曹 英，劉 磊，曹 默，閆愛軍

(1.西安理工大學(xué)，西安710054;2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安710054)

接地網(wǎng)在變電站中起著防雷電、工作接地、泄流均壓等作用，是保證變電站安全運行的關(guān)鍵設(shè)施之一。它長期埋藏在物理化學(xué)性質(zhì)錯綜復(fù)雜的土壤環(huán)境中，且受感應(yīng)電流和故障電流泄流的影響，引起的腐蝕較為嚴重。接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)致其厚度減薄甚至斷裂，使接地性能劣化。一旦發(fā)生電力系統(tǒng)短路故障，短路電流來不及在土壤中充分擴散，造成地電位異常升高，使接地設(shè)備外殼帶電而危及人身安全，可能損毀二次保護裝置，發(fā)生誤動或拒動而擴大事故，導(dǎo)致大面積停電，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響［1，2，3］。

土壤因素是接地網(wǎng)材料腐蝕的重要原因。我國幅員遼闊，土壤類型眾多，性質(zhì)差異巨大。土壤性質(zhì)對埋于其中的金屬腐蝕作用有顯著的不同。以四種典型的土壤為腐蝕介質(zhì)，以碳鋼材質(zhì)為研究對象，采用電化學(xué)極化曲線法，對比研究了接地網(wǎng)在不同類型土壤中的電化學(xué)腐蝕特征，分析了其腐蝕規(guī)律，研究了腐蝕機理，旨在為接地網(wǎng)材料防腐蝕設(shè)計、運行維護提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

工作電極材料采用接地網(wǎng)碳鋼材料，用環(huán)氧樹脂+6%～8%的乙二胺密封試樣的非工作表面，涂封后試樣中心保留面積為1 cm2的工作面。封樣操作前，將制備好的電極經(jīng)過360#、600#、800#、1 000#和1 200#砂紙逐級打磨，使工作電極表面光亮無劃痕。用丙酮、無水乙醇清洗試片，干燥備用。

為了較為廣泛的考慮不同種類土壤對接地網(wǎng)材料的腐蝕影響，實驗選取了四種有代表性的土壤種類，包括:黃土、沙土、紅土和鹽漬土。分別取自陜西渭南市、陜西榆林市、福建三明市、陜西富平縣。通常取距地表深度為80 cm的土壤作為腐蝕介質(zhì)采集的四種土樣放置在烘箱中經(jīng)105℃烘烤3 h;通過加去離子水，調(diào)整含水量分別為5%、15%、25%和35%。大于35%含水量時，土壤處于飽和狀態(tài)。

1.2 電化學(xué)測試方法

電化學(xué)試驗采用三電極體系，其中參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，工作電極為接地網(wǎng)材料制電極［4］。所用設(shè)備為辰華電化學(xué)工作站。

預(yù)先經(jīng)過處理的接地網(wǎng)材料試樣作為工作電極;測試體系溫度由恒溫水浴控制，設(shè)置溫度為25℃。其中極化曲線法的掃描速率為1 mV/s，掃描從陰極開始，掃描范圍設(shè)置為相對于自腐蝕電位±200 mV(相對開路電位)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 土壤理化分析結(jié)果

四種土壤的其理化性質(zhì)見表1。

表1 四種土壤理化性質(zhì)

由表1可見，四種土壤的理化性質(zhì)有鮮明的差異。pH由高到低依次為:鹽漬土＞紅土＞沙土＞黃土，電導(dǎo)率由大到小依次為:鹽漬土＞黃土＞沙紅土＞紅土，總含鹽量以及氯離子由大到小依次為:鹽漬土＞黃土＞紅土＞沙土。

2.2 不同含水率下四種土壤的極化曲線及數(shù)據(jù)擬合

調(diào)整四種土壤的含水率分別為5%、15%、25%和35%，接地網(wǎng)材料的極化曲線結(jié)果如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)材料在四種土壤中的極化曲線

