接地区域土壤腐蚀性评价及变电站接地网防腐蚀治理措施
随着电网技术的不断发展，电网安全稳定的重要性不断提高，解决接地网腐蚀，保证接地性能的稳定性，延长接地网使用寿命，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的课题。为了抑制地网的进一步腐蚀，对变电站接地网采取阴极保护措施，由于接地网面积较大，为达到期望的保护效果，传统牺牲阳极阴极保护年限达不到，且变电站接地网二次改造，大面积开挖难度大，而外加电流的阴极保护技术开挖面积小，保护范围广，特别适合于已建地网的阴极保护建设，所以从技术性和经济性综合考虑，确定采用外加电流深井阳极地床的阴极保护，能有效抑制地网的进一步腐蚀，确保护变电站接地网长期有效，减少了地网二次开挖改造的费用及改造的难度，同时也对新建变电站的接地网防腐提供了新的方法。
关键词：变电站，接地网，阴极保护，深井阳极
引言
近年来国内因为接地网存在缺陷引起的变电设备大面积烧毁事故时有发生，按照国家电力公司关于《防止发生电力生产设备事故的二十五项反事故措施》的要求，对运行1 0年以上的110kV~220kV变电站进行开挖检测及腐蚀情况调查，在调查中发现部分变电站接地网存在大量严重缺陷，其中部分接地网腐蚀严重，甚至设备接地引线断裂。由于接地网缺陷造成事故发生，导致系统停运，设备损坏。因此，要求对接地装置的可靠性和使用寿命给予足够的重视。通常，影响接地装置腐蚀的因素有：土壤含水、含盐量不同、含氧量差异、pH值、土壤电阻率大小、微生物细菌活动等电化学不均匀性，构成腐蚀原电池，以及地下的交、直流杂散电流造成的电解电池腐蚀等，这些都加速了埋地钢质接地网的腐蚀。
我国由于资源、经济等原因，前些年接地网所用的材质主要为普通碳钢或镀锌碳钢。接地网因源于普通碳钢在腐蚀性土壤环境中的电化学腐蚀以及输变电设备运行中的泄流电流造成的电解腐蚀，使其锈蚀甚至断裂，造成接地性能不良，危及设备及人身安全，带来巨大的损失。
由于接地网埋设在地下，对接地网的检查、维护及翻修改造需耗费大量的人力物力，操作困难，费用巨大。目前一般是每1年左右对接地网抽样开挖检查一次，这种方法带有盲目性，工作量大、速度慢，并受现场运行条件的限制。因此，解决接地网腐蚀的诊断和防护问题，提高接地网材料自身的耐腐蚀性能，保证接地性能的稳定性，延长接地网的使用寿命，降低设备运营成本，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的课题。
本文以西北格尔木地区某110kV变电站接地网防腐蚀改造设计、施工及测试过程为代表案例作相关论述。
1、工程概况
1.1现场勘测
1.1.1 现场测试数据
（1）土壤电阻率测试
平均土壤电阻率，则为25.6Ω·m。
（2）接地电阻
设备区主地网接地电阻
R =1.5Ω
（3）现场地网开检测
注：最大点腐蚀腐蚀深度=原扁钢厚度-扁钢实测厚度（平均）+实测最大点腐蚀深度
CSE — 饱和硫酸铜参比电极
1.1.2 土壤腐蚀性综合测试
在地网附近开挖进行土壤取样，在实验室进行分析测试（根据德国DIN50929），其测试结果为：
1.2 地网腐蚀评估
1.2.1腐蚀评估依据
依据DIN50929和DL/T 5394进行。
