变电站接地装置防腐措施研究

华北电力集团公司（北京100053） 刘连睿

摘 要：介绍变电站接地装置事故的危害性；简单阐述接地体腐蚀的原因；重点分析比较了目前常见的热镀锌扁钢、铜接地装置、阴极保、外层保4种防腐措施，并提出了不同情况下的选择方法。

关键词：变电站；接地装置；腐蚀；防腐

1 变电站接地装置事故的危害

变电站接地装置在变电站的整个投资中所占的比例虽然很小，但它所引发的事故却极其惊人，真可谓是“电网杀手”，它能很快摧毁电网中的二次设备，像直流、保护、通信等设备，接着引发事故扩大，有的造成一次设备损坏和着火，有的造成发电厂、变电站全停，有的甚至发展成严重的系统事故。例如，1994年1月，四川华莹山电厂因变压器中性点接地线严重腐蚀处放电，将高电位引入主控室，造成多处击穿、短路，总保险熔断使故障不能自动切除，导致2号主变、2号发电机着火，3号、4号发电机损坏，全厂停电。 2 变电站接地装置事故的主要原因

网内外多起接地装置扩大事故的主要原因是：（1）接地装置热容量严重不足，有的因腐蚀造成，有的因设计、施工不当造成；（2）接地装置事故持续时间长，保护不能快速切除，给事故提供了时间条件。

变电站接地装置事故统计表明，接地装置腐蚀是事故的主要原因之一。为此，国内很多单位都在开展这方面的研究，并提出了许多防腐蚀措施。华北网变电站接地装置腐蚀情况还是比较严重的，像房山、北郊、大同二电厂等大型500 kV变电站投运10年左右，均投巨资重新更换了地网。钢体在土壤中的腐蚀以电化学腐蚀为主，即阳极溶解。主要腐蚀形式如下： （1）钢材表面的微观不均匀性会引起不同部位的电位差，形成腐蚀微电池；

（2）两种不同金属电气连接后形成电偶腐蚀作用，电位较负的金属发生溶解而腐蚀，有的变电站新敷设的接地装置比原来的老接地装置腐蚀得快，其中的原因之一就是新老接地装置之间的电位差形成电偶腐蚀，新地网成为阳极被腐蚀，旧地网作为阴极获得保护； （3）土壤的不均匀性引起金属不同区域间产生电位差，形成客观腐蚀电池，如变电站土壤压实程度不一致，就会引起接地装置的腐蚀； （4）土壤中存在的微生物腐蚀。 3 变电站接地装置的防腐措施分析

变电站接地装置一般都采取防腐措施，但方法并不一致，本文对这些防腐蚀措施进行比较分析，从而推荐出最佳防腐措施。

为了便于比较分析，用一个220 kV变电站接地装置例子加以说明。设流过接地引下线的短路电流为31 kA，短路持续时间取0．65 s，引下线采用全电流，地网与引下线分流系数取75％。

3．1 热镀锌扁钢

采用热镀锌扁钢是多数变电站接地装置采用的防腐措施，它主要利用高温热浸时所形成的锌合金层本身的防腐特征。满足热稳定要求的扁钢截面最小为31×103×√0.65/70=357mm2,可以选取60×6的扁钢，再考虑每年平均腐蚀0．1mm，截面还应增加50％，变电站接地装置大约需要钢材24 t，材料费约为12万元。 3．2 铜接地装置

美国等很多国家都用铜做变电站接地装置，这主要是考虑到变电站接地装置的重要性和

铜的耐腐蚀性和稳定性。我国前，也曾大量采用铜作为接地体，像天津塘沽110 kV变电站（前建）的接地网用的是铜材，至今仍合格。

据资料介绍，铜腐蚀不存在点蚀，属表面均匀腐蚀，铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的（1／5）～（1／10）。从出土的几千年前的青铜器来看，铜的确具有很高的稳定性和抗腐蚀性。

铜接地引下线的最小截面为31×103×√0.65/210=119mm2,考虑一定裕度，最终可选取30×5铜带，变电站接地装置约需9．5 t铜材，按1999年市场价，如果选取黄铜，材料费约为21万元，如果选取紫铜，材料费为26万元。

3．3 阴极保

变电站中采用埋入电位更负的活泼金属与被保护金属偶接，从而具有减缓或阻止腐蚀的作用。根据提供保护电流方式的不同，阴极保又可分为牺牲阳极和外加电流两种。国内有的单位又将牺牲阳极法加以改进，钢体上涂上导电涂料，虽然具体实施上略有差异，但基本原理是相同的，造价也差不多。

上述220 kV变电站接地装置需不镀锌裸钢16 t，钢材费约为4．8万元，防腐费约15万元，两项主材费约为19．8万元。 3．4 外层保 目前，国内许多单位正在研制用于变电站接地装置的导电防腐材料。目前有两种材料在国内已有应用，一种是近年来用于地网防腐的KV导电防腐涂料，它是一种涂料，直接涂刷于裸钢上；另一种是降阻防蚀化学剂，主要用于岩石地区接地装置的降阻和散流，但也有单位只是将它用于防腐蚀，由于这种用途应用单位较少，加之本身有一定腐蚀性，故本文暂不讨论。

