基于失重方法的雷电对接地装置腐蚀的影响研究

2022-08-26夏小飞饶夏锦芦宇峰

智慧电力 2022年8期

夏小飞，俸波，苏毅，饶夏锦，芦宇峰，李斐

（1.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西南宁 530023；2.广西电力装备智能控制与运维重点实验室，广西南宁 530023；3.广西电网有限责任公司北海供电局，广西北海 536000）

0 引言

在电力系统运行中接地装置起着至关重要的作用，它不仅是电力系统的重要组成部分，而且还是保护人身及电力设备安全的重要措施。随着电网规模的不断扩大和电压等级的逐步提高，对电网安全稳定运行的要求也日趋严格。接地装置作为变电站的重要组成部分，不仅在工频下为站内提供保护接地和工作接地，还在雷击、操作过电压等极端情况下，起着将冲击大电流泄放入地的作用，从而保护人员、设备和建筑物的安全。在多雷电地区，接地装置的性能是变电站设计和生产运行重点关注的内容之一。为使接地装置的散流效果最佳，并能够在地下环境作用下有一定防腐效果，目前变电站往往采用镀锌扁钢作为接地体主材料。但由于镀锌层较薄，极易磕碰形成物理损伤点，在地下的接地装置会以损伤点为中心出现腐蚀脱落情况，严重影响变电站甚至电力系统的稳定运行[1-3]。

接地装置在土壤中会发生化学腐蚀、电化学腐蚀及电解腐蚀（若存在电流通过接地体），腐蚀速率和程度与土壤电阻率、潮湿程度、酸碱度、含盐量等密切相关[4-7]。当电流流过接地体时，接地体与土壤、电源等构成电解模型，由于电位差的形成产生腐蚀[8-9]。国内外研究机构也对接地装置防腐蚀进行了针对性研究。例如通过增大接地装置截面对被腐蚀的部分进行弥补[10]。采用导电水泥或者沥青包裹接地体的方式以防止其与外界土壤接触达到防腐目的[7]。美国等采用对钢材表面进行镀锌或者镀铜来进行保护[11-12]，更有甚者直接采用诸如铜等耐腐蚀的金属代替钢材作为接地体的主材料[13]。

目前对于接地装置腐蚀规律的研究开展广泛，上海电力大学采用人工配置土研究了镀铝钢、碳钢和铜3 种材料在6 种酸碱度下以及不同电导率的土壤中的电解腐蚀情况，认为交流电流通过接地体产生的腐蚀作用轻于直流电流腐蚀，并且土壤电导率对交流电解作用的影响较小[5]。安徽电力科学研究院采用土壤电位梯度法和地电位连续监测法研究杂散电流对于镀锌接地装置腐蚀的影响，认为杂散电流对接地装置的腐蚀十分明显，应密切关注[14]。山东电力科学研究院通过研究认为在某些土壤腐蚀性强的地区，镀锌接地体在3—5 年内就会被严重腐蚀[7]。陕西电网在对管辖变电站抽检中发现多座变电站接地体的平均腐蚀速率为6.87 mm/a，最大腐蚀速率达到了12 mm/a[15]。这些研究并未在真实环境中得出系统性的接地装置腐蚀变化规律，也没有将自然环境、工频电流、雷电冲击电流等多种场景对接地装置腐蚀变化的影响纳入研究范围。

本文研究自然环境、工频电流、雷电冲击电流3种情况对变电站接地装置腐蚀的影响情况，搭建模拟接地装置试验模型，采用失重法进行腐蚀速率的分析。在广西南宁室外分别进行自然环境下和工频电流下接地装置腐蚀试验，在室内雷电防护中心铁铜容器土壤内进行雷电冲击电流下的接地装置腐蚀试验。通过试验数据，发现雷电冲击试验和工频电流试验下接地装置随时间的腐蚀变化规律相似。另外，室外工频电流下的接地装置最高腐蚀速率和600 d 左右的最终腐蚀速率都要高于室外自然环境和室内雷电流冲击下的接地装置腐蚀速率。

1 试品、布置方式和试验方法

1.1 室内实验

在雷电防护中心实验室内进行接地装置冲击电流实验，实验装置如图1 所示，做长宽高各为1 m的2 个实验桶，命名为1 号桶和2 号桶，底部放入一块方形铁板，桶内填满泥土。图2 所示为工频电流1 A 时的电阻率测量电路，其中包含（1）交流电压源，（2）试验变压器，（3）电流表，（4）电压表；（5）接地体。按图2 所示的接线图测量工频电流1 A 时的电阻率，需满足土壤电阻率为100 Ω·m 以下。采用2 根截面积不小于90 mm2扁钢作为地极，2 根扁钢经除锈、清洗、干燥、称重后分别埋入1 号、2 号桶中。