1.2.2现场测试评估依据
1.3地网及环境腐蚀性分析
1.3.1现场腐蚀测试结果分析
现场测试：由上表可知该区域土壤腐蚀性属于强腐蚀性状态；杂散电流对接地网的腐蚀处于中等；接地网的平均腐蚀深度（9年）已达3.24mm；最大点腐蚀深度为7.92mm，由此可见，局部地网已濒临穿孔。
1.3.2 实验室土壤分析测试评估
实验室测试：根据标准DIN50929判断土壤腐蚀性为强腐蚀。
1.4地网技术改造必要性
1.4.1勘察结论
（1）该接地区域土壤腐蚀属于强等级，对金属有强腐蚀性。
（2）该接地网材料的平均腐蚀速率0.18mm/a，目前扁钢平均厚度（9年）已不到5mm，局部地方已出现腐蚀穿孔。
1.4.2技术改造必要性分析
1.4.2.1最小截面验算
DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》对接地线的最小截面进行验算，其验算公式为：
接地线的最小截面积应符合下式要求：
式中：-接地线的最小截面，mm2
-流过接地线的短路电流稳定值，根据经验110kV变电站在20000A左右。
-短路的等效持续时间，为0.5s～2s，一般取0.5s（发生短路故障时根据开关柜保护断路时间确定）;
-接地线材料的热稳定系数；（钢为70）
则需要最小截面为：=202 mm2。
本接地网扁钢规格为60×8，即截面为480 mm2，本区域地网腐蚀率为0.18mm/a，有如下计算：
1.4.2.2 必要性分析
（1）变电站接地网是用于工作接地、防雷接地、保护接地的重要设施，是确保人身、设备、系统及变电站安全运行的重要环节。在设备运行的寿命期内，接地装置除接地电阻值满足要求外，还必须保证接地系统能可靠稳定的工作。从运行安全的需要考虑，对接地系统的具体要求：一是电气连通，网络完整，在正常工作和事故时能形成良好的导电通道，起到均压和泄流的作用；二是接地导体具有必要的机械强度，能承受在机械外力作用和土壤受气候影响时，对接地体产生的各种环境应力；三是能满足短路时的热稳定要求；四是接地电阻要稳定。
（2）标准DL/T 5394-2007 《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》对接地网做出了严格防腐规定。
（3）结论
a)上述“1.4.2.1”中验算得知：当运行10年后，地网截面积基本能满足要求，15年后已不能满足要求了。
b)综合以上测试测试结果，该区域接地区域腐蚀性强，地网材料腐蚀严重，按0.23mm/a腐蚀速率（两面腐蚀），再运行6-9年，地网将会出现大面积腐蚀断裂。若腐蚀状况现在不加以控制，将会严重影响地网泄流和热稳定要求，一旦出现雷击或长时间故障电流，后果将不堪设想，需尽快启动对本变电站地网进行技术改造计划。
2、技术改造方案
2.1工程概况
2.2.1接地材料
该110kV变电站修建于2002年4月，未经过改造。地网埋深1.5m。地网由以下材料构成：
2.2.2 土壤电阻率
变电站内由混凝土以及地砖铺设，因此在变电站外区域检测土壤电阻率。检测结果：
根据上表可以判断该区域土壤电阻率较均匀，计算取平均土壤电阻率，则为25.6Ω·m。因勘察前一天有下雨，故季节系数取1.5.
