電力系統接地材料的耐蝕性

黃 濤，丁志鋒，朱小龍，蔣 駿，彭詩怡，高 超

（1.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京210008；2.武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072；3.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京210000）

0 前言

接地網對電力系統的安全性具有重要意義。一旦接地網因腐蝕而發生斷裂，設備與運行人員都將面臨巨大威脅。在很多地區，接地網腐蝕已經成為影響電力系統安全運行的重要因素[1-3]。

近年來，國內外學者對接地材料的腐蝕問題進行了大量的研究。一方面是有關接地網腐蝕機制與接地材料耐腐蝕能力的研究，通過掌握接地材料腐蝕的條件及腐蝕速率的影響因素來抑制腐蝕的發生，延長接地網的壽命[4-8]；另一方面則致力于開發新型接地材料，通過材料本身的改性來提高其耐蝕性[9-11]。本文通過整理相關文獻，從腐蝕原理出發，總結了目前國內外防腐接地材料的研究現狀，闡述了提高接地材料耐蝕性的方法及應用情況，為易腐蝕地區接地材料的選擇及設計提供參考。

1 接地材料的腐蝕機制

傳統接地材料為金屬材料，其腐蝕主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕。這兩者在實際中往往同時存在。

1.1 化學腐蝕

化學腐蝕是一種自發性的腐蝕，主要原因是金屬接地材料的表面與空氣、土壤中的非電解質發生了化學反應?；瘜W腐蝕不會產生電流。桿塔引下線在空氣中的腐蝕就屬于化學腐蝕，如圖1所示。

圖1 桿塔引下線在空氣中的腐蝕

常見的接地材料發生化學腐蝕是由于非電解質（包括O2、OH-、Cl2等）的存在?；瘜W腐蝕后，典型特征是金屬表面會附著相應的化合物（如氧化物、氯化物等）。

1.2 電化學腐蝕

電化學腐蝕的原理是原電池原理，腐蝕部分包括陰極區和陽極區。陽極區發生氧化反應失去電子，陰極區發生還原反應得到電子。電化學腐蝕的特征在于腐蝕過程中電子從陽極溢出并向陰極運動，產生電流。圖2為電化學腐蝕模型。

圖2 電化學腐蝕模型

1.3 其他因素對接地材料腐蝕的影響

除了接地材料本身性能的原因，環境和施工工藝也會對接地網腐蝕產生很大影響。

（1）如果接地網埋深不夠，處于含氧量較多的上層土壤中，因接地材料與氧氣接觸較多，會使金屬材料發生吸氧腐蝕。

（2）回填土未按照有關規定采用細土，而是用碎砂石和其他顆粒較大的填充物，使接地網和土壤之間存在較大的間隙，造成接地體與空氣接觸。

（3）接地引下線和焊接接頭等易腐蝕部位沒有進行防腐處理，有的接頭焊接不合格，容易造成焊接頭腐蝕。

（4）特殊的土壤環境也會對金屬材料有較大的影響，如在Cl-、SO2-4較多的土壤中腐蝕會明顯加劇[12]。

（5）含水量、Cl-的濃度對腐蝕速率的影響存在極點，即隨著含水量、Cl-濃度的增加，腐蝕速率增大，但超過某一值后，腐蝕速率反而降低[13]。

2 現有接地防腐材料

2.1 金屬接地材料

金屬的導電性能良好，是接地網最常用的材料。但大部分金屬材料易腐蝕，而耐蝕性較好的銅價格昂貴且伴隨重金屬污染問題。因此，一些含電鍍金屬層的合金類金屬接地材料被廣泛應用于電網中。常見的接地材料有如下幾種。

（1）鍍鋅鋼

利用熱浸工藝在鋼材表面鍍一層均勻、有光澤的鋅層，形成了鍍鋅鋼材料。鍍鋅鋼因具有優異的耐腐蝕能力而被廣泛應用。但實際運行經驗表明，熱鍍鋅鋼材容易發生點蝕，程度甚至比腐蝕還要嚴重，正常使用壽命約為7～12 a[14]。

（2）銅覆鋼

銅覆鋼表面和純銅表面一樣，能產生氧化物，阻止進一步腐蝕。趨膚效應使銅覆鋼的電導率比純鋼材的電導率要高，而且其耐熱性也比鍍鋅鋼的耐熱性要好。銅覆鋼的價格高于鋼材的價格，但比純銅的價格要低很多。雖然銅覆鋼的點蝕問題比鍍鋅鋼的有所改善，但其表面薄銅層容易破裂，并且一旦破裂會加快內部鋼材料的腐蝕速率[15]。此外，銅在堿性土壤中極易發生腐蝕現象。因此，在我國西北地區的荒漠土壤中應特別注意銅材的腐蝕情況。

（3）不銹鋼

不銹鋼在嚴重腐蝕的環境下性能依舊穩定，耐蝕性優異，但價格較高，并且土壤中Cl-的含量對其耐蝕性影響很大。

不銹鋼包鋼材料是在傳統鋼材表面覆蓋一層不銹鋼鍍層，這種材料結合了不銹鋼的耐蝕性和普通碳鋼的經濟性，成為近期金屬接地材料的研究熱點。但不銹鋼包鋼材料的實際運行經驗較少，其應用前景與效果依舊有待考證。

