接地網(wǎng)金屬材料分析論文

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摘要：研究經(jīng)濟(jì)有效的耐蝕接地網(wǎng)金屬材料對于提高電網(wǎng)工作穩(wěn)定性有重要意義。用電化學(xué)測試方法及電解試驗方法在實驗室進(jìn)行了金屬材料耐蝕性能篩選試驗，并在變電站現(xiàn)場進(jìn)行了小型埋置試驗。試驗結(jié)果表明，金屬材料CL2的耐蝕性能比普通碳鋼高5~7倍，這對于延長接地網(wǎng)使用壽命具有重要意義；鍍鋅鋼作為接地材料對于延長接地網(wǎng)使用壽命實際作用不太顯著。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；耐蝕金屬材料；電化學(xué)測試

1引言

變電站容量的擴(kuò)大對接地網(wǎng)安全運行的要求更為嚴(yán)格，對接地體的熱穩(wěn)定性的要求更高。在我國，由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普通碳鋼。接地網(wǎng)腐蝕通常呈現(xiàn)局部腐蝕形態(tài)，發(fā)生腐蝕后接地網(wǎng)碳鋼材料變脆、起層、松散，甚至發(fā)生斷裂。某鹽堿性土壤變電站現(xiàn)場與接地網(wǎng)連接的普通碳鋼試片埋置2年后的表面情況。一般性土壤變電站現(xiàn)場與接地網(wǎng)連接的普通碳鋼試片埋置226天后的表面情況。無論在鹽堿性土壤中還是在一般性土壤中，接地網(wǎng)的碳鋼試片腐蝕是非常嚴(yán)重的，其表面有許多局部腐蝕坑，試片邊緣也不完整。

腐蝕是導(dǎo)致接地體事故擴(kuò)大的一個主要原因。因為對于運行多年的接地網(wǎng)而言，由于腐蝕性土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備等運行中的泄流造成的腐蝕使得接地體截面減小，甚至斷裂，造成接地性能不良，不能滿足熱穩(wěn)定性的要求，因而電路電流將會燒壞接地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其它主設(shè)備的毀壞事故，還會危及人身安全。由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，一旦腐蝕嚴(yán)重到使接地網(wǎng)的接地電阻不合格，甚至局部斷裂時，對接地網(wǎng)的翻修改造是相當(dāng)費勁和困難的，費用也是巨大的。因此防止接地網(wǎng)腐蝕，保證接地性能的穩(wěn)定性，延長接地網(wǎng)的使用壽命，是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所迫切需要解決的課題。

對于接地網(wǎng)防腐蝕的研究，目前國內(nèi)主要有兩條路線[1]，一是研制耐蝕性能優(yōu)良而且經(jīng)濟(jì)性好的導(dǎo)電材料以取代目前普遍使用的碳鋼；二是采用電化學(xué)保護(hù)技術(shù)以減緩正在服役的接地網(wǎng)的腐蝕速度，延長使用壽命。原武漢水利電力大學(xué)“接地網(wǎng)防蝕研究及應(yīng)用”課題組經(jīng)過長期大量的試驗，已經(jīng)篩選出耐蝕性能優(yōu)良且價格合理的材料，可以取代目前廣泛使用的普通碳鋼。

2試驗情況

由于接地網(wǎng)土壤腐蝕是一個緩慢過程，因此為了能快速優(yōu)選出所需的材料，在實驗室里進(jìn)行了電化學(xué)測試，試驗測試方法包括極化曲線、交流阻抗和動電位掃描。由于變電站接地網(wǎng)要承受雷電流及電網(wǎng)不平衡電流的泄流作用，因此在對材料進(jìn)行篩選時必須了解材料的耐電解電流腐蝕的性能，為此在實驗室里進(jìn)行了材料的電解試驗。試驗所用土壤介質(zhì)的理化性質(zhì)分析結(jié)果，其自腐蝕電位為-688mV。根據(jù)德國DIN50929土壤腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)評價該土壤為腐蝕性土壤[2]。試驗所篩選的材料為2種稀土鋼材（CL4和CL5）及3種常見表面處理的合金鋼（CL1、CL2和CL3）。為了便于對比，試驗還使用了普通碳鋼及鍍鋅鋼。根據(jù)實驗室初步試驗的結(jié)果，在變電站現(xiàn)場土壤中埋置了一定數(shù)量的材料試片以了解材料在變電站土壤現(xiàn)場中的耐蝕性能。

（1）極化曲線測試

1）試驗條件

試驗采用三電極體系，即工作電極、參比電極和輔助陽極。其中工作電極是將各種材料制作成體積為1cm3的小塊，留出一表面作為研究面，其余表面用環(huán)氧樹脂密封；參比電極為飽和甘汞電極，通過魯金毛細(xì)管插入電解池；輔助陽極為鉑電極。試驗介質(zhì)為土壤水土比為5:1的浸出液。試驗所用儀器為TD3690型恒電位儀，HD-1A型信號發(fā)生器及3086-1AX-Y型記錄儀。