2.2设计标准
GB/T 21246-2007 《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》
GB/T 21448-2008 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》
DL 475-2006 《接地装置工频特性参数的测量导则》
DL/T 621-1997 《交流电气装置的接地》
DL/T 5394-2007 《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》
NACE RP－0572－85《外加电流深井阳极地床的设计、安装、操作和维护》
2.3方案设计
2.3.1保护对象
变电站所有接地网
2.3.2设计思路
2.3.2.1阴极保护方式选择
根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极和外加电流法两种。牺牲阳极法是由一种比被保护金属电极电位更负的金属或合金与被保护金属电连接所构成。牺牲阳极因较活泼而优先溶解，释放出电流供被保护金属构筑物阴极极化，实现保护。外加电流法是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属构筑物，使之阴极极化，达到阴极保护的目的，从而使腐蚀得到抑制，系统通过参比电极测量电位并将控制信号反馈给恒电位仪，以调节输出电流，从而使金属构筑物始终处于良好的保护状态。 针对接地网改造的现场特殊性，有如下比较：
根据以上描述并结合项目实际情况，本设计采用外加电流深井阳极阴极保护技术。
2.3.2.2外加电流深井阳极阴极保护系统的组成
外加电流深井阳极阴极保护系统由恒电位仪、深井辅助阳极、阴极接点、零位接阴点、参比电极和电源组成。恒电位仪首先将交流电流转换为可控的直流电流，通过恒电位仪的阳极电缆，流向深井辅助阳极，由深井辅助阳极良好接地后由大地流入接地网，再由焊接在接地网上的阴极电缆流回恒电位仪构成回路，恒电位仪源源不断的给接地网补偿电子，系统通过参比电极测量电位并将控制信号反馈给恒电位仪，以调节输出电流，从而使金属构筑物始终处于良好的保护状态，使接地网的阴极保护电位控制在-0.85V～-1.2V之间；或者在接地网没施加阴极保护之前的自然点电位基础上负偏移100毫伏。
2.3.2.3辅助阳极选择
外加电流法根据辅助阳极类型不同分为：MMO预组装辅助阳极体和高贵铸铁预组装辅助阳极体。有如下比较：
MMO阳极有以下特点：
l 使用寿命长。阳极属完全钝化性质，消耗率极低。
l MMO阳极电流输出分布均匀，保护完全。
l 重量轻，施工方便。
根据项目实际和相关标准，本区域采用6口辅助阳极深井，内装4组MMO材质的CPMMO-Z40预组装阳极体。共用一阴极保护室（主控楼内），采用1台恒电位仪控制3口阳极深井以输出保护电流。备用一台恒电位仪。共钻建40米深井6座，深井间距不小于40米，处于接地网中均匀布置。
2.3.3 计算方法
依照电力行业标准 DL/T5394-2007相关规定。
2.3.3.1保护电流密度的选取
取i=40mA/m2。（标准的7.3.3中第1、第4条及考虑到老地网的严重腐蚀状况）
2.3.3.2保护面积计算
2.3.3.4所需电流计算
I＝i×S＝0.04×1666.8≈66.7A
2.3.3.4阳极寿命计算
用贵金属氧化物时使用寿命仅考虑贵金属氧化物涂层的使用寿命就能满足使用年限要求。
其中：
Y — 阳极设计使用寿命，h；
W — 阳极强化实验，240h；
i — 强化实验电流密度，15000A/m2；
I — 阳极工作电流密度，11.8A/m2。
则
MMO阳极设计使用寿命Y=305084小时，换算为34.8年，大于30年的设计要求。
2.3.3.5 阳极地床设计
（1）阳极的位置、深度与土壤电阻率和保护面积多少有关。阳极地床确定的原则：土壤电阻率较低原则，阳极地床均匀布置原则，阳极垂直于地网安装。
（2）阳极地床接地电阻计算
本工程综合电阻率选取为25.6Ω.m，深井阳极深18米，直径0.3米。
