徐 松，楊漫兮，劉 凱，王 凌，查方林，吳俊杰，周 舟，袁新民

（1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙410007；2.武漢大學，武漢430072）

500 kV變電站接地網腐蝕分析及防護措施

徐 松1，楊漫兮2，劉 凱1，王 凌1，查方林1，吳俊杰1，周 舟1，袁新民1

（1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙410007；2.武漢大學，武漢430072）

采用現(xiàn)場照片、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子能譜（EDS）和X射線衍射（XRD）分析了某500 kV變電站接地網腐蝕情況，探討了腐蝕機理，結果表明：地網腐蝕為局部腐蝕，主要原因為1）降阻劑鋪設不均勻，造成接地網局部鹽濃差腐蝕；2）土壤中存在硫酸鹽還原菌促進接地網腐蝕；3）石墨與扁鋼之間存在電偶腐蝕，泄漏電流促進了接地網局部腐蝕。并提出了接地網的防腐措施。

接地網腐蝕；降阻劑；電偶腐蝕；硫酸鹽還原菌；防腐措施

0 引言

隨著我國特高壓輸變電的發(fā)展，電壓等級越來越高，接地短路電流不斷增大，對變電站接地網的安全可靠性提出了更高的要求[1-6]。由于接地網長期埋在地下，經常因為土壤腐蝕而造成變電站電氣設備的“失地”，當發(fā)生接地短路故障時，將造成局部電位異常升高，從而威脅人身安全，還可能高壓竄入控制室，使監(jiān)測或控制設備發(fā)生誤動或拒動而擴大事故，造成一次設備的著火、損壞、變電站全停，甚至發(fā)展成嚴重的系統(tǒng)事故，給國家?guī)砭薮蟮慕洕鷵p失和不良的社會影響[7-16]。近日，運行人員在某500 kV變電站進行接地導通試驗時，發(fā)現(xiàn)一處導通電阻異常升高，挖開土壤檢查發(fā)現(xiàn)接地網已經腐蝕斷裂。筆者對該500 kV變電站接地網腐蝕原因進行了分析，并提出了一些防腐措施。

1 接地網腐蝕檢測

1.1 現(xiàn)場挖土檢查

現(xiàn)場挖開湖南某500 kV變電站500 kV側1號主變C相避雷器附近水平接地網，如圖1所示：引下線未腐蝕，該處水平地網被黑色降阻劑包裹，部分區(qū)域接地扁鐵厚度減薄達30%～80%（見圖1（a））；部分區(qū)域接地網已經腐蝕斷裂（見圖1（b））；部分區(qū)域降阻劑厚薄分布不均勻，且可見降阻劑的包裝塑料袋，該區(qū)域接地扁鐵相對完好（見圖1（c））；部分無降阻劑區(qū)域接地扁鐵腐蝕相對較輕，腐蝕產物呈黑褐色（見圖1（d））；一處已經銹蝕斷裂的接地扁鐵表面腐蝕劇烈，出現(xiàn)向河流一樣平行排列的溝槽（見圖1（e））。

圖1 500 kV側1號主變高壓側C相避雷器附近接地網腐蝕照片F(xiàn)ig.1 The typical corrosion photograph of the grounding grid in the near phase C surge arresters of the No.1 primary transformer in the region of 500 kV

1.2 變電站改造及降阻劑使用情況

通過查閱資料，該變電站在1995年基建時，曾使用過降阻劑，敷設的位置位于變電站中心地段，和此次腐蝕位置較為吻合，此外該變電站在2010年進行過地網改造，當時的改造方式是對500 kV變電站地網改“川”字型結構為“田”字形結構，改造時，在站內并未采用降阻劑，而在站門口出口處敷設了降阻劑。

1.3 土壤及降阻劑理化分析

通過檢測土壤及降阻劑的理化參數，可以判斷其腐蝕影響因素，表1為兩處土壤和兩處降阻劑的理化參數，表2為土壤及降阻劑（1：1）過濾液中陰陽離子含量。

表1 土壤理化參數Table 1 The parameter of the soil around of the grounding grid

從表1和2可看出，土壤含水量為26%左右，呈中性，SO42-含量相對較高，說明可能存在硫酸鹽還原菌腐蝕。取不同位置降阻劑，分析結果表明：降阻劑呈堿性，電導率很大，說明吸水性很強；導通實驗表明，該降阻劑電子導電性極強；氧化還原電位均約為100 mV，說明容易發(fā)生厭氧微生物腐蝕，此外，不同位置的降阻劑電導率以及pH值有差異，說明降阻劑與土壤混合不均勻，從而會導致局部腐蝕。

表2 土壤及降阻劑（1：1）過濾液離子含量Table 2 The filtrate ion concentration of the soil andresistance reducing agent（1∶1） μg/L