由圖1可以看出，接地網(wǎng)材料在四種土壤不同含水量下，極化曲線有較為顯著的差異?？傮w趨勢上，腐蝕電位隨含水量升高而降低。

表2反映了極化曲線的擬合結(jié)果。

表2 接地網(wǎng)材料在四種土壤中腐蝕極化曲線擬合參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

從圖1還可以看出，5%含水量下，腐蝕電位由高到低依次為黃土、紅土、沙土和鹽漬土;15%含水量下，腐蝕電位由高到低依次為黃土、鹽漬土、沙土和紅土;25%含水量下，腐蝕電位由高到低依次為紅土、沙土、黃土和鹽漬土;35%含水量下，腐蝕電位由高到低依次為紅土、沙土、黃土和鹽漬土。

由圖1和表2可見，四種土壤的腐蝕電位隨含水量升高而降低。這與不同含水量下，土壤的孔隙率、粘結(jié)性、含鹽量等有關(guān)。

由腐蝕電流密度和腐蝕速率可見，四種土壤的腐蝕性由大到小依次為鹽漬土＞黃土＞紅土＞沙土，尤其是沙土的腐蝕速率遠低于其他幾種土壤。

含水量越高腐蝕速率也越大，這是由于上述極化曲線只研究了接地網(wǎng)材料在拋光的試片表面的腐蝕電化學(xué)過程，反映的是腐蝕體系最初期的腐蝕規(guī)律。

土壤中碳鋼接地網(wǎng)的腐蝕過程是由鐵和氧組成共軛體系。陽極反應(yīng)中，F(xiàn)e經(jīng)過一系列復(fù)雜的反應(yīng)，最終生成鐵各種的氧化物，電位正移;對應(yīng)的陰極反應(yīng)電位負移。如果內(nèi)外電路電阻為零，陰、陽極極化曲線必然相交與一點，即陰、陽極反應(yīng)具有共同的電位EC，稱為金屬的自腐蝕電位或者腐蝕電位(Corrosion potential)，用 Ecoor表示。

這時是在腐蝕電位Ec時，ia=ic，在一定的邊界條件下，有:

由上式可見，陰陽極反應(yīng)的交換電流密度對于腐蝕電位的數(shù)值有決定的影響。當時，腐蝕電位Ec非常接近于陰極反應(yīng)平衡電位Ee2;當時，腐蝕電位Ec非常接近于陽極反應(yīng)平衡電位Ee1;交換電流密度其大小除受溫度影響外，還與電極反應(yīng)的性質(zhì)密切相關(guān)，并與電極材料和反應(yīng)物質(zhì)的濃度有關(guān)［43］。

含水量低時，土壤的孔隙率高，氧的陰極電極反應(yīng)容易進行，當在陽極表面形成有效的水膜接觸時，水膜膜厚較薄，氧氣傳質(zhì)迅速，導(dǎo)致陰極交換電流密度，因此腐蝕電位Ec總體上靠近接近于陰極反應(yīng)平衡電位Ee2;當含水量增高時，土壤的孔隙率逐漸減小，氧的電極反應(yīng)進行越來越困難，陰極交換電流密度逐漸減小，而陽極反應(yīng)的交換電流密度逐漸增大，同時，土壤中的含鹽量溶解于水中，使陽極反應(yīng)的交換電流密度各有差異，因此腐蝕電位Ec不斷遠離陰極反應(yīng)平衡電位Ee2，而逐漸靠近陽極反應(yīng)平衡電位Ee1。

這一現(xiàn)象形成的原因是，土質(zhì)不同時，在相同含水量時，吸水率、粘結(jié)性、水中含鹽量也不同?？傮w趨勢時，吸水率由低到高依次為沙土、紅土、黃土和鹽漬土;粘結(jié)性相反;含鹽量由大到小依次為鹽漬土、黃土、紅土和沙土。上述因素共同作用的結(jié)果形成了上述腐蝕電位的排列。