依据提供土壤电阻率由接地电阻经验公式：
单口井阳极的接地电阻
可以得出：R=1.08Ω
2.3.3.6阴极保护恒电位仪设备设计
1）阳极的位置、深度与土壤电阻率和保护面积多少有关。阳极地床确定的原则：土壤电阻率较低原则，阳极地床均匀布置原则，阳极垂直于地网安装。
（2）阳极地床接地电阻计算
本工程综合电阻率选取为30Ω.m，深井阳极地床深40米。
依据提供土壤电阻率由接地电阻经验公式：
单口井阳极的接地电阻
可以得出：R=1.5Ω，
3口井并联
=0.6Ω
K为接地电阻屏蔽系数，取1.2
2.3.4 阴极保护恒电位仪设备功率选型
恒电位仪就是能给被保护的金属结构物提供一个受控制的直流电流，使被保护的金属结构物始终稳定在一个保护电位范围内。影响恒电位仪的主要因素：保护埋地金属构筑物需要的电流，整个回路的电阻，所控制井的发散电流量。同时考虑阴极保护设计年限及考虑设备余量为1.5倍左右。
总保护电流需要66.7A，总共设计为6口井，每台恒电位仪控制3口深井，共设计2台恒电位仪
根据电器设备要求,在外加电流阴极保护中：
a额定电流＝保护电流×1.5（保险系数）
b额定电压＝阳极地床的接地电阻×额定电流×1.2（回路电阻）
根据以上要求计算，考虑恒电位仪运行状况，本工程中选用50V/70A恒电位仪。
安装CPH-1恒电位仪2台（50V/70A），每台恒电位仪控制2口井的电流输出。
恒电位仪技术性能指标:
①规格型号： CPH-1数显式高效节能恒电位仪
②输入电源：AC380/50Hz
③输出参数：最大输出电流DC50A，最大输出电压50V
④参比电位：－0.30～－3.00V连续可调
⑤控制精度：≤5mV
⑥输入阻抗≥1010Ω
⑦适用环境：－15℃～45℃
⑧抗交流干扰能力：不小于30V
⑨纹波系数：≤5%
⑩净重：≤90Kg
⑾误差报警：-30 mV～100 mV
2.3.5 阴极保护站
阴极保护站用来放置系统主要设备恒电位仪，位置定在距离电源较近的地方建设，暂考虑设在主控楼，同时要考虑靠近阳极地床旁，降低成本，阴保间电源要求380V/50Hz >2.5KW。
2.3.6 测试桩的设计
为便于检测保护电位的情况，全厂设立电位测试点7个，兼输入恒电位仪5个。材料统计为：CPC-G2测试桩7套，CPCC-M硫酸铜参比电极7套。
2.3.7电缆
设计阴极阳极电缆型号VV22-0.6/1 1×16mm2电缆；参比电缆和零位接阴电缆1型号VV22-0.6/1 2×6mm2（具体电缆的数量以现场定阳极地床位置和恒电位仪取电源位置确定）。
3、测试结果
3.1数据记录分类
1）保护电位比自然电位偏移100 mV保护时的数据输出记录
2）保护电位达到-0.85V要求时的数据输出记录
3）阴极保护电位记录
4）阴极保护前后接地电阻测量数据（阴极保护3个月后进行测量）
1#恒电位仪显示 2#恒电位仪显示
3.2阴极保护腐蚀挂片保护度（阴极保护3个月后进行开挖）
3.2.1腐蚀速率比较
失重法计算保护度
P＝
P——保护度
W0——未保护试片原始重量，g；
W1——清除腐蚀产物后未保护试片重量，g；
S0——未保护试片裸露面积，cm2；
W0’——保护试片原始重量，g；
W1’——清除腐蚀产物后保护试片重量，g；
S1——保护试片裸露面积，cm2
图中：受阴极保护的钢片表面生成了一层致密的钙镁离子沉积物，钢片变厚，但无任何锈蚀，未受保护的钢片锈蚀比较明显，同时钢片变薄。
4、结论
4.1采用综合指标法对接地区域土壤的腐蚀性进行诊断，可以作为新建接地网选材依据和改建接地网使用寿命判断。
4.2通过现场测试结果可以得出：对已地网的防腐蚀改造从技术、施工及保护效果上是可行，也是比较经济的。但还需研究临近构筑物对保护效果的影响。
4.3本工程采用了一控制多方式进行阴极保护，实际运行表明这样从技术上是可行，同时可以减少工程投资。
4.4深井阳极地床阴极保护在变电站接地网防腐蚀改造中有如下优点：
（1）改造不妨碍、不破坏现有设备实施运行，最大限度满足民生需求，不停电；
（2）改造要满足接地电阻和接地网安全结构方面的要求；
（3）技术成熟、可靠并有相关标准可遵循；
（4）改造系统经济合理性、易施工。
