申學(xué)德，程克娜，梁永東

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.東北電力設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

鹽漬土地區(qū)高壓輸電線路桿塔接地裝置腐蝕分析

申學(xué)德1，程克娜1，梁永東2

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.東北電力設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

針對(duì)我國(guó)分布廣泛的鹽漬土地區(qū)對(duì)高壓輸電線路桿塔接地裝置的腐蝕問題進(jìn)行了分析，并介紹了腐蝕的特點(diǎn)。對(duì)近年國(guó)內(nèi)外常見的地下金屬網(wǎng)防腐措施進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合現(xiàn)行有關(guān)高壓輸電線路接地規(guī)程要求，給出我國(guó)鹽漬土區(qū)域內(nèi)桿塔接地裝置有效可行的防腐保護(hù)措施，為鹽漬土區(qū)域內(nèi)高壓輸電線路桿塔接地工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

鹽漬土；輸電線路；接地；防腐

高壓輸電線路桿塔接地裝置是輸電線路基本防雷保護(hù)設(shè)施，當(dāng)雷擊桿塔（或避雷線）時(shí)，雷電流經(jīng)桿塔再經(jīng)接地裝置流向大地，保護(hù)輸電線路導(dǎo)線不被雷擊，避免因雷擊發(fā)生跳閘事故［1］。接地裝置性能的優(yōu)劣直接影響到防雷保護(hù)效果，如接地裝置中的某段金屬出現(xiàn)腐蝕甚至產(chǎn)生斷裂，接地裝置的導(dǎo)電性將大大降低，接地電阻也隨之大幅增加，給輸電線路防雷保護(hù)埋下隱患。

鹽土也稱為鹽堿，超過0.5%的易溶鹽含量，具有松散、吸水等特性。鹽漬土壤可分為亞硫酸鹽、氯鹽、亞氯鹽、碳酸鹽、硫酸鹽鹽漬土。我國(guó)鹽漬土分布較廣，主要分布在新疆、寧夏、甘肅、青海、陜西和內(nèi)蒙古地區(qū)［2］。沿海地區(qū)以含氯鹽的鹽漬土為主，其余地區(qū)的鹽漬土大多為含氯鹽的混合鹽。

鹽漬土中氯化物的存在是引起輸電線路桿塔接地裝置腐蝕的最主要原因，氯離子能破壞鋼筋表面鈍化膜引起鋼筋局部腐蝕，并對(duì)腐蝕過程具有催化作用。

我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)程及文件一般要求高壓線路的桿塔接地體對(duì)其進(jìn)行熱鍍鋅處理，但在鹽漬土地區(qū)的金屬接地體經(jīng)過若干年使用后，往往由于鋅層破壞而發(fā)生銹蝕，縮短了使用壽命。處于強(qiáng)鹽漬土及鹽湖地區(qū)的普通鍍鋅接地體實(shí)際壽命一般只有3～5年。

由于接地裝置埋設(shè)在地下，對(duì)接地網(wǎng)的檢查、維護(hù)及翻修改造耗費(fèi)大量的人力物力，操作困難，費(fèi)用巨大。目前一般采用定期抽樣開挖檢查，該方法具有盲目性，工作量大、效率低，并受實(shí)際運(yùn)行條件的制約。因此，解決鹽漬土地區(qū)接地體腐蝕的診斷和防護(hù)，提高接地體材料自身耐腐蝕性能對(duì)降低電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 桿塔接地裝置腐蝕成因及特點(diǎn)

輸電線路的防雷接地裝置，埋設(shè)于地下0.3～0.8 m的土壤中，土壤是造成腐蝕的環(huán)境介質(zhì)［3］。土壤腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，受土壤的pH值﹑雜散電流﹑化學(xué)反應(yīng)﹑電阻率和微生物的影響極大。在鹽漬土地區(qū)土壤中含有大量的氯離子，氯離子半徑小且穿透力強(qiáng)，其腐蝕原理是氯離子隨著鹵水吸附在鋼結(jié)構(gòu)上，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)取代了鈍化膜中的氧離子，使鋼結(jié)構(gòu)表面起保護(hù)作用的氧化鐵變?yōu)闊o(wú)保護(hù)作用的氯化鐵，在鹵水中氯化鐵形成結(jié)晶，隨后膨脹，形成裂縫，裂縫順鋼結(jié)構(gòu)由細(xì)至寬，由短變長(zhǎng)，形成惡性循環(huán)。

