变电站内交直流杂散电流对接地网腐蚀影响研究

聂新辉 薛庆堂 陈晓春

（1. 国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏 南京 210031；2. 国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

变电站接地网的腐蚀不仅与接地网所处的土壤特性相关，同时还与变电站现场环境和相关电气设备的运行状况密切相关。与其他埋地管道相比，变电站内还存在杂散电流和泄漏电流，必然对接地网材料的耐蚀性产生影响，这也是研究接地网腐蚀与防护需要特别关注的地方[1,2]。

杂散电流可分为交流杂散电流和直流杂散电流。交流电引起的腐蚀要比直流电干扰的强度小得多，大约为直流电的1%[3]。杂散电流腐蚀作用与电解电池的作用过程类似，接地网有着明显分开的阳极区和阴极区。如图1所示，电流从土壤进入金属构件的地方带有负电荷，这一区域为阴极区；由金属构件流出的部位带有正电荷，这一区域为阳极区。

图1 杂散电流导致接地网腐蚀

因此变电站杂散电流的危害主要是对接地网产生电化学腐蚀，其电化学腐蚀过程发生如下反应：

（1）析氢腐蚀

阳极反应：2Fe→2Fe2＋＋4e

阴极反应：4H＋＋4e→2H2↑（无氧酸性环境）

4H2O＋4e→4OH－＋2H2↑（无氧中性、碱性环境）

（2）吸氧腐蚀

阳极反应：2Fe→2Fe2＋＋4e

阴极反应：O2＋4H＋＋4e→2H2O（有氧酸性环境）

O2＋2H2O＋4e→4OH－（有氧中性、碱性环境）

接地网在没有杂散电流时，只发生自然腐蚀，大部分属于原电池腐蚀的模型。原电池腐蚀的驱动电位只有几百毫伏，而所产生的腐蚀电流充其量不过几十毫安的数量级。而在土壤中的杂散电流腐蚀，一般属于电解电池腐蚀的模型，即外来的直流电流或电位差，造成了土壤溶液中金属的腐蚀，其腐蚀量与杂散电流强度成正比。也就是说，假如有1A的电流通过接地网表面，流向土壤溶液，那么一年就会溶解钢铁9.13kg[4]。

因此，对接地装置加设测试桩，监测杂散电流，预测接地装置的腐蚀状态，并采取适当的保护措施非常必要。

1 实验

1.1 测试方法

交流杂散电流最直观的检测参量就是交流电压，SY/T 0032-2000和GB/T 50698-2011都给出了交流电压测量的连线图和数据处理方法，根据测量的数据可以找到测量点干扰电压的最大值、最小值以及测量点干扰电压随时间变化的曲线[5]。交流电流密度可按公式（1）计算：

式中：JAC为评估的交流电流密度，A/m2；

V为交流干扰电压有效平均值，V；

ρ为土壤电阻率，Ω·m；

d为破损点直径，m。

ρ值应取交流干扰电压测试时，测试点处与接地网埋深相同的土壤电阻率实测值。d值按发生交流腐蚀最严重考虑，取0.0113m。

直流杂散电流如图2所示，电极相距20m，测量两电极间的电位差ΔV，再除以两点间的距离（L），即为土壤电位梯度ΔG=ΔV/L。测量时，同时测量沿埋地金属构件垂直方向与平行方向的电位梯度，并记录。

图2 杂散电流的土壤电位梯度测定方法

1.2 评价标准

参照GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》，交流于扰的程度可按表1交流于扰程度的判断指标的规定判定。

参照DL/T 5394-2007《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》，当埋地金属构件任意点上的管地电位较自然电位偏移20mV或埋地金属构件附近土壤电位梯度大于0.5mV/m时，确认为直流杂散电流干扰。表2是电位梯度值判断直流杂散电流强弱的指标。

表2 直流杂散电流强弱程度的判断指标

1.3 实验仪器

采用中国科学院金属研究所研制的SCM-4200交直流杂散电流测量仪，SCM-4200是一台多功能杂散电流测试仪器，可以测量与杂散电流腐蚀相关的各类电极电位、腐蚀电流密度、电位梯度等直接或间接参数。

2 结果与讨论

2009～2013年，先后多次采用监测干扰电压和电位梯度连续测定方法对安徽省9座500kV变电站500kV区域内的杂散电流进行了测试。本文仅以FC 500kV变电站测试结果为例，其他变电站详细测试结果不一一列举。

2.1 交流杂散电流测试

图3和表3为FC变500kV区域，交流干扰电压测试结果。

表3 FC变500kV区域交流杂散电流判断结果

图3 FC变500kV区域交流干扰电压随时间变化

测得FC变500kV区域土壤电阻率为56.12Ω∙m，将交流电压均值代入公式（1），可求得交流电流密度为6.12A/m2，根据表1判断，交流干扰程度为弱。

表1 交流干扰程度的判断指标

2.2 直流杂散电流测试

图4和表4为FC变500kV区域，直流杂散电流电位梯度法测试结果。

图4 FC变500kV区域土壤电位梯度变化曲线

从图4和表4中可以看出，两组参比电极的电位差值分别在-7～-2mV和13～23mV之间，最大电位梯度为1.15mV/m，因此FC变500kV区域存在中等强度直流杂散电流。

表4 FC变500kV区域土壤电位梯度测试结果

依照上述测量及分析方法，FC变及其他超高压变电站交直流杂散电流测试及判断结果如表5所示。

表5 安徽省9座超高压变电站500kV区域交直流杂散电流测试及判断结果

由表5可以看出，9座变电站500kV区域均存在弱级别的交流杂散电流，其中ZG变交流电流密度最大，为15.6A/m2；最小是JT变，交流电流密度仅为3.23A/m2，因此由交流杂散电流引起的接地网腐蚀问题不用考虑。9座变电站500kV区域有6座存在中等强度直流杂散电流，3座存在弱级别直流杂散电流。其中FX变电位梯度值最大，为1.6mV/m；SX变最小，仅为0.35mV/m。

3 结语

通过对安徽省内九座超高压变电站内500kV区域交直流杂散电流的干扰强度测量，得如下结论：

（1）9座变电站内均只存在弱级别的交流杂散电流，6座存在中等强度直流杂散电流，3座存在弱级别直流杂散电流；

（2）以土壤电位梯度值判断，多数变电站内存在直流杂散电流干扰，干扰程度为中等。应密切关注由直杂散电流产生的腐蚀问题，交流杂散电流产生的腐蚀问题暂不考虑；

（3）加强变电站内电气设备接地设计和安装的检查，加强电气设备的运行状况的检查，防止由于设计和运行状况不良导致的直流杂散电流腐蚀问题。