杭州華電華源環境工程有限公司變電所接地裝置的陰極保護防蝕技術Theasepsistechnologyuhichprotectsthecathodeofearthingequipmentofthesubstation國電機械設計研究院杭州華電華源環境工程有限公司2

一、概述

變電所接地網與接地體的總和，通稱為變電所的接地裝置。根據電力行業與國家標準DL/T621-1997、DL/T5091-1999、GB50169-1992等對接地裝置的要求，接地裝置的接地電阻應符合R≤2000/I(I是流經接地裝置的最大入地短路電流，A)。

杭州華電華源環境工程有限公司3杭州華電華源環境工程有限公司隨著35kv以上的變電所內用于保護、操控的電子設備越來越多，因腐蝕導致接地裝置斷裂、電氣連接性能變壞、接地電阻的升高等，其遭雷擊過電壓而產生嚴重的設備、人生事故的問題也日益突出。由此可見，變電所的接地裝置的性能優劣，直接關系到變電所的安全運行。4

查找接地網、接地體斷點和嚴重腐蝕段，已成為電力系統一項反接地裝置與雷擊過電壓事故的重大措施。一般通過開挖、檢查，這種方法帶有盲目性，且工作量大、速度慢，受運行條件的限制，有些還不能開挖。杭州華電華源環境工程有限公司5

因此，對變電所接地裝置采取有效的腐蝕防護措施，顯得非常重要。

杭州華電華源環境工程有限公司6二、土壤的腐蝕性

作為腐蝕環境，土壤和水、大氣兩個環境不同。土壤是由固相、氣相和液相三相構成的不均勻多相體系，其影響因素很多，相互關系復雜。至今，還沒有一種很準確評價土壤腐蝕性的方法。

杭州華電華源環境工程有限公司7杭州華電華源環境工程有限公司

影響土壤腐蝕性的主要因素有：土壤電阻率、含水量、含鹽量、含氧量和微生物。土壤環境中,金屬鋼結構的腐蝕，屬電化學腐蝕范疇。腐蝕原電池，是最基本的形式。8杭州華電華源環境工程有限公司接地裝置電化學的腐蝕形式有：點腐蝕（碳鋼的鐵與碳微粒）、宏觀腐蝕（鹽堿地或使用降阻劑）、局部腐蝕（電解質或氧濃度差異）、電解腐蝕（直流電流的作用）、微弱的交流腐蝕（交流電流通過）。9杭州華電華源環境工程有限公司所以，能夠促進構成原電池的、影響腐蝕電池的土壤的理化性能，都能左右金屬鋼結構的腐蝕。10杭州華電華源環境工程有限公司

在土壤的眾多參數中，表征土壤導電性能的土壤電阻率，常用作判斷土壤腐蝕性的最基本的參數。對多數情況，土壤電阻率越小，則土壤腐蝕性越強。如表1，是世界各國的標準；如表3，一般是中國的標準。11杭州華電華源環境工程有限公司但在一些干燥的、土壤電阻率高（>100Ω?m）的地區，雖然土壤腐蝕性較小，但卻不能滿足接地電阻的要求；而加了某些化學降阻劑后，滿足了接地電阻的要求，因此可能增大了腐蝕性。12表1土壤電阻率與土壤腐蝕性（?.m）杭州華電華源環境工程有限公司13

此外，金屬鋼制結構件對地自然電位，也反映著土壤對金屬鋼制結構件的腐蝕性。我國的判別標準如表2、表3所示：杭州華電華源環境工程有限公司14鋼對地電位(-v)

(相對于CuSO4)

＞0.550.45~0.550.30~0.450.15~0.30＜0.15腐蝕性強較強中弱極弱杭州華電華源環境工程有限公司表2鋼材對地電位與土壤腐蝕性15杭州華電華源環境工程有限公司項目

特高高較高中等低土壤電阻率（Ω?m）<50.7512~250.35~100.75~0.110~120.3~0.0810~200.1~0.0510~50.08~0.02520~1000.05~0.0150.025~0.001>100<0.01<5<0.001含鹽量（%）含水（%）

