电网设备金属部件的腐蚀与防护

樊平成，李 军，李 龙，陈 浩

(1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

0 引 言

金属材料广泛应用在电力系统输电、变电、配电过程中。如果电网设备在工业污染严重以及潮湿的环境中运行，金属部件的腐蚀速率将明显加快。一旦这些金属部件发生严重腐蚀，电网设备将无法正常工作，进而导致大规模停电，存在着重大安全隐患[1]。因此，金属部件的腐蚀防护对于确保电网的安全稳定运行有着极其重要的意义。

近年来，学者们对电网设备中金属部件的腐蚀和防护进行了大量的研究,并在该领域取得了巨大的成就。郝文魁等[2]研究了沿海工业环境中变电站电流互感器用铝合金接线板的腐蚀行为和机理，并得出结论，大气中的氯离子和硫化物是导致线路板晶间腐蚀的主要因素。谭晓蒙等[3]研究了典型工业区域镀锌钢铁部件的腐蚀规律，并认为硫是金属部件腐蚀的关键因素。陈国宏等[4]研究了高压输电耐张线夹的腐蚀行为，发现耐张线夹的腐蚀速率受腐蚀液的pH值及温度等因素影响。陈彤等[5]总结了输电网中镀锌金属部件锈蚀的原因和相关的防护方法，并提出了通过采用合理的涂层和电化学方法可以提高其防腐性能。

针对典型的电网设备金属部件(如电气设备的接地扁钢，混凝土电杆的拉线棒，悬瓶的球头挂环等)，通过不同的物理和化学测试方法对其进行了深入的研究分析。同时，系统地研究了这些金属部件的典型腐蚀机理和腐蚀行为，并提出了相应的防护措施，为电网设备的安全运行和维护提供了技术支持。

1 接地连接件

1.1 腐蚀机理

接地电网金属部件的正常使用是电网、电气设备安全运行的重要保障，变电站的接地电极通常由镀锌扁钢制成。接地扁钢由于长期埋设于土壤中，腐蚀不可避免[6]，从本质上讲，土壤腐蚀可被视为电化学腐蚀。由于土壤颗粒组成的固体骨架中充满空气、水和不同的盐类以及土壤多相性、不均匀性，金属材料通过土壤介质进行离子交换形成宏观腐蚀电池，不同部位间产生电位差。此外,金属材料由于自身组织的不均匀性，会与接触的土壤介质形成腐蚀微电池。

1.2 腐蚀失效案例

在对220 kV变电站进行巡检时，发现某220 kV设备区水平接地扁钢由于腐蚀而严重生锈，其宏观形貌、SEM形貌和能谱分析如图1所示。可以清楚地看到，接地扁钢表面镀锌层已完全脱落并发生严重锈蚀，部分区域腐蚀产物已脱落，未见明显机械损伤及塑性变形。腐蚀产物呈层片状分布在接地扁钢表面且腐蚀产物表面存在大小不一的颗粒并伴有少量腐蚀孔洞，表层腐蚀产物呈黄褐色，内层腐蚀产物呈红褐色。接地扁钢腐蚀产物的主要成分为Fe、O、S、Cl，应为铁的氧化物、硫酸亚铁和氯化铁；其中的Si主要以氧化硅的形式存在，应为砂石吸附在接地扁钢表面所致。

图1 接地扁钢宏观形貌、SEM形貌和能谱分析图

该220 kV变电站位于化工园区内，含有二氧化硫、硫化氢、氯化氢等腐蚀性介质的烟尘因工业生产不断被排放至大气中，导致变电站周围土壤中的硫酸根离子和氯离子含量较高，硫酸根离子和氯离子对土壤腐蚀有促进作用，其含量越高，腐蚀性越强。这是因为一方面氯离子因半径较小，对钝化膜穿透力极强且容易被金属表面吸附，对钝化膜的破坏作用极大[7]；另一方面，如果生成的二价铁离子不能及时扩散到土壤中而积累于阳极表面，阳极反应就会因此受阻。氯离子与二价铁离子反应生成氯化亚铁，游离态的氯离子会反复作用生成新的二价铁离子，并能透过金属腐蚀层和碳钢生成可溶性产物，加快阳极的金属腐蚀过程，这些因素对接地扁钢的土壤腐蚀具有促进作用。

1.3 预防措施

1)在热镀锌接地扁钢投入使用前加强对镀锌层质量的检测和控制，并在确保尺寸精度的前提下，尽可能增加镀锌层的厚度。对电网设备中已投入使用的热镀锌接地扁钢的镀锌层质量进行全面测试，对存在问题的热镀锌接地扁钢及时更换。

2)增加扁钢的截面积或引入铜和铜包钢代替碳钢作为接地材料可有效提高耐蚀性并延长接地网的使用寿命。为有效降低接地电阻，防止接地扁钢腐蚀，在接地网改造时使用高效膨润土防腐降阻剂以降低接地电阻和提高防腐蚀性能。

2 拉线棒

2.1 腐蚀机理

电网设备中的金属部件诸如铁塔斜拉杆、混凝土电杆拉线棒等，由于埋入地下的部分较深，通常易发生氧浓差腐蚀。这是因为在不同深度的土壤中，其孔隙度和湿度均存在明显差异。从地表渗入土壤颗粒缝隙间的氧气，在表层干燥的沙土中，氧气更容易渗透，所以氧气浓度较高；而随着土壤深度的增加，在潮湿而致密的黏土中，氧气渗透困难，氧气浓度明显降低。因此，由于氧浓度的巨大差异，埋在土壤中的金属部件在氧浓差电池的作用下被腐蚀。