（4）其他金屬材料

目前各種新式金屬合金材料不斷涌現，按材料可分為金屬合金和稀土合金。例如：銅-鋁-稀土合金材料，主要通過添加微量稀土元素細化晶粒，改善材料表面的電負性，穩定保護膜層[16]；鋅-鎂合金銅材料，采用98%鋅和2%鎂的合金作為保護層，鋅基合金的自腐蝕電位由于鎂的加入而正移，自腐蝕電流下降，延緩了鋅的腐蝕進程；此外，高磷合金鋼、高鉻合金鋼、高硅稀土合金鋼的設計依據也與上述類似，通過細化晶粒，使銹層致密化，或是改變電位，延緩腐蝕，還有抑制微生物腐蝕等[17]。但這些新型合金材料目前均實施較少，其實際效果也有待驗證。

2.2 非金屬接地材料

即使不斷有研究與突破，金屬材料的腐蝕問題依舊無法從根源上完全得到解決。正因如此，非金屬接地材料的研究也在不斷取得進展。

導電涂料主要有鎳粉、石墨粉，以及在其基礎上發展起來的納米碳導電涂料。利用納米碳的高電導率和環氧樹脂優異的結合力，從而保證接地網的穩定運行[18]。這些導電涂料或者導電膠體需要在埋入地下前對接地材料進行涂敷，以起到在物理上阻斷電化學腐蝕路徑的作用，對于已建成的接地網不適用。另外，這種導電防腐膠是否長期有效，也是說法不一。

接地模塊是用導電水泥將扁鋼等金屬接地材料包裹制成的，常見的外形包括圓柱體與立方體。導電水泥在物理上進行隔離，在減少腐蝕的同時降低接地電阻。接地模塊在工程中已有不少應用，但一段時間后挖開接地模塊發現防腐效果與預期有一定差距，主要原因是水與空氣等介質滲透進模塊內部造成保護失效。

近年來興起的柔性石墨復合接地材料具有天然的耐蝕性[19]。此種材料由高純鱗片石墨（純度不小于95%）、無機纖維與合成纖維，以及一定配比的水乳型粘合劑制備而成。柔性石墨具有良好的導電性與沖擊電流耐受特性，而且石墨的化學性質穩定，在酸、堿、鹽等傳統金屬材料易腐蝕的土壤條件下依舊保持優良的耐蝕性。

3 接地材料防腐技術

3.1 金屬材料的防腐技術

目前工程上常用的防腐措施有以下幾種。

（1）通過改變接地體自身特性，以延緩腐蝕速率。如加大接地體的橫截面積，或者直接采用耐蝕性更好的接地材料等。

（2）采用物理保護方法，主要是在物理上隔絕接地材料與造成腐蝕的非電解質接觸。目前應用較多的有導電防腐涂料與導電模塊。

（3）采用化學保護方法，也叫作陰極保護法，其依據是原電池原理，包括外加電流法和犧牲陽極法。陰極保護法是目前最有效且應用最多的方法。

（4）使用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑等產品延緩腐蝕。

3.2 非金屬材料在防腐技術中的應用

3.2.1 降阻石墨布

降阻石墨布的制備過程為：先將蠕蟲石墨（含碳量高于85%）制成蠕蟲石墨紙，經熱固、輥壓得到復合石墨紙，捻合壓制得到復合石墨條，最終編織成降阻石墨布。將降阻石墨布包覆接地材料一起施工埋入地下，可起到對接地材料金屬接頭防腐降阻的作用，如圖3所示。

與現有技術相比，降阻石墨布具有如下優點。

（1）采用降阻石墨布代替降阻劑，其降阻效果不會隨地下水移動而流失，可保證降阻效果的長久有效，同時還可避免降阻劑導致的環境污染問題。

圖3 降阻石墨布的使用

（2）制備工藝簡單，成本低廉，適用于規?；瘧?，對電力系統防雷接地技術領域具有顯著的現實意義。

3.2.2 非金屬接頭

石墨復合接地材料金屬接頭的腐蝕問題依然存在，耐蝕性強的非金屬接頭的研制能有效解決這個問題。選擇非金屬材料應具備以下要求：良好的耐腐蝕性能與抗老化性能；可靠的力學連接強度；盡可能增加石墨復合接地材料的接觸面積，減小接觸電阻；減小對散流的影響；非金屬接頭采用夾板、螺桿和螺栓固定。經過材料比較，上下夾板選擇高強度環氧樹脂材料，螺桿、螺栓選擇杜邦特氟龍材料，如圖4所示。

圖4 非金屬接頭

4 結論

綜上所述，要解決接地體的腐蝕問題，主要有兩個方面：一方面是接地材料本身的改性；另一方面，施工工藝及設計是影響接地體壽命的重要因素。需要結合理論與實踐，獲得更合理的接地網設計與選址的經驗，還應當出臺統一的接地材料選用標準，用標準指導材料選擇，使其更加規范與可操作。除此之外，應該規范施工過程，保證工程質量，盡量杜絕因施工不規范而造成的接地網腐蝕事故。