張 宇

（國網黑龍江省送變電工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

相比于常規(guī)的鍍鋅防腐措施，陰極保護防腐技術在使用成本、維護難度、保護效果等方面均有明顯優(yōu)勢。在使用外加電流的陰極保護技術時，一方面要了解接地網所在區(qū)域的土壤條件，包括土壤電阻率、pH值、可溶性鹽含量等，在此基礎上選擇合適的電極材料、設計科學的陰極保護方案；另一方面還要引入自動控制系統(tǒng)，根據不同區(qū)域的具體情況，靈活調節(jié)接地網陰極保護系統(tǒng)的輸出電流和輸出電壓。只有始終保持極化電位值最佳，才能兼顧經濟效益和保護效果，彰顯接地網陰極保護防腐技術的應用優(yōu)勢。

1 變電站概況

某110 kV 變電站于2002 年建成并投入使用，修建時選擇普通碳鋼作為接地網材料。該變電站自運行以來，雖然每隔幾年會進行一次接地網的檢查、維修，但是由于土壤中鹽分較大（可溶性鹽203 g/100 g 土、pH8.3～8.5），碳鋼接地網已經出現(xiàn)了比較嚴重的銹蝕現(xiàn)象，必須要采取防腐措施?？紤]到該變電站接地網的腐蝕以電化學腐蝕為主，需要針對性的采取電化學保護技術。可供選擇的方案有犧牲陽極材料的陰極保護法和外加電流的陰極保護法2 種。由于變電站接地網覆蓋面積廣，如果選擇犧牲陽極的電化學保護，需要使用大量的陽極材料，并且由于陽極材料消耗較快，每隔一段時間需要更換一次材料，因此成本較高、維護工作量大。相比之下，外加電流的電化學保護，只需要提供外部電源、持續(xù)輸入電流，即可使被保護的接地網材料免遭腐蝕[1]。

2 基于陰極保護原理的變電站接地網防腐方案

2.1 陰極保護電流密度的計算

在選定外加電流的變電站接地網防腐保護技術后，為了達到理想的防腐效果還要計算最佳的陰極保護電流密度。這樣就可以利用自動控制裝置，靈活調節(jié)外加電流的大小，在滿足防腐需要的前提下，減少電能的浪費，達到節(jié)能降本的效果。對于碳鋼接地網來說，影響其陰極保護電流的因素較多，例如土壤中鹽分與水分的含量，以及接地網表面腐蝕狀態(tài)等。國外執(zhí)行標準為10～100 mA/m2，本研究根據接地網所在地區(qū)的土壤條件，將保護電流密度設定為60 mA/m2。因此，該變電站接地網在陰極保護中需要提供的外接電流（I）為：

I=i×S=60mA/m2×148m2=8880mA=8.88A （1）

結合地質勘察結果，該變電站所在地區(qū)為輕度鹽堿性土壤。為了延長電極的使用壽命，本研究使用了WDFY-711 電極，這種電極除了排流量大、消耗量低等特點外，還有易于安裝等優(yōu)勢。假設該電極的使用壽命為30 年，則該變電站接地網的陰極保護方案中共需要WDFY-711 電極的質量（M）為：

式中：T 為電極的壽命，此處取30 年；g 為電極的消耗率，為0.16 kg/A·a；K 為電極有效利用系數(shù)，取0.5；I為工作電流，結合上文計算取8.88 A。將各數(shù)據帶入上式后，求得M=85.25 kg，即該變電站接地網外加電流防腐保護中，要想使電極壽命達到30 年，共需要85.25 kg 的電極材料。

總體來看，電極材料的消耗速度較慢，不需要頻繁更換，具有較高的性價比。

2.2 自動控制裝置的設計

由于變電站接地網的覆蓋范圍較大，不同地區(qū)的土壤電阻率、土壤中水溶性鹽含量以及土壤的氧化還原電位等存在明顯差異，這就意味著在接地網的外加電流防腐保護中，不同位置需要施加的電流也并不相同[2]。陰極保護電流密度（ρ）是決定接地網防腐效果的關鍵指標，如果ρ 值太小，則達不到預期的電化學保護效果，接地網仍然會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；相反，如果ρ值太大，則會造成電能的浪費，并且在陰極材料上發(fā)生析氫反應，反而會加速電極材料的損耗。為了使ρ值始終處于最佳，本研究設計了有測量功能的自動控制裝置，其電路圖見圖1。

該自動控制裝置的輸入電壓為AC220，輸出電壓為DC0～60/90 V，輸出電流為DC0～50 A，頻率50 Hz。從該裝置的正極引出一條導線，連接到電極上；該裝置的負極引出一條導線，連接到變電站的接地網上，這樣就形成了一個閉環(huán)回路。啟動自動控制裝置后，輸出電流經導線流入電極，再通過電極進入到大地中。由于土壤具有一定的導電性，電流最終流向接地網，使接地網被陰極極化得到保護。該裝置可利用前端的采樣器件，實時獲取土壤電阻率、土壤水分、土壤溫度、土壤中可溶性鹽含量等參數(shù)，然后經自動控制裝置的PLC 進行數(shù)據分析后，自動調節(jié)電流大小，保證輸出的電流值能夠滿足抑制接地網腐蝕的需要。