采用导电防腐涂料时，该变电站钢材费加涂料费共需12万元左右。 3．5 防腐措施综合比较分析

设不同防腐措施下的地网埋设深度、地网面积、形式和土壤电阻率均相同。 3．5．1 散流特征

采用热镀锌钢材防腐措施时，由于钢材截面最大，工频接地电阻最小，散流特性最好。 阴极保和防腐导电涂料法散流特性居中。

由于铜材截面最小，因此，工频接地电阻略有提高。由于地网接地电阻主要取决于地网面积和土壤电阻率，对大型的、腐蚀较严重的变电站来说，这一影响因素完全可以忽略不计。 综合以上分析，对于大型的、腐蚀较严重的变电站，以上防腐措施的散流特性相差无几， 均能满足工程要求。 3．5．2 可靠性

由于热镀锌钢存在点蚀，而点蚀速度比年平均腐蚀值高几倍，因此，地网7～8年便腐蚀断。虽然可以抽样开挖检查，但由于地网大，引下线数量

多，很难保证及时检查到。网内外多次接地装置事故也说明，镀锌钢接地装置不可靠。 铜材不存在点蚀，属于缓慢的均匀腐蚀，只要坚持定期抽样开挖检查，完全可以避免由接地装置锈断或热稳定能力不够所造成的事故。 阴极保的可靠性与技术方案、施工质量密切相关，可通过定期开挖检查确定接地装置状况。

防腐导电涂料法的可靠性与涂料的粘结力、涂刷均匀性、施工中有无碰伤、钢材清洁度及有无毛刺密切相关，但实际运行经验不多。

综上所述，铜接地装置最可靠，阴极保居中，防腐导电涂料法和热镀锌钢法最不可靠。

3．5．3 寿命价格比

按照平均年腐蚀率0．1 mm／a，热镀锌钢接地装置寿命可达30年，但实际上，由于钢材存在点蚀，而点蚀速度比年平均腐蚀率高几倍，因此，热镀锌钢接地装置10年便有可能腐蚀断，网内有的变电站的接地装置确实如此，这跟实际情况差不多，因此，热镀锌钢接地装置在平均年腐蚀率0．1 mm／a情况下，寿命最多15年，寿命价格比为15／12＝1．25。 铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢的（1／5）～（1／10）。铜的年腐蚀率可取为0．02 mm／a，按照上面铜材厚度1 mm裕度计，铜接地装置的寿命可达50年，寿命价格比为50／26＝1．9。

阴极保寿命按设计值30年计，寿命价格比为30／19．8＝1．5。

防腐导电涂料法寿命按厂家给出值30年计，寿命价格比为30／12＝2．5。

综上所述，防腐导电涂料法和铜接地装置寿命价格比最高，阴极保居中，热镀锌钢法寿命价格比最低，即最不经济，尽管一次性投资最低。 3．5．4 综合比较分析 热镀锌钢法、铜接地装置法、阴极保和防腐导电涂料法4种防腐措施的电气性能基本相同；从可靠性角度看，铜网最可靠，阴极保次之，热镀锌钢法和防腐导电涂料法明显较差；从经济效益方面看，防腐导电涂料法和铜网最好，阴极保次之，热镀锌钢法最不经济。

综上所述，对于腐蚀较严重的变电站，建议考虑防腐措施时，应优先选取铜网，阴极保次之，不应采用热镀锌钢法，防腐导电涂料法待运行一段时间后再考虑是否采用。 4 结论

（1）对于腐蚀较严重的变电站应选取铜材，不仅可靠性高，寿命价格比也合理，阴极保次之，不能采用传统的热镀锌钢法，防腐导电涂料法需进一步考验。

（2）对于腐蚀轻微的变电站宜选用钢材，这是因为腐蚀轻微变电站的土壤电阻率往往也很高，工频接地电阻降不下来，可以充分利用钢材截面大、散流特性好这一优点。另外，造价也便宜。

（3）今后新建变电站接地装置的设计寿命应提高到50～60年，现在的设计寿命25～30年太短，这是因为变电站接地装置的改造费用要数倍于新建时的费用。接地装置设计寿命提高到50～60年后，从长远看，一方面节省了投资费用，另一方面也提高了可靠性。 （4）什么样的变电站需要选用铜网，必须具体问题具体分析，也需要尽快制定相应的判断标准。对于已投运变电站来说，完全可以根据开挖情况，探明地网的实际腐蚀情况，从而指导改造中的材料选取。对于新建变电站，最好提前在站里埋入钢体，实际测取钢体腐蚀数据。另外，也可以根据变电站土壤电阻率大小来判断腐蚀情况，根据网内外经验，当土壤电阻率小于100Ω／m时，腐蚀性一般较严重。

（5）变电站的土壤情况不同时，接地装置也应该选取不同的铜材。紫铜、黄铜、青铜在不同腐蚀液中，腐蚀速度是不同的。比如，在试验溶液pH为5．8时，紫铜的腐蚀速度较快，是黄铜的1．6倍；但在pH为8．7的试验溶液中，紫铜的腐蚀速度比黄铜慢，大约是黄铜的48％。