根據(jù)我國(guó)第1條500 kV輸電線路姚雙線（1982年1月13日投運(yùn)）接地體開挖情況分析，其腐蝕特點(diǎn)如下。

a.圓鋼。圓鋼在土壤中腐蝕發(fā)展方式為銹層方式，銹層為層狀、樹皮狀，使圓鋼層狀分離，嚴(yán)重時(shí)完全連續(xù)的銹層大塊大塊脫離圓鋼本體，在清除銹皮后，圓鋼表面可看到個(gè)別的或小區(qū)域內(nèi)有麻面和深坑，小孔狀腐蝕坑分布呈點(diǎn)狀彌散分布，形成點(diǎn)蝕或點(diǎn)腐蝕。發(fā)現(xiàn)10 mm圓鋼僅剩3 mm粗，一折即斷。

b.接地網(wǎng)。開挖檢查發(fā)現(xiàn)接地引下線是銹蝕接地網(wǎng)的銹蝕最嚴(yán)重的部位，具體位置為垂直體入土處至水平體彎曲處，如圖1所示。

圖1 嚴(yán)重銹蝕部位示意圖

c.接地引下線銹斷。斷裂兩端成針狀，既有剝蝕，又有點(diǎn)蝕。

2 常見接地網(wǎng)防腐措施

2.1 采用鍍鋅法保護(hù)接地體

國(guó)內(nèi)目前最常用的常規(guī)接地裝置采用熱鍍鋅圓鋼放射線，其導(dǎo)電性較好，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，無(wú)環(huán)保問題。但在鹽漬土地區(qū)或使用降阻劑的情況下，其防腐性能較差，即使成倍增大接地體截面積，接地體壽命也不可能成倍增加，主要原因是鋅在鹽漬土內(nèi)很快會(huì)被氯離子腐蝕，且由于鍍鋅層的厚度有限，因此接地體運(yùn)行的壽命也有限。鋅的耐蝕性不如銅，國(guó)外研究表明銅接地極厚度13年腐蝕掉0.000 12 mm，而鍍鋅接地極年腐蝕掉鍍層0.063 5 mm［4］。

2.2 設(shè)置非金屬保護(hù)層或采用耐蝕非金屬接地體作為接地電極

能夠采用的非金屬接地體材料很多，其中人造石墨電極（接地模塊）應(yīng)用較廣泛，其具有易加工、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)。人造石墨電極導(dǎo)電性好，電阻率較小，一般在7×10-6Ωcm左右，使用壽命長(zhǎng)且化學(xué)性能穩(wěn)定，比鋼的腐蝕速率小30倍。但石墨易脆，安裝難度較高。

石墨碳粉末和凝膠體是物理降阻劑主要成分，其改善了接地體與接觸介質(zhì)的酸堿性，并將土壤的鹽等介質(zhì)進(jìn)行隔離，在降阻劑中起凝聚作用的膠體能降低接地體周圍的氧含量，能夠幫助接地體防腐。降阻劑存在緩蝕劑，接地體表面在無(wú)機(jī)緩蝕劑的作用下，生成一層鈍化膜，而有機(jī)緩蝕劑定向排列吸附在金屬表面，能保護(hù)金屬，把腐蝕介質(zhì)與金屬表面分隔開。

此外，還可應(yīng)用石墨粉和焦炭，使其為保護(hù)層。試驗(yàn)表明，有焦炭粉末層保護(hù)的鋼，其腐蝕速率降低90%。

接地模塊在國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用比較廣泛，但由于價(jià)格較高，且接地模塊與桿塔引下線及模塊與模塊間連接部分仍需使用大量圓鋼，高腐蝕性鹽漬土區(qū)域內(nèi)線路接地體仍存在大面積腐蝕問題，因此，不推薦采用接地模塊。

2.3 采用鍍銅法對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)

鋼表面實(shí)施多次高溫電鍍銅工藝是從英國(guó)引進(jìn)的BS-F復(fù)合接地極，其純度為99.9%電解銅，厚0.25 mm［3］。深埋地下30年能確保不受腐蝕，腐蝕速率小于1 kg／A·a，費(fèi)用約為2倍銅包鋼接地極棒的價(jià)格，圖2為4種接地極年失重平均值比較。