1.4 腐蝕產物及降阻劑成分分析

掃描電子顯微鏡（SEM）可以觀察樣品表面腐蝕產物形貌，電子能譜（EDS）可以分析腐蝕產物的組成元素，X射線衍射（XRD）可以分析腐蝕產物的物相，測試腐蝕產物的含量。取圖1（e）中樣品對腐蝕產物進行能譜和X射線分析，圖2為腐蝕扁鋼橫截面和表面掃描電鏡及能譜分析，可見腐蝕產物很厚，其主要元素為Fe、O、Si、S等，用X射線進一步分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產物的主要成分為SiO2、FeOOH、Fe2O3、Fe3O4、FeS2（見圖3）。其中SiO2為土壤成分，其余為腐蝕產物，F(xiàn)eS2的存在說明有硫酸鹽還原菌參與了腐蝕過程。圖4為降阻劑的X射線物相分析，由圖可見，降阻劑主要成分為石墨、CaCO3、KAl2（Si3Al）O10（OH，F(xiàn)）2。表3為降阻劑物相定量分析，由表3可知，石墨含量高達63.2%，考慮到石墨吸附土壤中的離子（Ca，K，Al，Si），且降阻劑呈堿性，可以推斷此降阻劑為石墨+鈍化劑型物理降阻劑，該降阻劑利用石墨的強導電性和吸水性達到接地降阻的目的。

圖2 接地扁鋼橫截面/表面產物掃描電鏡及能譜分析Fig.2 The cross section of grounding flat steel and the SEM，EDS for the surface corrosion products

表3 降阻劑物相定量分析Table 3 The quantitative analysis of the resistance reducing agent

1.5 腐蝕電化學試驗

為了進一步研究石墨型降阻劑對接地網材料的腐蝕行為，在實驗室進行了電化學實驗，以測試樣品在4種土壤中的腐蝕速率。實驗采用表2中的土壤，進行Tafel極化，電位范圍：-200～200 mV，掃描速率為1mV/s。

圖3 表面腐蝕產物X射線物相分析Fig.3 The XRD analysis of the surface corrosion products

圖4 降阻劑X射線物相分析Fig.4 The XRD analysis of the resistance reducing agent

圖5為碳鋼材料在土壤和降阻劑飽和液中Tafel曲線和線性極化曲線，表4為圖5曲線擬合得到4種溶液中碳鋼的腐蝕速率，由腐蝕電化學測試結果可知，碳鋼在C（純降阻劑）和D（降阻劑和土1：1混合）樣中的腐蝕速率明顯大于A（斷路器土壤）和B（變壓器土壤）樣，尤其在降阻劑中，雖然降阻劑呈堿性，對碳鋼有鈍化作用，但是鈍化電流較大，所以碳鋼腐蝕速率仍然高達0.802 mm/a，遠超過《接地降阻材料技術條件》（DL/T 380—2010）規(guī)范要求扁鋼在純降阻劑中的平均腐蝕速率應在0.03 mm/a。

圖5 Tafel曲線和線性極化曲線Fig.5 Tafel curve and linear polarization curve

表4 由圖5曲線擬合得到4種溶液中碳鋼的腐蝕速率Table 4 Corrosion rate of carbon steel in the four liquid fitting from fig.5

由圖1（e）中的溝槽腐蝕形貌特征及石墨自腐蝕電位大于碳鋼，推測碳鋼和石墨降阻劑存在電偶腐蝕[17]，因此測試了石墨棒與碳鋼的電偶腐蝕，結果表明:兩者在土壤中的電位差值高達1 089 mV，見圖6和表5，碳鋼/石墨電偶腐蝕劇烈，理論腐蝕速率高達2.179 mm/a，由于實際降阻劑并非純石墨，且周圍土壤溫度，濕度等影響，因此實際腐蝕速率比理論測試值小。

1.6 埋片腐蝕試驗

表6為埋片腐蝕速率，實驗采用表2中的土壤，兩個平行試樣，周期為20天。

由表6所示，由于埋片時間較短，腐蝕速率比電化學腐蝕速率低，但趨勢一致，即碳鋼在純降阻劑中的腐蝕速率最大，這與電化學實驗結果相吻合。從腐蝕20天后的表面形貌可以看出（圖7），在土壤中碳鋼主要為均勻腐蝕（見圖7的A和B），而在純降阻劑中，局部腐蝕明顯（見圖7的C和D），說明降阻劑促進了碳鋼的局部腐蝕。

圖6 電偶腐蝕電流密度隨時間變化曲線Fig.6 The curve of current density with time for galvanic corrosion