試驗時，起掃電位的選擇是陽極極化時起掃電位比自腐蝕電位低100mV，陰極極化時起掃電位比自腐蝕電位高100mV。每次掃描的速度為2mV/s。

2）試驗數(shù)據(jù)處理

采用BETACRUNCH（VERSION）程序進(jìn)行計算。

（2）交流阻抗測試

1）試驗條件

試驗采用三電極體系，介質(zhì)為水土比為5:1的土壤浸出液和水土比為2:1的泥漿，試驗使用的儀器為EG&G公司的交流阻抗測試儀，包括鎖相放大器，M283恒電位儀。計算機(jī)3個硬件部分通過GPIB總線連接起來。軟件為M398阻抗數(shù)據(jù)專用測量軟件。

2）數(shù)據(jù)處理

以頻率最低處的阻抗值（|Z|0.05）來表征材料在介質(zhì)中的耐蝕性能。|Z|0.05越高，說明材料的耐蝕性能越好，反之亦然[3]。

（3）電解測試

電解時試驗材料與直流電源正極連接，用石墨棒作為陰極與直流電源的負(fù)極連接，電解所用介質(zhì)為變電站土壤的水土比為2:1的泥漿，電解時間為3h，電解電流為64.0mA，槽壓為150V。

3試驗結(jié)果和討論

3.1極化曲線測試

極化曲線測試試驗的結(jié)果可見，在這些土壤介質(zhì)中，材料CL1、CL2的腐蝕速率較其它材料低，其耐蝕性能較好。

3.2交流阻抗測試

試驗結(jié)果可見，材料CL1、CL2的阻抗值明顯高于其它材料，比普通碳鋼高出2個數(shù)量級。材料CL4、CL5的耐蝕性能與普通碳鋼差不多，甚至有時還不如普通碳鋼。

3.3電解測試

從試驗結(jié)果可以看出，鍍鋅鋼耐電流電解腐蝕性能較差，材料CL1和CL2的耐電流電解腐蝕性能較好，其耐蝕性能比普通碳鋼要高得多。電解結(jié)束后觀察材料表面可以看出，鍍鋅鋼表面的鍍層出現(xiàn)了局部剝離現(xiàn)象，而其它材料表面均沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

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3.4現(xiàn)場埋置試驗

不同材料制作的試片在變電站現(xiàn)場土壤中埋置624天后挖出，經(jīng)過表面處理后測定材料的腐蝕速率，結(jié)果可見，材料CL1和CL2的腐蝕速率較碳鋼及鍍鋅鋼要小得多。

同種材料，當(dāng)與接地網(wǎng)連接時其腐蝕速率高于接地網(wǎng)不連接時的腐蝕速率，原因是與接地網(wǎng)連接的試片除了要受到土壤自然腐蝕作用外，還要受到變電站接地網(wǎng)泄流時的電流電解腐蝕。

在變電站土壤現(xiàn)場埋置試驗過程中發(fā)現(xiàn)，與接地網(wǎng)連接的鍍鋅鋼材料在不到1年時間其表面鍍鋅層就已經(jīng)被電解腐蝕掉，而未與接地網(wǎng)連接的鍍鋅鋼材料其表面鍍鋅層卻完好。從現(xiàn)場埋置材料試片測定的腐蝕速率結(jié)果也可以看出，鍍鋅鋼用作接地網(wǎng)材料時其耐蝕性能較普通碳鋼沒有多大提高，因此用鍍鋅鋼材料來延長接地網(wǎng)使用壽命意義不大。

4結(jié)論

（1）在土壤腐蝕性較嚴(yán)重的地區(qū)，為了延長接地網(wǎng)使用壽命，在設(shè)計時往往考慮采用鍍鋅鋼。其防腐蝕的原理是鋅的腐蝕電位較普通碳鋼的低，在土壤介質(zhì)中鋅優(yōu)先被腐蝕掉從而保護(hù)了普通碳鋼，達(dá)到延長碳鋼使用壽命的目的。在沒有電流作用下，鍍鋅鋼的使用壽命的確較長，在變電站土壤現(xiàn)場埋置試驗的結(jié)論也是如此。但是作為接地材料，由于其要受到接地電流的作用，鍍鋅鋼表面的鍍鋅層很快就會被電解掉，因而鍍鋅鋼對延長接地網(wǎng)的使用壽命實際作用不大。

（2）根據(jù)實驗室電化學(xué)測試的結(jié)果可知，無論是在土壤浸出液中還是在土壤泥漿中，材料CL2的耐蝕性能較其他材料的耐蝕性能好，是普通碳鋼耐蝕性能的5~7倍。

（3）經(jīng)試驗測試表明，材料CL1和CL2的耐蝕性能較普通碳鋼要強(qiáng)得多，這對于延長變電站接地網(wǎng)的使用壽命，確保接地網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行具有重大意義。同時考慮材料的經(jīng)濟(jì)性及來源等因素，本文推薦用非銅質(zhì)材料CL2替代普通碳鋼用于接地網(wǎng)防腐蝕。

參考文獻(xiàn)

[1]許崇武，胡學(xué)文，彭泉光，等．接地網(wǎng)防蝕研究及應(yīng)用[R]．武漢：武漢水利電力大學(xué)，2000．

[2]王光雍，王海江，銀耀德，等．自然環(huán)境的腐蝕與防護(hù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997．

[3]吳麗蓉，胡學(xué)文，許崇武（WuLirong，HuXuewen，XuChongwu）．用EIS快速評估有機(jī)涂層防護(hù)性能的方法（MethodsforevaluatingtheperformanceofprotectivecoatingswithEIS）[J]．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)（CorrosionScienceandProtectionTechnology），2000，(3)：182