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        犧牲陽極法在風(fēng)電接地工程中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2018-04-26 02:18:01孫紅雨陳亮亮
        西北水電 2018年1期
        關(guān)鍵詞:工程

        韓 源,靖 峰,孫紅雨,孫 靜,陳亮亮

        (中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

        0 前 言

        作為風(fēng)電項(xiàng)目重要環(huán)節(jié),接地工程質(zhì)量受土壤條件影響巨大。長(zhǎng)期處于各種惡劣土壤環(huán)境的接地材料會(huì)受到不同程度散雜電流、化學(xué)、電化學(xué)等腐蝕,此種情況在鹽殼地貌或海上等類型風(fēng)電場(chǎng)更為顯著。因此防腐是接地工程設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的問題之一。

        目前接地工程的防腐措施有[1-3]:① 采用覆蓋層保護(hù)(如采用防腐導(dǎo)電涂料、鍍鋅鋼/鍍銅鋼等);② 采用耐腐蝕度更高材質(zhì)(如銅材);③ 采用電化學(xué)保護(hù)(犧牲陽極法/外加電流法)等。采用覆蓋層保護(hù)防腐措施投資最少,但其對(duì)運(yùn)輸、施工工藝要求較高,若覆蓋層被破壞則接地體點(diǎn)腐蝕速度更快;采用銅材等耐腐蝕性更好,但成本會(huì)增加很多,這是由于中國銅資源相對(duì)匱乏所致。因此近幾年通過電化學(xué)保護(hù)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行防腐的方式在風(fēng)電工程中越來越多的被提及。

        1 防腐工程需求和犧牲陽極法原理

        1.1 各種防腐措施存在的問題

        (1) 通過覆蓋層保護(hù)

        采用防腐導(dǎo)電涂料、鍍鋅/鍍銅材料本質(zhì)是利用覆蓋層保護(hù)。覆蓋層的作用在于使導(dǎo)體與外界隔離,以阻礙金屬表面的微電池腐蝕作用[4]。但無論非金屬覆蓋層或金屬覆蓋層,實(shí)際工程中均存在局部被破壞的可能。此時(shí)被保護(hù)體在覆蓋層破損處表現(xiàn)為陽極狀態(tài),而被保護(hù)體在覆蓋層完好處表現(xiàn)為陰極狀態(tài)。整個(gè)被保護(hù)體表面會(huì)存在大陰極、小陽極,使被保護(hù)體在小陽極處被集中腐蝕,這類電化學(xué)腐蝕甚至比沒有覆蓋層保護(hù)的金屬構(gòu)件表面均勻腐蝕更具破壞性[5]。此外,防腐導(dǎo)電涂料存在無法量化防腐效果的問題,一般只做輔助防腐措施。

        (2) 選擇更耐腐蝕材質(zhì)的接地體

        與鋼相比,銅在土壤中的腐蝕速率更低,且具有更低的滲透性、更高的電導(dǎo)性和更好的熱穩(wěn)定性,在強(qiáng)腐蝕地區(qū)常用銅材代替鋼材做接地材料。但銅材會(huì)帶來如下問題:

        1) 增加與之相連金屬構(gòu)筑物的電化學(xué)腐蝕。由于大量自然接地體的利用,接地網(wǎng)不可避免與金屬構(gòu)筑物相連,作為較正電位的金屬(銅)將作為陰極而受到保護(hù),具有較負(fù)電位的金屬(鋼)將作為陽極而受到強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕。

        2) 對(duì)酸性介質(zhì)的防腐性能更差。DL/T 5394-2007《電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導(dǎo)則》(簡(jiǎn)稱“DL/T5394”)有要求:在PH<4.5的酸性土壤地區(qū),不宜采用銅材作為接地體。而在國家電網(wǎng)公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)及編制說明》也有類似要求:對(duì)于110 kV及以上新建、改建變電站,在中性或酸性土壤地區(qū),接地裝置選用熱鍍鋅鋼為宜。

        3) 價(jià)格更高。銅材較鋼材成本增加了5~6倍[6]。

        此外,理論上可通過增大接地導(dǎo)體截面,以滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)考慮腐蝕后導(dǎo)體仍滿足導(dǎo)流及熱穩(wěn)定的要求。但實(shí)際工程中,由于接地導(dǎo)體與土壤接觸的不均勻、土壤離子分布的不均勻等原因,導(dǎo)體存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象,而點(diǎn)蝕速度隨環(huán)境的不同而變化,且比規(guī)范、手冊(cè)[7-8]要求的年平均腐蝕率高很多,增加了量化防腐設(shè)計(jì)難度。同時(shí)過大截面的接地導(dǎo)體,無論從經(jīng)濟(jì)性還是施工難度都有明顯劣勢(shì)。

