夏小飛，俸 波，蘇 毅，饒夏錦，蘆宇峰，李 斐

（1.廣西電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣西南寧 530023；2.廣西電力裝備智能控制與運維重點實驗室，廣西南寧 530023；3.廣西電網(wǎng)有限責任公司北海供電局，廣西北海 536000）

0 引言

在電力系統(tǒng)運行中接地裝置起著至關(guān)重要的作用，它不僅是電力系統(tǒng)的重要組成部分，而且還是保護人身及電力設(shè)備安全的重要措施。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和電壓等級的逐步提高，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求也日趨嚴格。接地裝置作為變電站的重要組成部分，不僅在工頻下為站內(nèi)提供保護接地和工作接地，還在雷擊、操作過電壓等極端情況下，起著將沖擊大電流泄放入地的作用，從而保護人員、設(shè)備和建筑物的安全。在多雷電地區(qū)，接地裝置的性能是變電站設(shè)計和生產(chǎn)運行重點關(guān)注的內(nèi)容之一。為使接地裝置的散流效果最佳，并能夠在地下環(huán)境作用下有一定防腐效果，目前變電站往往采用鍍鋅扁鋼作為接地體主材料。但由于鍍鋅層較薄，極易磕碰形成物理損傷點，在地下的接地裝置會以損傷點為中心出現(xiàn)腐蝕脫落情況，嚴重影響變電站甚至電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1-3]。

接地裝置在土壤中會發(fā)生化學腐蝕、電化學腐蝕及電解腐蝕（若存在電流通過接地體），腐蝕速率和程度與土壤電阻率、潮濕程度、酸堿度、含鹽量等密切相關(guān)[4-7]。當電流流過接地體時，接地體與土壤、電源等構(gòu)成電解模型，由于電位差的形成產(chǎn)生腐蝕[8-9]。國內(nèi)外研究機構(gòu)也對接地裝置防腐蝕進行了針對性研究。例如通過增大接地裝置截面對被腐蝕的部分進行彌補[10]。采用導電水泥或者瀝青包裹接地體的方式以防止其與外界土壤接觸達到防腐目的[7]。美國等采用對鋼材表面進行鍍鋅或者鍍銅來進行保護[11-12]，更有甚者直接采用諸如銅等耐腐蝕的金屬代替鋼材作為接地體的主材料[13]。

目前對于接地裝置腐蝕規(guī)律的研究開展廣泛，上海電力大學采用人工配置土研究了鍍鋁鋼、碳鋼和銅3 種材料在6 種酸堿度下以及不同電導率的土壤中的電解腐蝕情況，認為交流電流通過接地體產(chǎn)生的腐蝕作用輕于直流電流腐蝕，并且土壤電導率對交流電解作用的影響較小[5]。安徽電力科學研究院采用土壤電位梯度法和地電位連續(xù)監(jiān)測法研究雜散電流對于鍍鋅接地裝置腐蝕的影響，認為雜散電流對接地裝置的腐蝕十分明顯，應密切關(guān)注[14]。山東電力科學研究院通過研究認為在某些土壤腐蝕性強的地區(qū)，鍍鋅接地體在3—5 年內(nèi)就會被嚴重腐蝕[7]。陜西電網(wǎng)在對管轄變電站抽檢中發(fā)現(xiàn)多座變電站接地體的平均腐蝕速率為6.87 mm/a，最大腐蝕速率達到了12 mm/a[15]。這些研究并未在真實環(huán)境中得出系統(tǒng)性的接地裝置腐蝕變化規(guī)律，也沒有將自然環(huán)境、工頻電流、雷電沖擊電流等多種場景對接地裝置腐蝕變化的影響納入研究范圍。

本文研究自然環(huán)境、工頻電流、雷電沖擊電流3種情況對變電站接地裝置腐蝕的影響情況，搭建模擬接地裝置試驗模型，采用失重法進行腐蝕速率的分析。在廣西南寧室外分別進行自然環(huán)境下和工頻電流下接地裝置腐蝕試驗，在室內(nèi)雷電防護中心鐵銅容器土壤內(nèi)進行雷電沖擊電流下的接地裝置腐蝕試驗。通過試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雷電沖擊試驗和工頻電流試驗下接地裝置隨時間的腐蝕變化規(guī)律相似。另外，室外工頻電流下的接地裝置最高腐蝕速率和600 d 左右的最終腐蝕速率都要高于室外自然環(huán)境和室內(nèi)雷電流沖擊下的接地裝置腐蝕速率。