图1 接地体布置示意图Fig.1 Diagram of grounding body layout

图2 工频电流1 A时电阻率测量电路Fig.2 Resistivity measurement circuit when power frequency current is 1A

冲击电流接线如图3 所示，实验波形满足GB/T 16927.1 和GB/T 16927.2 的要求，其中包含（1）交流电压源，（2）试验变压器，（3）电容器，（4）可变电阻，（5）可变电感，（6）开关，（7）接地体。对实验样品进行8/20 μs 冲击电流实验。施加20 kA 放电电流，正负极性各20 次，持续一定周期。每个阶段采用失重法计算腐蚀速率，从而构建一种腐蚀接地网判断、检测方法，以有效分析雷电冲击对腐蚀接地网的影响。

图3 冲击电流测量电路示意图Fig.3 Diagram of impulse current measurement circuit

1.2 室外试验

1）在室外做地网腐蚀试验，采用长宽5 m×5 m，网格为2 m×2 m 的热镀锌扁钢做水平接地体。第1组地网经除锈、清洗、干燥和称重后，埋设在室外现场的0.6 m 深土壤中，经一定周期取出接地体，除锈、称重后，用质量损失法计算平均腐蚀速率，测量试片的点蚀深度，计算最大腐蚀速率。

2）室外工频电流下接地装置腐蚀试验采用长宽5 m×5 m，网格为2 m×2 m 的热镀锌扁钢做水平接地体，第2 组地网经除锈、清洗、干燥和称重后，按其间距20 cm 埋入压实无间隙的土壤中，埋入地下1 m 左右。连接工频电流试验箱导线，分别连接两块接地体，对其施加10 A 电流。经一定周期反复通电后，取出试片，按常规清净处理，再计算平均腐蚀速率。

2 试验结果分析

2.1 分析方法

接地装置金属材料被腐蚀后，其重量、尺寸和形状、金相组织和机械性能都会发生变化，这些物理和力学性能的变化可反映金属被腐蚀的程度。金属腐蚀的速度表示为不同破坏形式的变化率，即失重法。该试验方法按一定的试验周期，将待测量金属埋设在土壤中，一定时间后进行挖掘，经过清洗、称重等处理后，可计算出腐蚀失重率和腐蚀速率。失重法的测试方法稳定、简单，所测数据偏差值不大，并且符合实际。

通过大量实际工程得出，在大电流接地系统的接地电阻符合R≤0.5 Ω情况下，失重法的测试效果最优。因此对模拟的接地装置设置在电阻率较低的土壤中进行雷电冲击试验和工频电流试验，从中获得接地装置腐蚀的基本数据。在土壤电阻率相同的腐蚀条件下，利用重量指标表示腐蚀速率，重量指标是把金属试片因腐蚀造成的重量变化换算成相当于金属试片表面在单位时间的质量变化值。接地装置因腐蚀使其质量在腐蚀前后不等，其差值为腐蚀前与清除腐蚀产物后的质量之差，按式（1）、式（2）进行计算腐蚀速率:

式中：V1为失重腐蚀速率；V2为年腐蚀速率；W0为样品腐蚀前重量；W1为样品腐蚀后重量；S为样品表面积；t为腐蚀时间；ρ为金属密度。

2.2 自然环境下接地装置腐蚀速率

自然环境下接地装置腐蚀速率随时间变化曲线如图4 所示。试验数据取自长宽5 m×5 m，网格为2×2 的热镀锌扁钢接地装置在0.6 m 深土壤中自然腐蚀的结果。自然环境下接地装置腐蚀速率随时间变化趋势可表示为：

图4 自然环境下接地装置腐蚀速率Fig.4 Corrosion rate of grounding devices in natural environment

式中：Y1为自然环境下接地装置腐蚀速率；x为埋设在土壤中的天数；A1，B1，C1，D1为拟合曲线的系数。

自然环境下拟合曲线系数及各系数相关性系数如表1 所示。

表1 公式3中拟合系数及对应的相关性系数Table1 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation 3