3 變電站接地網陰極保護防腐技術的應用

3.1 電極與試片的埋置

本系統(tǒng)中選用的WDFY-711 型電極，其組成材料為鉑鈮合金，屬于不溶性電極材料[3]。其電阻率為6.1×10-7Ω·m，有效表面積0.42 m-2，允許最大電流密度105 A/m-2，電流效率60%～80%，密度8.1 g/cm3。為進一步降低接地電阻，在埋置電極時還選擇導電性優(yōu)良、消除氣阻的材料進行包裹。具體操作方法為：首先在電極埋置坑內平鋪一層墊料，然后將電極水平放置到墊料上；在電極上再加蓋一層填料，將回填土重新填入電極埋置坑，并通過工具拍打或人為踩踏的方式，讓土體密實。最后再澆水濕潤土壤，完成電極的埋置[4]。

把4 根陰極電纜和試片連地網電纜采用焊接的方式固定到接地網上，焊點出使用密封膠進行密封處理。試片的埋置方式如下：首先將陰極電纜焊接在一塊規(guī)格為100 mm×30 mm×5 mm 的扁鋼片上，見圖2。

固定好以后，在將焊有陰極電纜的扁鋼片，以同樣的方式焊接到接地網的陰極上，見圖3。

使用密封膠將焊點全部覆蓋后，用土回填。同時將電纜的另一端連接到自動控制裝置上。裝置通電以后，即可根據設定值輸出相應的電壓和電流[5]。

3.2 變電站接地網陰極保護系統(tǒng)的調試

該系統(tǒng)啟動運行后，還要檢查運行情況、調整輸出電流。首先測定接地網陰極保護系統(tǒng)各參比點的初始電位。在未通電的情況下，采集各參比點的初始電位值，4 個參比點的點位分別為-380 mV、-20 mV、-410 mV、-40 mV。然后正式通電，等到裝置穩(wěn)定運行1 h 以后，再次測量4 個參比點的電位值（極化電位值），測量結果見表1。

表1 自動控制裝置陰極保護運行參數(shù)

結合表1 數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護系統(tǒng)投入運行以后，4 個參比點的極化電位值均有不同程度的升高。然后利用自動控制裝置，改變輸出電流、輸出電壓的大小，使參比電位降至保護電位以下。

4 變電站接地網陰極保護防腐系統(tǒng)的運行效果

該系統(tǒng)于2020 年6 月份開始投入使用，技術人員選取2 條位置相近的管線，從管線上選取100 m 的測試區(qū)段，進行對照試驗。挑選8 塊扁鋼試片，稱量其初始重量（m1），測算其表面積。對照管線等間距布設4個測試片，但是不做任何保護措施；試驗管線以同樣方法布設4 個測試片，并采取本研究設計的陰極保護措施。3 個月后，技術人員將2 條管線上埋置的8 個試片取出，觀察其表面見圖4。

如圖4 所示，未采取任何防腐保護措施的試片（右）表面出現(xiàn)了大面積的腐蝕坑，腐蝕情況較為嚴重；而采取了陰極保護的試片（左），整體上保持了原始狀態(tài)，腐蝕情況較為輕微。在觀察結束后，再將8 塊試片進行實驗室處理。稱取試片的重量（m2），然后用m1～m2即可得到試片的失重量。再根據試片表面積、試片埋置天數(shù)，計算出每片試片的腐蝕速率，統(tǒng)計結果見表2。

表2 不同保護措施下試片的腐蝕情況

根據表2 數(shù)據可知，采取了接地網陰極保護防腐技術的1～4 號試片，腐蝕速率在0.204～0.475 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為0.362 g/cm2·d，腐蝕速度較慢。相比之下，未采取任何保護措施的5～8 號試片，腐蝕速率在1.757～1.859 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為1.806 g/cm2·d，腐蝕速度較快。由此可見，在變電站接地網上采取基于陰極保護原理的防腐技術，能夠有效延緩試片的腐蝕進程，起到很好的保護作用，對延長接地網的使用壽命效果顯著。

5 結論

變電站接地網的防腐保護能夠有效延長接地網的使用壽命，對保障變電站的穩(wěn)定運行有積極幫助。常規(guī)的鍍鋅保護雖然也能起到延緩腐蝕的效果，但是接地網投入使用幾年后，鍍鋅層失效無法繼續(xù)發(fā)揮保護作用。本研究基于陰極保護原理設計了變電站接地網防腐系統(tǒng)，該系統(tǒng)由自動控制裝置靈活調節(jié)輸出電流，使接地網始終處于最佳保護狀態(tài)。經測算，該變電站接地網使用陰極保護防腐系統(tǒng)，只需要一塊質量為85.25 kg 的電極，即可發(fā)揮30 年的陰極保護時效。