黃土在5%水分含量下，形成相對均勻的潮濕土壤，因而陰極反應(yīng)易于進行，對應(yīng)的陰極交換電流密度最大。紅土次之，沙土再次，最后為鹽漬土。這一點由土壤的性狀可以看出，尤其鹽漬土最為明顯，它具有強烈的吸水性，在含水量低時，形成塊狀結(jié)構(gòu)，雖然氧氣傳質(zhì)阻力地，但是與陽極接觸的水膜面積最小，不能形成有效的反應(yīng)接觸面，導(dǎo)致其陰極交換電流密度最?。?］。15% 水分含量下，黃土仍與陽極極材料保持最大的水膜接觸面積，且水膜中溶解里離子濃度較高，保持最高的陰極交換電流密度。紅土的水膜面積以及溶解離子的綜合作用，使得其陽極交換電流密度增大最為迅速，表現(xiàn)為其腐蝕電位負移最大。沙土和鹽漬土居于黃土和紅土之間。25% 水分含量下，四種土壤均與水充分接觸，此時氧氣的溶解變得較為困難，陰極控制程度增加，和溶解離子濃度的綜合作用，使得腐蝕電位趨于相同。35% 水分含量下，紅土、沙土、黃土基本相同，但是鹽漬土由于溶解了大量的鹽分，陽極反應(yīng)的交換電流密度最大，同時鹽分的增加使得氧氣在水中的溶解量最小，陰極過程強烈受阻，陰極交換電流密度最小，表現(xiàn)為，腐蝕電位Ec非常接近于陽極反應(yīng)平衡電位Ee1。

電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的一系列中間步驟中，陰陽極反應(yīng)進行的難易程度不同，最難進行的步驟，是決定腐蝕反應(yīng)速度的控制步驟。接地網(wǎng)材料在土壤的水溶液中的腐蝕過程，包括鐵的陽極溶解和溶解氧的陰極還原這組共軛反應(yīng)。由陽極塔菲爾斜率 /陰極塔菲爾斜率之比可以看出，沙土、紅土和黃土均為混合控制過程;鹽漬土在含水量5%、15% 和25% 時較為強烈的陽極控制，而在35% 時，βa/βc為0.53，即βc約是βa的兩倍，表現(xiàn)為較為強烈的陰極控制，此時腐蝕過程為陰極控制為主的混合控制的腐蝕體系。試驗時，35%的粘土粘結(jié)力強，溶解氧向鋼鐵表面?zhèn)髻|(zhì)顯著困難。

由腐蝕電流密度和腐蝕速率可見，四種土壤的腐蝕性由大到小依次為鹽漬土＞黃土＞紅土＞沙土，尤其是沙土的腐蝕速率遠低于其他幾種土壤。

3 結(jié) 論

(1)接地網(wǎng)材料在四種土壤中主要為陰陽極共同控制的腐蝕過程;

(2)沙土、紅土、黃土和鹽漬土四種土壤的腐蝕電位隨含水量升高而降低，腐蝕性由大到小依次為鹽漬土＞黃土＞紅土＞沙土;

(3)在上述實驗條件下，接地網(wǎng)材料在四種土壤中的腐蝕性與土壤含鹽量及含水量密切相關(guān)。含鹽量越高，腐蝕性越強;含水量越高，腐蝕性越強。

［1］何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:1.

［2］王琨，胡學(xué)文，許崇武.接地網(wǎng)電化學(xué)防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2003.36(4):54-57.

［3］翁羽豐.接地裝置腐蝕分析及材料選用建議［J］.浙江電力，2010(4):54-56.

［4］ASTM G5-94(2004).Standard reference test method for making potentiostatic and potentiodynamic anodic polarization measurements［S］.2004.

［5］李謀成，林海潮，曹楚南.濕度對鋼鐵材料在中性土壤中腐蝕行為的影響［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2000，12(4):218-219.