自然环境下腐蚀速率的试验数据及拟合曲线表明，接地装置的腐蚀过程分为3 个阶段：

1）在初期阶段（0—100 d），接地装置在环境因素作用下的腐蚀速率迅速攀升，在第100 d 腐蚀速率达到峰值，峰值大约为6.1 mm/a。

2）随后在中期阶段（100—550 d），腐蚀速率呈现快速下降趋势。500 d 后，腐蚀速率开始缓慢下降，在第550 d 腐蚀速率达到最低值，约为1.1 mm/a。

3）最后在试验末期（550—600 d），腐蚀速率呈现缓慢上升趋势。在第600 d 腐蚀速率约为1.3 mm/a。

2.3 室外工频电流下接地装置腐蚀速率

室外工频电流下接地装置腐蚀速率随时间变化曲线如图5 所示。试验数据取自长宽5 m×5 m，网格为2 m×2 m 的热镀锌扁钢接地装置在1.0 m 深土壤中持续施加10 A 工频电流的结果。室外工频电流下接地装置腐蚀速率随时间变化趋势可表示为：

图5 室外工频电流下接地装置腐蚀速率Fig.5 Corrosion rate of grounding device under outdoor power frequency current

式中：Y2为室外工频电流下接地装置腐蚀速率；A2，B2，C2，D2为拟合曲线的系数。

室外工频电流下拟合曲线系数及各系数相关性系数如表2 所示。

表2 公式4中拟合系数及对应的相关性系数Table 2 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation 4

室外工频电流下接地装置腐蚀速率的试验数据及拟合曲线表明，接地装置的腐蚀过程分为2 个阶段：

1）在初期阶段（0—500 d），接地装置在环境因素和工频电流作用下腐蚀速率逐渐增加，腐蚀速率的提升较自然环境下腐蚀速率的提升相对平缓。在第500 d 腐蚀速率达到峰值，峰值大约为12.5 mm/a。

2）随后在末期阶段（500—600 d），腐蚀速率下降趋势非常明显，在第600 d 的时间腐蚀速率达到最低值，约为7.2 mm/a。

2.4 室内雷电流冲击下接地装置腐蚀速率

室内雷电流冲击下接地装置腐蚀速率随时间变化曲线如图6 所示。实验数据取自截面积不小于90 mm2扁钢接地装置在土壤中持续施加20 kA放电电流（正负极性各20 次）的结果。室内雷电流冲击下接地装置腐蚀速率随时间变化趋势可表示为：

图6 室内雷电流冲击下接地装置腐蚀速率Fig.6 Corrosion rate of grounding device under indoor lightning current

式中：Y3为室内雷电流冲击下腐蚀速率；A3，B3，C3，D3为拟合曲线的系数。

室内雷电流冲击下拟合曲线系数及各系数相关性系数如表3 所示。

表3 公式5中拟合系数及对应的相关性系数Table 3 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation5

室内雷电流冲击下接地装置腐蚀速率的试验数据及拟合曲线表明，接地装置的腐蚀过程分为2个阶段，其腐蚀速率变化趋势与室外工频电流作用下接地体的腐蚀规律类似。

1）在初期阶段（0—350 d），接地装置在环境因素和雷电冲击电流作用下的腐蚀速率逐渐增加，腐蚀速率的提升相对平缓。在第350 d 腐蚀速率达到峰值，峰值大约为6.0 mm/a。

2）随后在末期阶段（350—600 d），腐蚀速率随时间的增加出现下降趋势，在第600 d 腐蚀速率达到最低值，约为2.5 mm/a。

3 腐蚀机理分析

根据试验数据分析可知，外加电流和自然环境共同导致了接地装置的腐蚀，并且自然环境下镀锌扁钢接地装置的腐蚀机理与施加电流对镀锌扁钢的腐蚀作用有所区别。

3.1 未施加电流下接地网腐蚀机理

图7 为镀锌扁钢在酸性土壤环境中腐蚀示意图。由图7 可以看出在未施加电流情况下，自然环境中土壤内含有大量可溶于水的酸性或者碱性离子（如HCO3-、SO42-）[16-18]。在各类离子作用下，镀锌扁钢会与离子形成微型原电池，因此金属材料在土壤内都会受到不同程度的腐蚀作用。试验地广西南宁地区多为红土，呈偏酸性，因此主要以镀锌钢为例分析其在酸性环境中的腐蚀作用[19]。

图7 镀锌扁钢在酸性土壤环境中腐蚀示意图Fig.7 Diagram of galvanized flat steel corrosion in acid soil environment