1 試品、布置方式和試驗方法

1.1 室內(nèi)實驗

在雷電防護中心實驗室內(nèi)進行接地裝置沖擊電流實驗，實驗裝置如圖1 所示，做長寬高各為1 m的2 個實驗桶，命名為1 號桶和2 號桶，底部放入一塊方形鐵板，桶內(nèi)填滿泥土。圖2 所示為工頻電流1 A 時的電阻率測量電路，其中包含（1）交流電壓源，（2）試驗變壓器，（3）電流表，（4）電壓表；（5）接地體。按圖2 所示的接線圖測量工頻電流1 A 時的電阻率，需滿足土壤電阻率為100 Ω·m 以下。采用2 根截面積不小于90 mm2扁鋼作為地極，2 根扁鋼經(jīng)除銹、清洗、干燥、稱重后分別埋入1 號、2 號桶中。

圖1 接地體布置示意圖Fig.1 Diagram of grounding body layout

圖2 工頻電流1 A時電阻率測量電路Fig.2 Resistivity measurement circuit when power frequency current is 1A

沖擊電流接線如圖3 所示，實驗波形滿足GB/T 16927.1 和GB/T 16927.2 的要求，其中包含（1）交流電壓源，（2）試驗變壓器，（3）電容器，（4）可變電阻，（5）可變電感，（6）開關(guān)，（7）接地體。對實驗樣品進行8/20 μs 沖擊電流實驗。施加20 kA 放電電流，正負極性各20 次，持續(xù)一定周期。每個階段采用失重法計算腐蝕速率，從而構(gòu)建一種腐蝕接地網(wǎng)判斷、檢測方法，以有效分析雷電沖擊對腐蝕接地網(wǎng)的影響。

圖3 沖擊電流測量電路示意圖Fig.3 Diagram of impulse current measurement circuit

1.2 室外試驗

1）在室外做地網(wǎng)腐蝕試驗，采用長寬5 m×5 m，網(wǎng)格為2 m×2 m 的熱鍍鋅扁鋼做水平接地體。第1組地網(wǎng)經(jīng)除銹、清洗、干燥和稱重后，埋設(shè)在室外現(xiàn)場的0.6 m 深土壤中，經(jīng)一定周期取出接地體，除銹、稱重后，用質(zhì)量損失法計算平均腐蝕速率，測量試片的點蝕深度，計算最大腐蝕速率。

2）室外工頻電流下接地裝置腐蝕試驗采用長寬5 m×5 m，網(wǎng)格為2 m×2 m 的熱鍍鋅扁鋼做水平接地體，第2 組地網(wǎng)經(jīng)除銹、清洗、干燥和稱重后，按其間距20 cm 埋入壓實無間隙的土壤中，埋入地下1 m 左右。連接工頻電流試驗箱導線，分別連接兩塊接地體，對其施加10 A 電流。經(jīng)一定周期反復通電后，取出試片，按常規(guī)清凈處理，再計算平均腐蝕速率。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 分析方法

接地裝置金屬材料被腐蝕后，其重量、尺寸和形狀、金相組織和機械性能都會發(fā)生變化，這些物理和力學性能的變化可反映金屬被腐蝕的程度。金屬腐蝕的速度表示為不同破壞形式的變化率，即失重法。該試驗方法按一定的試驗周期，將待測量金屬埋設(shè)在土壤中，一定時間后進行挖掘，經(jīng)過清洗、稱重等處理后，可計算出腐蝕失重率和腐蝕速率。失重法的測試方法穩(wěn)定、簡單，所測數(shù)據(jù)偏差值不大，并且符合實際。

通過大量實際工程得出，在大電流接地系統(tǒng)的接地電阻符合R≤0.5 Ω情況下，失重法的測試效果最優(yōu)。因此對模擬的接地裝置設(shè)置在電阻率較低的土壤中進行雷電沖擊試驗和工頻電流試驗，從中獲得接地裝置腐蝕的基本數(shù)據(jù)。在土壤電阻率相同的腐蝕條件下，利用重量指標表示腐蝕速率，重量指標是把金屬試片因腐蝕造成的重量變化換算成相當于金屬試片表面在單位時間的質(zhì)量變化值。接地裝置因腐蝕使其質(zhì)量在腐蝕前后不等，其差值為腐蝕前與清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量之差，按式（1）、式（2）進行計算腐蝕速率:

式中：V1為失重腐蝕速率；V2為年腐蝕速率；W0為樣品腐蝕前重量；W1為樣品腐蝕后重量；S為樣品表面積；t為腐蝕時間；ρ為金屬密度。

2.2 自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率

自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率隨時間變化曲線如圖4 所示。試驗數(shù)據(jù)取自長寬5 m×5 m，網(wǎng)格為2×2 的熱鍍鋅扁鋼接地裝置在0.6 m 深土壤中自然腐蝕的結(jié)果。自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率隨時間變化趨勢可表示為：

圖4 自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率Fig.4 Corrosion rate of grounding devices in natural environment

式中：Y1為自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率；x為埋設(shè)在土壤中的天數(shù)；A1，B1，C1，D1為擬合曲線的系數(shù)。

自然環(huán)境下擬合曲線系數(shù)及各系數(shù)相關(guān)性系數(shù)如表1 所示。

表1 公式3中擬合系數(shù)及對應的相關(guān)性系數(shù)Table1 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation 3

自然環(huán)境下腐蝕速率的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線表明，接地裝置的腐蝕過程分為3 個階段：

1）在初期階段（0—100 d），接地裝置在環(huán)境因素作用下的腐蝕速率迅速攀升，在第100 d 腐蝕速率達到峰值，峰值大約為6.1 mm/a。

2）隨后在中期階段（100—550 d），腐蝕速率呈現(xiàn)快速下降趨勢。500 d 后，腐蝕速率開始緩慢下降，在第550 d 腐蝕速率達到最低值，約為1.1 mm/a。

3）最后在試驗末期（550—600 d），腐蝕速率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。在第600 d 腐蝕速率約為1.3 mm/a。

2.3 室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率

室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率隨時間變化曲線如圖5 所示。試驗數(shù)據(jù)取自長寬5 m×5 m，網(wǎng)格為2 m×2 m 的熱鍍鋅扁鋼接地裝置在1.0 m 深土壤中持續(xù)施加10 A 工頻電流的結(jié)果。室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率隨時間變化趨勢可表示為：

圖5 室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率Fig.5 Corrosion rate of grounding device under outdoor power frequency current

式中：Y2為室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率；A2，B2，C2，D2為擬合曲線的系數(shù)。

室外工頻電流下擬合曲線系數(shù)及各系數(shù)相關(guān)性系數(shù)如表2 所示。

表2 公式4中擬合系數(shù)及對應的相關(guān)性系數(shù)Table 2 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation 4

室外工頻電流下接地裝置腐蝕速率的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線表明，接地裝置的腐蝕過程分為2 個階段：

1）在初期階段（0—500 d），接地裝置在環(huán)境因素和工頻電流作用下腐蝕速率逐漸增加，腐蝕速率的提升較自然環(huán)境下腐蝕速率的提升相對平緩。在第500 d 腐蝕速率達到峰值，峰值大約為12.5 mm/a。

2）隨后在末期階段（500—600 d），腐蝕速率下降趨勢非常明顯，在第600 d 的時間腐蝕速率達到最低值，約為7.2 mm/a。

2.4 室內(nèi)雷電流沖擊下接地裝置腐蝕速率

室內(nèi)雷電流沖擊下接地裝置腐蝕速率隨時間變化曲線如圖6 所示。實驗數(shù)據(jù)取自截面積不小于90 mm2扁鋼接地裝置在土壤中持續(xù)施加20 kA放電電流（正負極性各20 次）的結(jié)果。室內(nèi)雷電流沖擊下接地裝置腐蝕速率隨時間變化趨勢可表示為：

圖6 室內(nèi)雷電流沖擊下接地裝置腐蝕速率Fig.6 Corrosion rate of grounding device under indoor lightning current

式中：Y3為室內(nèi)雷電流沖擊下腐蝕速率；A3，B3，C3，D3為擬合曲線的系數(shù)。

室內(nèi)雷電流沖擊下擬合曲線系數(shù)及各系數(shù)相關(guān)性系數(shù)如表3 所示。

表3 公式5中擬合系數(shù)及對應的相關(guān)性系數(shù)Table 3 Fitting coefficient and corresponding correlation coefficient in Equation5