由圖2可以看出，集中材料中鍍銅接地極抗腐蝕性最好。ERICO公司對(duì)壽命要求達(dá)到40年的地網(wǎng)推薦采用鍍銅0.245 mm的接地極，壽命要求達(dá)50年的地網(wǎng)，推薦采用鍍銅0.33 mm的接地極。

2.4 采用耐腐蝕的金屬代替鋼

以美國(guó)為代表的西方國(guó)家采用銅作為接地體。土壤中銅的腐蝕速率比較低，與鋼相比，銅具有更低的滲透性和更高的導(dǎo)電性。銅能提高接地體壽命1～2倍，但投資卻增加5～6倍，且將導(dǎo)致地下水及土壤污染。原蘇聯(lián)曾用不銹鋼作接地體，但不銹鋼在土壤中易產(chǎn)生不可預(yù)見的點(diǎn)腐蝕。不銹鋼腐蝕隨土壤中Cl-和SO42-含量的增大而加劇。pH值的增長(zhǎng)將增加不銹鋼的腐蝕量，腐蝕量當(dāng)pH值達(dá)到8.5以上將急劇增加。與碳鋼相比，不銹鋼的成本高3倍，鹽漬土地區(qū)不建議采用不銹鋼作為接地體。

2.5 采用導(dǎo)電涂料防止地網(wǎng)腐蝕

近年，在實(shí)際工程中應(yīng)用一種用于接地網(wǎng)防腐的納米碳防腐導(dǎo)電涂料［5］。該涂料具有不氧化且導(dǎo)電無(wú)方向性的特點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)間尚短。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，烴類氣體與氫氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)可得到納米碳。納米碳和微米碳混合物導(dǎo)電性很好。納米碳的粒徑大部分在15 nm左右。與無(wú)機(jī)—有機(jī)聚合物和復(fù)合材料相互配合，得出納米碳防腐導(dǎo)電涂料。導(dǎo)電材料的顆粒大?。?00 nm，其表面積和表面能很大，使其有納米材料的共性。納米導(dǎo)電材料幾乎可以和成膜材料在同一數(shù)量級(jí)的粒子相互滲透，且沒有明顯的界面。電解質(zhì)的解決方案無(wú)法滲透到涂層。在納米碳導(dǎo)電防腐涂料的熱穩(wěn)定性測(cè)試中，平坦的大電流擊穿后的涂層不燒損，但燒結(jié)，電阻率降低，納米碳越來(lái)越密集。納米碳防腐導(dǎo)電涂料涂層表面的圓鋼塔接地體，可滿足接地電阻要求，能有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受潮濕土壤腐蝕。

圖2 不同材料接地極腐蝕年失重比較

3 接地材料性能分析

目前，國(guó)內(nèi)外除采用銅、鍍銅、鋼、鍍鋅等作為接地材料外，鋼外涂防腐導(dǎo)電涂料也作為接地材料。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局曾研究過銅在土壤中的腐蝕情況。研究表明，銅在表面氧化膜的保護(hù)作用下，腐蝕速率呈逐年減小的趨勢(shì)，年均腐蝕速率最大為1.05× 10～5 mm／a。通過對(duì)比不同接地極的腐蝕速率，在腐蝕速率方面，鋼接和鍍鋅地極明顯大于鍍銅接地極的腐蝕速率，在年失重量方面，鍍鋅接地極約為2倍鍍銅接地極，鋼接地極約為6倍的鍍銅接地極。在濃度為35%的H2SO4和濃度為30%的NaOH中涂防腐導(dǎo)電涂層的接地極腐蝕速率為0，在31%的HCl中腐蝕速率為鍍鋅接地極的0.15倍。

接地電阻計(jì)算公式：

式中 R——接地電阻；

ρ——土壤平均電阻率；

L——接地極長(zhǎng)度；

α——接地極半徑。

由式（1）可以看出土壤電阻率、接地極長(zhǎng)度和半徑均與接地電阻大小有關(guān)，接地電阻隨接地極長(zhǎng)度縮短而減小，隨半徑減小而增大，隨土壤電阻率升高而升高。由于《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定，接地電阻一般不超過0.5 Ω。因?yàn)橥寥赖碾娮杪时茹~、鐵、導(dǎo)電涂料及其他材料高很多，因此接地電阻與接地極電阻率基本無(wú)關(guān)。

