电力工程中金属接地引下线的腐蚀行为研究

电力工程中金属接地引下线的腐蚀行为研究

王延磊

中油（新疆）石油工程有限公司设计分公司

【摘要】随着国民经济的快速发展，我国对电力的需求也在持续不断的快速增长。为了减少长距离输电线路上因输电电流过大而造成的电能损失，国家电网提出了以特高压为骨干的网架结构，这对接地系统的导电性能提出了更高的要求。而长期以来，我国接地网主要使用的是镀锌钢、扁钢、铜包钢等金属材料。由于接地网长期埋于地下，因此，一般在使用3~7年后就会因为腐蚀问题需要对接地网进行更换。若接地网的腐蚀情况比较严重，且不能及时对接地网进行更换，此时，接地网不能满足热稳定性，且由于腐蚀问题会导致接地网的整体电阻增大。当电力线路遭受雷击或发生短路故障时，电力线路设置的接地网不能快速将雷击电流或故障电流进行排散。当故障电流数值较大时甚至会烧断电力线路中所连接的电力设备，无法保证电力系统安全可靠的运行。

【关键词】电力工程；金属接地；腐蚀行为

由于接地网都是埋设在地下，在对接地网进行施工时，施工难度比较大并且施工费用也比较高。因此，为了减少资源和经济的浪费，一般要求接地网材料的使用寿命足够长。而金属接地材料一般都是因为发生腐蚀后导致接地电阻值增大，进一步影响接地网的导电性能使其不能为电力系统提供安全可靠的保证而必须进行更换。因此，选择耐腐蚀性高的接地材料用作接地引下线是延长接地网使用寿命的关键。新型接地材料柔性石墨不仅具有良好的导电性而且其耐腐蚀性能也比较优异，因此成了电力工程中应用和研究的热点。石墨基柔性接地材料是由膨化石墨和天然纤维经黏合剂黏合后绕制而成，因此其在物理性质上属于柔性材料，当地面下陷时石墨基柔性接地材料会跟随地面一起下陷，保证了石墨材料与土壤良好的贴合度，使接地网的接地电阻值不会发生大的变化，从而进一步提高了接地系统的导电性和可靠性。然而，由于柔性石墨材料在物理性质上是柔性的，不方便定型，因此输电线路的接地引下线部分依然使用的是镀锌钢等金属材料。由于镀锌钢与石墨材料的电极电位数值相差较大，在运行一段时间后与石墨基柔性接地体偶接的镀锌圆钢引下线会遭受到严重的腐蚀，尤其当土壤介质中存在氯离子时，接地引下线金属材料的部分腐蚀更为严重。

1输电线路接地用柔性石墨材料的结构及性能优势

输电线路用柔性石墨接地材料一般采用高纯度鳞片石墨（纯度≥95%），通过石墨氧化处理和高温膨化工艺制作成膨化石墨，并配合一定比例的无机纤维和合成纤维、水乳性粘接剂等材料，经辊压、热塑，及绞线成型工艺制备而成。其主要性能优势体现为：（1）相对常规接地金属材料，石墨的化学性质非常稳定。在酸性、碱性、盐渍土壤环境中耐腐蚀性能均远远优于圆钢、铜覆钢等传统金属接地材料，可降低接地装置的全寿命周期成本。（2）柔性石墨接地材料具有良好的导电性能和抗冲击特性。相关试验表明，柔性石墨接地体在120千安冲击电流作用下结构稳定，充分满足雷电流和线路短路电流的排散要求。柔性石墨复合接地材料具有良好的吸湿保湿能力，电阻率小、磁导率高、趋肤深度小，有效散流面积、耐冲击性能高于常规接地材料。（3）柔性石墨接地材料柔韧性好，在实际工程中布置非常方便，安装方式灵活；同时，柔性石墨接地材料表面与土壤粘合度高，接地体与土壤的接触电阻更低，更利于电流排散。

2金属材料腐蚀速率影响因素分析

测试了Cl离子对镀锌钢、304不锈钢、铜包钢腐蚀速率的影响，在含水率为15%的土壤中埋设180d后，镀锌钢、304不锈钢、铜包钢均出现了一定的腐蚀但是腐蚀的现象不明显，铜包钢的腐蚀较为严重。在土壤介质中加入Cl离子后，304不锈钢和铜包钢的腐蚀速率没有明显的增大，而镀锌钢的腐蚀速率明显增大，这是因为在金属材料未和石墨材料相连接时，金属材料主要发生的是氧化反应，而在发生腐蚀后，金属材料会在表面生一层氧化膜，从而阻止金属基体腐蚀的进一步发生。而当金属材料与石墨材料相连接后，金属材料不仅会发生氧化反应，还会因为有电势差的存在发生电化学反应，又由于氯离子的分子结构比较小，化学性质比较活泼，所以在与石墨带偶接后金属材料的腐蚀速度比未连接石墨带时的腐蚀速度加快。其中，镀锌钢的腐蚀速度加快的最为明显，这是因为镀锌钢的电极电位与石墨的电极电位相差的数值较大，因为在电势的作用下，会加快氯离子的流动，而活泼的氯离子会破坏镀锌钢的氧化锌薄膜，从而使镀锌钢的腐蚀速度加快。而对于304不锈钢和铜金属来讲，其腐蚀速度也有加快，但是速度变化的不太明显。当3种金属与石墨基柔性接地带可靠连接后，在相同试验条件下，3种金属材料的年平均腐蚀速率由大到小依次为：镀锌钢、铜包钢、304不锈钢，镀锌钢的年平均腐蚀速率较之前的试验结果增大了近8倍，这说明在Cl离子存在的情况下，石墨基柔性接地带对镀锌钢接地引下线的腐蚀影响最为显著，对304不锈钢的腐蚀影响不明显，这也与电化学试验的结果一致。

3接地体与金属引下线连接方案优化

柔性石墨材料较为柔软，即使是铠装石墨引下线，在受外力拖拽时也易导致与塔脚脱离连接，在受雨水冲刷时也易造成石墨流失，破坏和影响接地效果。因此，以镀锌圆钢等金属材料作为引下线与石墨接地装置在土壤中连接，仍是重要的连接方式。目前，金属引下线和柔性石墨接地体连接主要有螺栓压接和楔形压接。可将石墨缆用锌皮缠绕2~3圈，然后继续将石墨缆和镀锌钢缠绕2~3圈，使石墨材料与圆钢材料之间接触更加紧密，减少电位差，亦对镀锌钢形成阴极保护。缠绕完成后使用新型高强度非金属板材和螺栓进行压接，压接完成后使用沥青进行包裹，以限制电化学反应所需条件的形成

4结束语

1）在相同的Cl质量分数下，镀锌钢的耐腐蚀性最差，304不锈钢的耐腐蚀性最好。当土壤中Cl质量分数小于2%时，随着土壤中Cl质量分数的增大，3种金属材料的腐蚀速度不断加快。2）当土壤含水率为20%，土壤中Cl质量分数低于2%时，土壤介质中含有足量的氧气能够维持阴极材料上发生的吸氧反应，所以不会因为阴极反应过慢而引起阳极金属材料的钝化行为。3）当土壤介质中含有的Cl质量分数较大时，石墨基柔性接地装置不宜使用镀锌钢作为接地引下线。当对接地系统的导电性要求较低时，可以优先使用304不锈钢金属用作接地引下线。对接地系统的导电性要求较高时，可以使用铜金属用作接地引下线。

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