室內(nèi)雷電流沖擊下接地裝置腐蝕速率的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線表明，接地裝置的腐蝕過程分為2個階段，其腐蝕速率變化趨勢與室外工頻電流作用下接地體的腐蝕規(guī)律類似。

1）在初期階段（0—350 d），接地裝置在環(huán)境因素和雷電沖擊電流作用下的腐蝕速率逐漸增加，腐蝕速率的提升相對平緩。在第350 d 腐蝕速率達到峰值，峰值大約為6.0 mm/a。

2）隨后在末期階段（350—600 d），腐蝕速率隨時間的增加出現(xiàn)下降趨勢，在第600 d 腐蝕速率達到最低值，約為2.5 mm/a。

3 腐蝕機理分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，外加電流和自然環(huán)境共同導致了接地裝置的腐蝕，并且自然環(huán)境下鍍鋅扁鋼接地裝置的腐蝕機理與施加電流對鍍鋅扁鋼的腐蝕作用有所區(qū)別。

3.1 未施加電流下接地網(wǎng)腐蝕機理

圖7 為鍍鋅扁鋼在酸性土壤環(huán)境中腐蝕示意圖。由圖7 可以看出在未施加電流情況下，自然環(huán)境中土壤內(nèi)含有大量可溶于水的酸性或者堿性離子（如HCO3-、SO42-）[16-18]。在各類離子作用下，鍍鋅扁鋼會與離子形成微型原電池，因此金屬材料在土壤內(nèi)都會受到不同程度的腐蝕作用。試驗地廣西南寧地區(qū)多為紅土，呈偏酸性，因此主要以鍍鋅鋼為例分析其在酸性環(huán)境中的腐蝕作用[19]。

圖7 鍍鋅扁鋼在酸性土壤環(huán)境中腐蝕示意圖Fig.7 Diagram of galvanized flat steel corrosion in acid soil environment

在土壤中，扁鋼表面的鍍鋅層腐蝕屬于電化學反應過程。鋅在被氧化的同時，氫離子或者電解質(zhì)中的溶解氧被還原，產(chǎn)生氫氣并逸出[20-21]。發(fā)生的氧化還原化學反應如下：

由于其類似電化學反應，鍍鋅層與雜質(zhì)在可溶性鹽橋連接下，鋅膜作為陽極會失去電子，失去的電子與陰極中氫離子結(jié)合形成氫氣[20-21]，陽極和陰極產(chǎn)生的反應如下：

因此在接地裝置剛埋入地下時，鍍鋅層會在電化學反應的作用下迅速被腐蝕。并且初期鍍鋅層腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物都是較為疏松地附著在鍍鋅層表面，疏松的腐蝕產(chǎn)物有著大量的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，土壤中的可溶性鹽通過蜂窩狀結(jié)構(gòu)的孔隙仍然可與下層鋅膜接觸繼續(xù)形成原電池結(jié)構(gòu)，發(fā)生腐蝕，這是自然環(huán)境下鍍鋅扁鋼接地裝置腐蝕速率迅速攀升（0—100 d）的原因。

在中性或弱酸性（pH＞5.2）的環(huán)境下，鋼板鍍鋅層經(jīng)腐蝕后形成的混濁產(chǎn)物為非溶性化合物（氫氧化鋅、氧化鋅和碳酸鋅），這些產(chǎn)物以沉淀形式析出，形成致密的薄層，一般可達8 μm 厚度。這種薄膜既有一定厚度又不易溶解于水，附著性也很強，即腐蝕產(chǎn)物形成的保護層愈發(fā)致密，孔隙內(nèi)活性表面積大大減少。因此它能將外界環(huán)境與鍍鋅板隔離，起到屏障作用，從而防止腐蝕的進一步發(fā)展，這也是后期（100—550 d）腐蝕速率逐漸降低的原因。