表1 幾種材料的電阻率

表1為幾種材料的電阻率。其中導(dǎo)電防腐涂料的電阻率約為鋼的近百倍，土壤的電阻率約為導(dǎo)電涂料的106倍，銅的電阻率最低，鋼其次。

接地極滿足接地體接地電阻要求的時(shí)間決定使用壽命。土壤不變，接地極長(zhǎng)度和半徑?jīng)Q定接地極電阻值。地網(wǎng)設(shè)計(jì)好后，接地極半徑受腐蝕速率影響，接地網(wǎng)腐蝕半徑減小，接地電阻增大。當(dāng)電阻增大到一定值時(shí)，接地網(wǎng)將不能滿足要求。因此，接地極腐蝕速率越小其使用壽命越長(zhǎng)。表2為各種材料接地體腐蝕速率與使用壽命對(duì)比。

表2 同材料腐蝕速率與使用壽命對(duì)比

4 接地材料經(jīng)濟(jì)性分析

因材料不同接地體成本不同。在圓鋼表面涂納米碳導(dǎo)電防腐涂料，涂料的用量為接地鋼材用量的1.2%～1.4%，涂料價(jià)格約為6 000元／t。銅作為接地材料其成本較高。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家則采用鋼接地構(gòu)件鍍銅的方法降低材料成本。然而鍍銅作接地體仍然高于鍍鋅的成本。鍍銅作為接地體成本約為鍍鋅接地體成本的2倍。但對(duì)接地極性能分析，在鹽漬土環(huán)境下，鍍銅接地極壽命遠(yuǎn)高于鍍鋅接地極的壽命。綜合考慮，選擇鍍銅接地極或在鋼表面涂防腐涂料作為接地極具有最優(yōu)性價(jià)比。

隨著接地體防腐材料及工藝的提高，熱鍍鋅鋼＋納米碳防腐導(dǎo)電涂料接地體逐漸被廣泛應(yīng)用，該涂料屬聯(lián)合保護(hù)地網(wǎng)方式，具有“1＋1＞2”的效果。該涂料接地網(wǎng)在一般環(huán)境土壤中能使用約50年，且導(dǎo)電性好，其價(jià)格比圓鋼表面直接涂納米碳導(dǎo)電防腐涂料略貴。隨著實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越多，價(jià)格將逐步降低，因此，位于鹽漬土區(qū)域內(nèi)的線路接地體可采用熱鍍鋅鋼＋納米碳防腐導(dǎo)電涂料接地形式。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決鹽漬土區(qū)域桿塔接地裝置腐蝕損壞較快問題，可采用鍍銅圓鋼作為接地體或在鍍鋅圓鋼表面涂刷一層納米碳導(dǎo)電防腐涂料，起到防腐和導(dǎo)電雙重效果，壽命可延長(zhǎng)1倍以上。

［1］ 朱 鈺，王 飛，張立軍.遼寧地區(qū)雷電活動(dòng)與輸電線路雷害故障特點(diǎn)［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（8）：35-42.

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Corrosion Analysis of High?voltage Transmission Line Tower Grounding Device in Saline Soil Area

SHEN Xue?de1，CHENG Ke?na1，LIANG Yong?dong2
（1.The maintenance Branch of Liaoning Electric Power Company Limited，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Northeast Electric Power Design Institute，Changchun，Jilin 130021，China）

The paper introduces the characteristics of corrosion，analyzes corrosion problem of tower grounding device of high?voltage transmission line from the effect of saline soil area，which is widely existed in China.In economic and technology matters the paper is compared to prevent corruption of buried metal mesh in recent years according to the current of high?voltage transmission line grounding requirements.Effective and feasible measures to protecting the grounding device are proposed.The purpose of this paper is to provide reference for power high?voltage transmission line tower grounding engineering in the saline soil area.

Saline soil；Transmission line；Grounding；Corrosion

TM75；TM862

A

1004-7913（2015）06-0020-04

申學(xué)德（1980—），男，學(xué)士，助工，從事500 kV輸電線路運(yùn)維檢修管理工作。

2015-03-20）