受保护的金属供电。要防腐的金属材料是阴极，其表面只发生还原反应，从而有效抑制腐蚀。

3 结语

合理运用降阻防腐措施能够有效优化接地电阻，从而提高电厂接地系统的性能。合理选择降阻材料可以达到最好的降阻防腐效果，因此在实践中应该根据使用场景和使用目的灵活运用降阻防腐措施，有效提高电厂接地系统的性能，从而改善电力系统的综合性能。