在Δv=500mv極化電流密度（ma/cm2)防腐措施特加強加強加強加強普通表3土壤腐蝕性等級

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三、接地裝置與陰極保護杭州華電華源環境工程有限公司

1.變電所接地裝置的腐蝕變電所接地裝置的腐蝕，主要為電化學過程。由于金屬鋼的晶格、位錯的不均勻及晶間缺陷等造成其化學性的不均勻性，同時，土壤本身物理化學性質也是不均勻的。因此，在接地體與土壤相界面上會產生多個腐蝕原電池，局部陽極為鐵的溶解反應。

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在天然土壤中，埋地鋼接地裝置的腐蝕，是不可避免的。據天津市電力公司調查統計，當地變電所鋼接地裝置的年腐蝕率為1mm/a，220kv變電所接地裝置的使用壽命僅為5-7年。因此，必須對鋼接地裝置采取有效的腐蝕防護與控制措施，延長其使用壽命。18

一般在地表下0.15?0.5m處，是處于土壤干濕交界的地方，接地扁鋼極易受腐蝕。因此，接地裝置的敷設，一般規定埋深不能低于0.6m，并且規定了接地網的引出線在通過地表下0.6m引至地面外的一段，需特別加大截面，并作防腐處理。杭州華電華源環境工程有限公司19杭州華電華源環境工程有限公司目前，埋地扁鋼接地裝置防腐主要采用熱鍍鋅，還有銅（鍍銅、包銅）、鉛包（較少用）的辦法。但是，在工程實際中，鍍鋅（銅）層不可避免的在施工制作、搬運、焊接、回填過程遭受各類破壞，鍍鋅（銅）層會很快被腐蝕掉，失去保護效果。鉛埋地的毒副作用不言而喻。20杭州華電華源環境工程有限公司值得特別注意的是：銅或銅包鋼組成的接地裝置，能與附近地下其他鋼結構、鋼管、電纜溝支架、和電纜的鉛護套形成腐蝕原電池，銅作為腐蝕原電池的陰極，會加速地下其他金屬結構的腐蝕。

歐洲與美國的接地裝置近年淘汰采用銅結構的做法。21表4金屬的電位序列表金屬名電位v金屬名電位v純鎂

–1.75鑄鐵

–0.50鎂合金

–1.60粗熔煉鋼-0.4~-0.55鋅

–1.10鉛

–0.50鋁合金

–1.05鋼（砼中）

–0.30純鋁

–0.80銅（黃/青）

–0.20精熔煉鋼-0.5~-0.8杭州華電華源環境工程有限公司22

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另外，由于接地裝置上的電流流動，造成了接地裝置和大地電位的上升，這樣就在接地裝置上產生一個相對該相鄰地電位的電位差。23

從鋼材對地自然電位與土壤腐蝕性的表中，可以清楚的看到：對地自然電位越高，腐蝕性越強，對地自然電位越底，腐蝕性越弱。杭州華電華源環境工程有限公司24三、接地裝置與陰極保護

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2、陰極保護的原理對埋地鋼接地裝置進行陰極保護，是通過與一個腐蝕電位低于鐵自然電位的金屬（如鎂、鋅等）耦接，或外加陰極電流，將鋼結構電位降至低于局部微陽極開路電位，從而抑制了腐蝕的進行，使鋼接地裝置得到保護。25

變電所鋼結構接地裝置的陰極保護，主要可分為兩大類：犧牲陽極法和強制電流（外加電流）法。杭州華電華源環境工程有限公司26杭州華電華源環境工程有限公司

犧牲陽極法陰極保護，犧牲陽極金屬因較活潑而優先溶解，向被保護金屬通入一定量的負極直流電，使其相對于犧牲陽極的鋼接地裝置變成一個大陰極免遭腐蝕。27

強制電流法陰極保護，則是由外部的直流電源直接向被保護鋼接地裝置通以陰極電流，使之極化，達到陰極保護的目的。它由輔助陽極、參比電極、直流電源和相關的連接電纜所組成。工作原理如圖（1）所示。杭州華電華源環境工程有限公司28

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三、接地裝置與陰極保護

杭州華電華源環境工程有限公司3、陰極保護的方法：

鋼結構接地裝置陰極保護大致可分為：犧牲陽極法(見圖2)、強制電流法（見圖3）兩種。

30三、接地裝置與陰極保護3.1.犧牲陽極法是利用電位比被保護金屬結構低的金屬或合金（如鎂合金、鋅合金、鋁合金等）作為陽極，構成一個腐蝕電池。在金屬陰極（被保護結構）得到保護的同時，陽極不斷地被消耗，故稱為犧牲陽極。