在土壤中，扁钢表面的镀锌层腐蚀属于电化学反应过程。锌在被氧化的同时，氢离子或者电解质中的溶解氧被还原，产生氢气并逸出[20-21]。发生的氧化还原化学反应如下：

由于其类似电化学反应，镀锌层与杂质在可溶性盐桥连接下，锌膜作为阳极会失去电子，失去的电子与阴极中氢离子结合形成氢气[20-21]，阳极和阴极产生的反应如下：

因此在接地装置刚埋入地下时，镀锌层会在电化学反应的作用下迅速被腐蚀。并且初期镀锌层腐蚀形成的腐蚀产物都是较为疏松地附着在镀锌层表面，疏松的腐蚀产物有着大量的蜂窝状结构，土壤中的可溶性盐通过蜂窝状结构的孔隙仍然可与下层锌膜接触继续形成原电池结构，发生腐蚀，这是自然环境下镀锌扁钢接地装置腐蚀速率迅速攀升（0—100 d）的原因。

在中性或弱酸性（pH＞5.2）的环境下，钢板镀锌层经腐蚀后形成的混浊产物为非溶性化合物（氢氧化锌、氧化锌和碳酸锌），这些产物以沉淀形式析出，形成致密的薄层，一般可达8 μm 厚度。这种薄膜既有一定厚度又不易溶解于水，附着性也很强，即腐蚀产物形成的保护层愈发致密，孔隙内活性表面积大大减少。因此它能将外界环境与镀锌板隔离，起到屏障作用，从而防止腐蚀的进一步发展，这也是后期（100—550 d）腐蚀速率逐渐降低的原因。

当锌层被完全腐蚀导致保护作用消失后，土壤中的可溶性盐与扁钢接触时，首先会有类似镀锌层的电化学反应发生从而导致扁钢出现腐蚀点。另外，土壤中微生物（细菌）腐蚀的繁殖和新陈代谢会改变与之接触的材料界面的某些理化性质，从而导致腐蚀发生。其中以硫酸盐还原菌（Sulfatereducing Bacteria，SRB）为主，SRB 是在厌氧条件下使硫酸盐还原成硫化物的细菌，扁钢与之接触会形成铁氧化物或者氢氧化物的腐蚀产物。经典的去极化理论[22-24]认为，土壤中钢铁由于SBR 活动通过氢化酶将金属表面去氧，总反应式如下：。

其中，硫酸盐还原菌在缺氧环境下，通过去极化作用使SO42-被氧化，阴极和阳极化学反应如下：

SRB 引起的阴极去极化反应为：

式（12）表明SRB 能够与扁钢产生化学反应[25]，当镀锌层保护作用消失后，接地装置会进一步被腐蚀。这也是导致自然环境下在腐蚀末期接地装置腐蚀速率上升的可能原因之一。

3.2 电流冲击下接地网腐蚀机理

当工频电流或者雷电冲击电流发生时，电流会通过电阻较小的接地装置泄放入地，此时工频电流或者雷电冲击电流为接地装置提供电子，促使电解腐蚀作用的发生，而电解腐蚀作用会促使金属表面失去电子[26]。由于电流流入接地体的金属构件部分带有负电荷，且电位较高，此区域认为是阴极；而电流流出的金属构件区域带有正电荷，且电位较低，此区域认为是阳极。

由于阳极带有正电荷，因此阳极失去电子发生氧化反应，在接地装置上具体表现为镀锌层中的锌失去电子形成锌离子，如反应式（7），即阳极区域会发生锌离子不断由镀锌层进入土壤中而被腐蚀。当锌层被腐蚀后，扁钢也会发生类似反应即：

阳极失去的电子会通过电流回路从阳极流入阴极，这也是阴极带有负电荷的原因。当电子流入阴极时，阴极区域的金属构件发生还原反应[27]。对于土壤酸碱度不同的情况，还原反应略有区别。在酸性土壤中，阴极析出的氢离子会捕获电子生成氢气，即析氢反应，如反应式（8）；而在中性或者碱性土壤中，氧气和水会与电子发生反应形成氢氧根离子。偏酸性的南宁地区接地装置主要以析氢反应为主。

电解腐蚀与电化学腐蚀有很大区别，电解腐蚀主要是由于电位差的形成造成土壤中的金属发生腐蚀，因此腐蚀强度与电流大小密切相关。一般来说，工频电流或者雷电冲击电流都较大，对应的腐蚀速率和强度也将提高。这也是施加电流后接地装置的腐蚀速率要大于自然环境下接地装置腐蚀速率的原因。