當鋅層被完全腐蝕導致保護作用消失后，土壤中的可溶性鹽與扁鋼接觸時，首先會有類似鍍鋅層的電化學反應發(fā)生從而導致扁鋼出現(xiàn)腐蝕點。另外，土壤中微生物（細菌）腐蝕的繁殖和新陳代謝會改變與之接觸的材料界面的某些理化性質(zhì)，從而導致腐蝕發(fā)生。其中以硫酸鹽還原菌（Sulfatereducing Bacteria，SRB）為主，SRB 是在厭氧條件下使硫酸鹽還原成硫化物的細菌，扁鋼與之接觸會形成鐵氧化物或者氫氧化物的腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)典的去極化理論[22-24]認為，土壤中鋼鐵由于SBR 活動通過氫化酶將金屬表面去氧，總反應式如下：。

其中，硫酸鹽還原菌在缺氧環(huán)境下，通過去極化作用使SO42-被氧化，陰極和陽極化學反應如下：

SRB 引起的陰極去極化反應為：

式（12）表明SRB 能夠與扁鋼產(chǎn)生化學反應[25]，當鍍鋅層保護作用消失后，接地裝置會進一步被腐蝕。這也是導致自然環(huán)境下在腐蝕末期接地裝置腐蝕速率上升的可能原因之一。

3.2 電流沖擊下接地網(wǎng)腐蝕機理

當工頻電流或者雷電沖擊電流發(fā)生時，電流會通過電阻較小的接地裝置泄放入地，此時工頻電流或者雷電沖擊電流為接地裝置提供電子，促使電解腐蝕作用的發(fā)生，而電解腐蝕作用會促使金屬表面失去電子[26]。由于電流流入接地體的金屬構(gòu)件部分帶有負電荷，且電位較高，此區(qū)域認為是陰極；而電流流出的金屬構(gòu)件區(qū)域帶有正電荷，且電位較低，此區(qū)域認為是陽極。

由于陽極帶有正電荷，因此陽極失去電子發(fā)生氧化反應，在接地裝置上具體表現(xiàn)為鍍鋅層中的鋅失去電子形成鋅離子，如反應式（7），即陽極區(qū)域會發(fā)生鋅離子不斷由鍍鋅層進入土壤中而被腐蝕。當鋅層被腐蝕后，扁鋼也會發(fā)生類似反應即：

陽極失去的電子會通過電流回路從陽極流入陰極，這也是陰極帶有負電荷的原因。當電子流入陰極時，陰極區(qū)域的金屬構(gòu)件發(fā)生還原反應[27]。對于土壤酸堿度不同的情況，還原反應略有區(qū)別。在酸性土壤中，陰極析出的氫離子會捕獲電子生成氫氣，即析氫反應，如反應式（8）；而在中性或者堿性土壤中，氧氣和水會與電子發(fā)生反應形成氫氧根離子。偏酸性的南寧地區(qū)接地裝置主要以析氫反應為主。

電解腐蝕與電化學腐蝕有很大區(qū)別，電解腐蝕主要是由于電位差的形成造成土壤中的金屬發(fā)生腐蝕，因此腐蝕強度與電流大小密切相關(guān)。一般來說，工頻電流或者雷電沖擊電流都較大，對應的腐蝕速率和強度也將提高。這也是施加電流后接地裝置的腐蝕速率要大于自然環(huán)境下接地裝置腐蝕速率的原因。

4 結(jié)論

接地裝置在土壤環(huán)境中腐蝕情況非常復雜，腐蝕不可避免。本文采用雷電流沖擊形式和工頻電流入地形式進行模擬實驗，通過失重法研究比較自然環(huán)境、工頻電流、雷電沖擊電流3 種情況對變電站接地裝置腐蝕的影響情況。主要結(jié)論如下：

1）接地裝置在電流環(huán)境中腐蝕速率與時間的關(guān)系呈現(xiàn)比較一致的規(guī)律，都增大了接地裝置腐蝕速率和腐蝕時間。

2）在工頻電流試驗下，工頻電流對接地裝置的腐蝕造成的影響比較大，腐蝕速率在一定時間范圍內(nèi)持續(xù)升高，達到峰值后腐蝕速率下降緩慢。

3）雷電流和工頻電流均對接地裝置的腐蝕造成了影響。根據(jù)化學反應條件，電流電荷起到了催化劑的作用。由于雷電流作用時間極短，雖然會殘留一定的電荷，但是對比工頻電流產(chǎn)生的大量電荷和長時間作用，雷電流對接地體造成的影響要弱于工頻電流。