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三、接地裝置與陰極保護3.2.強制電流法（外加電流法）是給被保護金屬結構加一陰極電流，而給輔助陽極（一般為高硅鑄鐵或廢鋼）加一陽極電流，構成一個腐蝕電池。基于同樣的原理，使金屬結構得到保護。

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三、接地裝置與陰極保護

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4.兩種陰極保護方法的特點（表5）33杭州華電華源環境工程有限公司34

杭州華電華源環境工程有限公司圖2

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圖336四、陰極保護的應用

變電所鋼接地裝置采用金屬陰極保護，如設計、安裝合理，將可完全減緩與控制腐蝕。在設計保護年限內，不會出現由于腐蝕導致斷裂、電氣連接性能變壞、工頻接地電阻升高等現象，延長了使用壽命，并且可避免嚴重的人生、設備事故產生，使變電所始終保持安全運行狀態。

杭州華電華源環境工程有限公司37杭州華電華源環境工程有限公司

歐洲早在20世紀50年代，陰極保護就在發電、變配電、交直流高壓輸電鐵塔的接地裝置中使用，并且取得較好的效果，使腐蝕得到了控制。保證了接地網的工頻接地電阻不大于0.5Ω，獨立避雷針的工頻接地電阻不超過10Ω，完全滿足了規程要求。

38杭州華電華源環境工程有限公司國內過去囿于貴金屬的缺乏、電子技術的落后，應用成本很高，所以采用陰極保護很不容易，且不能普遍應用。

改革開放以來，隨著材料及冶煉技術、電子技術與計算機技術的飛躍發展，應用成本大幅降低，使金屬陰極保護防腐技術走向實用，已成為可能。39

為此，國家建設部與質量監督檢驗檢疫總局聯合頒布強制標準《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》(GB50169-2007)，以及國家發改委頒布電力行業標準《電力工程地下構筑物防腐技術導則》(DL/T5394-2007)都特別指出：除臨時接地裝置外，接地裝置不應采用銅導線，…應采用陰極保護等措施。杭州華電華源環境工程有限公司40

可見，變電所以及交直流高壓輸電鐵塔接地裝置采用扁鋼結構結合陰極保護技術，就是一種有效、可行的腐蝕防護作法與控制措施。杭州華電華源環境工程有限公司41杭州華電華源環境工程有限公司

目前，國內外變電所接地裝置的銹蝕防護與控制，通常采用：

●鋼結構鍍鋅防護；

●銅（鋼鍍銅）防護（美國曾采用）；●鋼結構結合陰極保護（犧牲陽極法、強制電流法）（歐洲采用）；它們的經濟技術性比較列表（表6）如下：五、陰極保護技術經濟性分析42比較項目銅質陰極保護鋼質等效截面13?53?5設計截面中同鋼質較大20c°電阻率Ω·m0.0178<0.1380.138導電性好好較好泄流能力好好中穩定性中高低可靠性中高低杭州華電華源環境工程有限公司43杭州華電華源環境工程有限公司比較項目銅質陰極保護鋼質一次投資比較1.9~2.51.5~1.91.0主材單價（元/噸）65000~

8000030000~

400004000~

10000故障率中低高維護費比較10.21.2施工維護難度難易難可改造性難易難接地電阻低低較低44杭州華電華源環境工程有限公司比較項目銅質陰極保護鋼質耐腐蝕性中強低應用材料銅、鋼鋼、鋅鎂鋁鋼、鋅密度g/mm–38.9＜7.87.8使用壽命a10-2025-305-10經濟比較2.000.51.0國外情況淘汰使用較多結合陰極保護副作用危害附近鋼結構無無45杭州華電華源環境工程有限公司

變電所接地裝置陰極保護防腐工程中，陽極（犧牲陽極或恒電位儀和輔助陽極）是主要材料；同時，還需要測試樁、參比電極、絕緣法蘭等輔助材料。；六、陰極保護常用設備材料46杭州華電華源環境工程有限公司恒電位儀47野外用測試樁市區用測試樁測試樁

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