表5 電偶腐蝕參數Table 5 The parameter of galvanic corrosion

表6 埋片腐蝕速率Table 6 The corrosion rate of grounding sample

2 腐蝕原因分析

從開挖的情況看，該500 kV變電站接地網為嚴重的局部腐蝕（見圖1），實驗結果表明腐蝕原因主要有以下幾點：

1）降阻劑鋪設不均勻（見圖1），導致了接地網鹽濃度差腐蝕。由于降阻劑具有較強的吸附性，其吸附了大量土壤中的Ca，K，Al，Si離子（見表3），在降阻劑鋪設厚實區(qū)域，離子濃度高，在降阻劑鋪設稀薄區(qū)域，離子濃度低，降阻劑厚實區(qū)域為陰極，而降阻劑稀薄區(qū)域為陽極形成鹽濃度差腐蝕電池，導致降阻劑稀薄區(qū)域接地扁鋼腐蝕，此外由于只有少數區(qū)域降阻劑稀薄，大部分區(qū)域降阻劑厚實，從而形成大陰極小陽極現(xiàn)象，進一步加速了接地扁鋼的電化學腐蝕。對于有塑料袋包裹的降阻劑處地網腐蝕相對較輕微（圖1（c）），主要是由于塑料袋隔離了土壤，使得此處地網降阻劑含水量相對較少，氧濃度低（擴散受阻），減緩了地網的腐蝕。

圖7 20天后的試片形貌Fig.7 The photograph of the sample for during after 20 days

2）硫酸鹽還原菌加速了接地扁鋼的腐蝕。證據有：降阻劑氧化還原電位約為100 mV滿足硫酸鹽還原菌腐蝕發(fā)生充分條件（見表1）；土壤中含有較高硫酸根離子（見表2）；接地扁鋼腐蝕產物呈黑褐色（見圖1（d））；能譜及X射線衍射確認腐蝕產物中含有硫化鐵（見圖3）；這些證據說明存在較嚴重的硫酸鹽還原菌腐蝕。硫酸鹽還原菌和降阻劑聯(lián)合作用導致了接地扁鋼的腐蝕。

3）石墨型降阻劑與接地扁鋼形成電偶腐蝕。能譜及X射線衍射分析可知降阻劑主要成分為石墨和碳酸鈣（見表3），其離子電導和電子電導率較普通土壤成數量級增加，也將大大加快扁鋼的腐蝕速率，只是由于降阻劑呈堿性，對碳鋼有鈍化作用才降低其電化學腐蝕速率。石墨包裹扁鋼，而石墨在土壤中的腐蝕電位遠高于扁鋼，兩者電位差大約為1 089 mV（見表5），從而使得兩者形成強電偶對，在合適條件下如形成離子電流或電子電流通路時將由電偶腐蝕主導腐蝕進程。實驗表明：在1：1面積比下，純石墨與扁鋼電偶對的引起扁鋼電偶腐蝕（見圖6），其速率是土壤腐蝕速率的10倍。

4）此次銹蝕斷裂地網剛好位于兩避雷器中間，不能排除可能存在泄漏電流，加速了扁鐵和降阻劑之間的電偶腐蝕，溝槽狀的腐蝕形貌也佐證了存在強烈的電流腐蝕（見圖1（e））。

3 結論及建議

3.1 結論

文中地網腐蝕為局部腐蝕，主要原因：1）降阻劑鋪設不均勻，導致了接地網鹽濃度差腐蝕；2）土壤硫酸鹽還原菌和石墨+鈍化劑型降阻劑聯(lián)合作用加劇了接地扁鋼局部腐蝕；3）石墨與扁鋼的電偶腐蝕在泄漏電流作用下快速腐蝕。

3.2 建議

1）加強日常的接地電阻和導通測試，重點檢查避雷器以及地勢低洼處地網，發(fā)現(xiàn)異常應立即挖土檢查，更換腐蝕斷裂的地網，已經腐蝕的地網降阻劑要全部清除換土。

2）結合停電檢修，運行單位應對使用降阻劑的變電站進行全面檢查，無一反三，排除隱患；

3）按照DL/T 380-2010要求，加強降阻劑的入網質量抽查，石墨型降阻劑存在電偶腐蝕風險，建議謹慎使用。.

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Corrosion Investigation and Protection Measures for the 500 kV Substation Grounding Grid

XUSong1，YANGManxi2，LIUKai1，WANGLin1，ZHAFanglin1，WUJunjie1，ZHOUZhou1，YUANXinming1
（1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The corrosion condition of the 500 kV substation grounding grid is investigated by the analysis live photograph，scanning electron microscopy（SEM），electron diffraction spectra（EDS）and X-ray diffraction（XRD）.The result shows that the most severely corrosion is appeared on the local re?gion.The local corrosion of the grounding grid，the main reason is，1）the resistance reducing agent laid uniformly，which lead to the salt concentration cell corrosion of grounding grid;2）the existence of sul?fate reducing bacteria in soil promoted the corrosion of grounding grid;3）galvanic corrosion of carbon steel/graphite and leakage current facilitated the corrosion of grounding grid.The corresponding protec?tion measures are suggested finally.

grounding grid corrosion；resistance reducing agent；galvanic corrosion；sulfate reduc?ing bacteria；protection measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.012

2016-11-23

徐松（1981—），男，高級工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)化學、腐蝕與防護技術等工作。

國家電網公司總部科技項目（編號：KG12K16004）；國網湖南省電力公司科技項目（編號：5116AA110005）。