接地網金屬材料分析論文

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摘要：研究經濟有效的耐蝕接地網金屬材料對于提高電網工作穩定性有重要意義。用電化學測試方法及電解試驗方法在實驗室進行了金屬材料耐蝕性能篩選試驗，并在變電站現場進行了小型埋置試驗。試驗結果表明，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使用壽命實際作用不太顯著。

關鍵詞：接地網；耐蝕金屬材料；電化學測試

1引言

變電站容量的擴大對接地網安全運行的要求更為嚴格，對接地體的熱穩定性的要求更高。在我國，由于資源、經濟等原因，接地網所用的材質主要為普通碳鋼。接地網腐蝕通常呈現局部腐蝕形態，發生腐蝕后接地網碳鋼材料變脆、起層、松散，甚至發生斷裂。某鹽堿性土壤變電站現場與接地網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場與接地網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，接地網的碳鋼試片腐蝕是非常嚴重的，其表面有許多局部腐蝕坑，試片邊緣也不完整。

腐蝕是導致接地體事故擴大的一個主要原因。因為對于運行多年的接地網而言，由于腐蝕性土壤環境中的電化學腐蝕以及電網設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，不能滿足熱穩定性的要求，因而電路電流將會燒壞接地網，使得變電站內出現高電位差，造成其它主設備的毀壞事故，還會危及人身安全。由于接地網埋設在地下，一旦腐蝕嚴重到使接地網的接地電阻不合格，甚至局部斷裂時，對接地網的翻修改造是相當費勁和困難的，費用也是巨大的。因此防止接地網腐蝕，保證接地性能的穩定性，延長接地網的使用壽命，是電力系統安全經濟生產所迫切需要解決的課題。

對于接地網防腐蝕的研究，目前國內主要有兩條路線[1]，一是研制耐蝕性能優良而且經濟性好的導電材料以取代目前普遍使用的碳鋼；二是采用電化學保護技術以減緩正在服役的接地網的腐蝕速度，延長使用壽命。原武漢水利電力大學“接地網防蝕研究及應用”課題組經過長期大量的試驗，已經篩選出耐蝕性能優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

由于接地網土壤腐蝕是一個緩慢過程，因此為了能快速優選出所需的材料，在實驗室里進行了電化學測試，試驗測試方法包括極化曲線、交流阻抗和動電位掃描。由于變電站接地網要承受雷電流及電網不平衡電流的泄流作用，因此在對材料進行篩選時必須了解材料的耐電解電流腐蝕的性能，為此在實驗室里進行了材料的電解試驗。試驗所用土壤介質的理化性質分析結果，其自腐蝕電位為-688mV。根據德國DIN50929土壤腐蝕性評價標準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。根據實驗室初步試驗的結果，在變電站現場土壤中埋置了一定數量的材料試片以了解材料在變電站土壤現場中的耐蝕性能。

（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，其余表面用環氧樹脂密封；參比電極為飽和甘汞電極，通過魯金毛細管插入電解池；輔助陽極為鉑電極。試驗介質為土壤水土比為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）試驗數據處理

采用BETACRUNCH（VERSION）程序進行計算。

（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3個硬件部分通過GPIB總線連接起來。軟件為M398阻抗數據專用測量軟件。

2）數據處理

以頻率最低處的阻抗值（|Z|0.05）來表征材料在介質中的耐蝕性能。|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極連接，電解所用介質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試驗結果和討論

3.1極化曲線測試

極化曲線測試試驗的結果可見，在這些土壤介質中，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。電解結束后觀察材料表面可以看出，鍍鋅鋼表面的鍍層出現了局部剝離現象，而其它材料表面均沒有出現這種現象。

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3.4現場埋置試驗

不同材料制作的試片在變電站現場土壤中埋置624天后挖出，經過表面處理后測定材料的腐蝕速率，結果可見，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，當與接地網連接時其腐蝕速率高于接地網不連接時的腐蝕速率，原因是與接地網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泄流時的電流電解腐蝕。

在變電站土壤現場埋置試驗過程中發現，與接地網連接的鍍鋅鋼材料在不到1年時間其表面鍍鋅層就已經被電解腐蝕掉，而未與接地網連接的鍍鋅鋼材料其表面鍍鋅層卻完好。從現場埋置材料試片測定的腐蝕速率結果也可以看出，鍍鋅鋼用作接地網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使用壽命意義不大。

4結論

（1）在土壤腐蝕性較嚴重的地區，為了延長接地網使用壽命，在設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，在土壤介質中鋅優先被腐蝕掉從而保護了普通碳鋼，達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，在變電站土壤現場埋置試驗的結論也是如此。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的使用壽命實際作用不大。

（2）根據實驗室電化學測試的結果可知，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）經試驗測試表明，材料CL1和CL2的耐蝕性能較普通碳鋼要強得多，這對于延長變電站接地網的使用壽命，確保接地網安全經濟運行具有重大意義。同時考慮材料的經濟性及來源等因素，本文推薦用非銅質材料CL2替代普通碳鋼用于接地網防腐蝕。

參考文獻

[1]許崇武，胡學文，彭泉光，等．接地網防蝕研究及應用[R]．武漢：武漢水利電力大學，2000．

[2]王光雍，王海江，銀耀德，等．自然環境的腐蝕與防護[M]．北京：化學工業出版社，1997．

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