2.2 失效案例分析

在某输电线路中，由于氧浓差电池腐蚀，用于混凝土电杆的拉线棒断裂，其宏观形貌、微观金相和能谱分析如图2所示。

图2 拉线棒的宏观形貌、微观金相和能谱分析图

拉线棒发生断裂且腐蚀严重，但没有明显的拉长变形，除断裂处外，拉线棒埋设于土壤中的部分均存在不同程度的腐蚀损伤。同时，被腐蚀的拉线棒表面镀锌层已全部缺失，有许多腐蚀坑，棕色腐蚀产物主要含有铁和氧，没有其他元素，应为氧化铁。这是由于拉线棒埋设于土壤中的部分产生氧浓差电池腐蚀，与氧浓度高的土壤接触的部分称为宏观腐蚀电池的阴极区，而与氧浓度低的深层土壤接触的部分称为腐蚀的阳极区，因此受到严重的氧浓差腐蚀。这也是拉线棒埋设越深腐蚀越严重的原因。

2.3 防护措施

1)采用PVC管将拉线嵌套其中，PVC管内灌注混凝土，然后用玻璃纤维布封固PVC管并涂刷环氧树脂，使拉线与空气、土壤中的腐蚀性物质隔离，能有效起到防腐作用。

2)因拉线棒埋设地下而具有一定的隐蔽性，因此采用常规手段确定其腐蚀情况十分困难。近年来导波检测技术及电磁超声检测技术在接地网及地脚螺栓的腐蚀检测方面取了较大的突破，因此可以引入这些新的无损检测技术来代替开挖检查，实现对拉线棒的检测。

3 连接金具

3.1 腐蚀机理

连接金具作为电网金属部件的一大类通常用在输电线和铁塔之间起到连接和固定的作用,主要包括联板、绝缘子串的挂环(板)、U型螺丝、防振锤、支撑架和各种线夹等。连接金具长时间暴露在大气环境中，其表面通常会形成一层极薄且不易发现的水膜。当这层水膜达到20～30个分子厚度时，就会变成电化学腐蚀所需要的电解液膜。这种电解液膜常常是由于水分(雨、雪)的直接沉淀，或大气的湿度、温度变化以及其他种种原因引起的凝聚作用而形成。如果金属表面只是处于纯净的水膜中，一般不足以造成强烈的电化学腐蚀。但在大气环境下形成的水膜往往会受到周边环境的影响，如工业园区、沿海地区等，从而含有水溶性的盐类及溶解的腐蚀性气体等。所以综合考虑，影响大气腐蚀速率的主要因素有相对湿度、温度、大气污染物浓度等。

3.2 失效案例分析

某110 kV变电站位于一个典型的工业园区内，周围有许多重工业企业，如煤矿、钢铁厂和化工厂。部分悬瓶的球头挂环腐蚀严重(如图3所示)，对球头挂环的宏观形貌、微观金相、SEM形貌以及能谱进行分析发现：球头挂环表面镀锌层已完全脱落并发生严重锈蚀，锈层表面呈麻坑状，腐蚀产物为红褐色；表面存在大量腐蚀凹坑，腐蚀产物的主要成分为Fe、O、S，应为铁的氧化物及硫酸亚铁；腐蚀产物中的Si和Ca主要以氧化硅及氧化钙的形式存在，应为砂石吸附在球头挂环表面所致。

通过分析发现，随着来自工业生产的烟尘的不断排放，造成空气中二氧化硫等有害气体含量处于较高水平。在二氧化硫的溶解和氧化过程中会释放出氢离子，从而导致镀锌层表面的水膜酸化。这是因为：一方面，作为去极化剂，氢离子可以参与阴极反应并加速锌在阳极的溶解；另一方面，在酸性环境中，致密的碱式碳酸锌保护膜可能与硫反应形成硫酸锌。反应方程式如下：

Zn2(OH)2CO3+2SO2+O2→2ZnSO4+H2O+CO2↑

由于硫酸锌良好的水溶性，极易被雨水冲走，从而导致热浸镀锌层迅速耗尽。一旦镀锌层过早消耗殆尽，空气中的二氧化硫就会吸附在金属表面上，与铁作用生成易溶的硫酸铁，硫酸铁遇水溶解后发生水解生成硫酸，生成的硫酸再与铁作用生成硫酸铁，球头挂环按照这种循环的模式不断发生腐蚀损伤，直至彻底失效。因此，在二氧化硫含量高的大气环境中，热浸镀锌层不能起到有效的防腐蚀作用[9]。

图3 球头挂环的宏观形貌、微观金相、SEM形貌和能谱分析图

3.3 防护措施

1)应对同批次在用连接金具进行排查，发现锈蚀损伤严重的应及时更换；再者，应严格规范变电站内连接金具的采购、入库和使用的把关检验，避免材质、镀锌层不合格的金具流入并使用到电气设备上，以免再次发生类似锈蚀失效。

2)在典型的工业污染区，因镀锌层消耗较快，可以考虑使用抗硫化腐蚀能力更强的铝锌合金作为防腐涂层。此外，在电力建设设计阶段，通过对不同服役区域腐蚀风险的大数据统计，采用仿真建模的方法，进行腐蚀情况的预测，提前调整连接金具镀锌层的厚度，确保金属部件在使用期间镀锌层起到有效的保护作用。

4 结 语

通过分析电网设备中金属部件的腐蚀失效情况，研究了常见电网金属部件(接地扁钢、混凝土电杆拉线棒和球头挂环)的典型腐蚀机理和腐蚀行为，并详细分析了其宏观和微观特性。对接地连接件、铁塔、电杆的拉杆、拉线棒以及连接金具的典型腐蚀特征和腐蚀机理进行了总结，为保证电网的安全运行，避免电网、电力设备金属部件发生类似的腐蚀情况，提出了有针对性的防护措施。