        1.2 犧牲陽極法在規(guī)范中的要求

        犧牲陽極法作為防腐領(lǐng)域中常用技術(shù),已在地下/水下構(gòu)筑物、化工及石化設(shè)備的腐蝕防護(hù)中被廣泛應(yīng)用[9],近些年也已逐步應(yīng)用在發(fā)電廠和變電站這種被保護(hù)面積較小、土壤電阻率較低且分布均勻的接地網(wǎng)的防腐中。各種犧牲陽極適用范圍見表1。

        表1 犧牲陽極法適用范圍表

        考慮到地處鹽殼地、海上等類型風(fēng)電工程單個(gè)接地系統(tǒng)保護(hù)面積較小、土壤電阻率過低,本文主要分析犧牲陽極法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

        1.3 犧牲陽極法的原理

        原電池是不同電勢(shì)差的兩級(jí)在介質(zhì)中產(chǎn)生定向電子流動(dòng)的過程。犧牲陽極法本質(zhì)上運(yùn)用了原電池原理:將接地材料與比其更活潑、更易失電子的金屬埋地后通過導(dǎo)體連接,形成了原電池(見圖1)。在原電池外部,被稱為犧牲陽極的更活潑金屬(負(fù)極)失去的電子,通過導(dǎo)體流向接地材料(正極),即導(dǎo)體中會(huì)形成從接地材料流向犧牲陽極的腐蝕電流;在原電池內(nèi)部,犧牲陽極會(huì)因?yàn)槭щ娮佣饾u溶解,在此過程中產(chǎn)生的正離子通過土壤流向接地材料。這就為接地材料提供了一個(gè)持續(xù)循環(huán)的陰極保護(hù)電流,使作為陰極的接地材料陰極極化到保護(hù)電位,表面富集電子而不再產(chǎn)生離子,從而免遭腐蝕[10]。

        圖1 犧牲陽極法原理示意圖

        與同屬陰極保護(hù)的外加電流法相比,犧牲陽極法無需外部電源。同時(shí)兼具保護(hù)電流分布均勻、施工安裝簡(jiǎn)單、適用于小規(guī)模接地網(wǎng)、對(duì)其他金屬構(gòu)筑物影響小等優(yōu)點(diǎn),在風(fēng)電接地工程中具有實(shí)用價(jià)值。

        1.4 犧牲陽極材料需滿足的要求

        為使?fàn)奚枠O能夠釋放穩(wěn)定電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)金屬的保護(hù),除上述提到的需具備比被保護(hù)金屬更易發(fā)生氧化反應(yīng)的特點(diǎn)外,犧牲陽極還應(yīng)該具備以下特征:

        (1) 提供充足且穩(wěn)定的負(fù)電位。在犧牲陽極和被保護(hù)金屬之間總有電阻存在,需要充足的電壓克服回路中電阻,為被保護(hù)金屬提供足夠大的陰極保護(hù)電流。同時(shí)需考慮犧牲陽極的工作壽命滿足設(shè)計(jì)年限要求,它的負(fù)電位應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

        (2) 提供高效而穩(wěn)定的電流。由于局部電池作用,犧牲陽極有部分電量消耗于自腐蝕中,選擇效率高、自腐蝕電流小的犧牲陽極,可有效提高其使用壽命。

        (3) 土壤電阻率或陽極填包料電阻率足夠低。

        (4) 表面溶解應(yīng)均勻,腐蝕產(chǎn)物松軟易脫落,不致形成高阻層。

        (5) 來源充足、價(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)易。

        考慮到風(fēng)電工程易腐蝕的接地材料一般為碳鋼,鎂合金和鋅合金作為相較于碳鋼還原性更強(qiáng)、電位更低,且比鎂、鋅單位重量的陽極材料發(fā)電量大的犧牲陽極,在風(fēng)電工程推薦使用。

        2 犧牲陽極法在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

        2.1 犧牲陽極法的計(jì)算流程

        分析歸納DL/T5394的附錄C和GB/T21448-2008

        《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱GB/T21448)的附錄A,犧牲陽極法計(jì)算可按下列公式計(jì)算。

        (1) 保護(hù)電流計(jì)算

        I=i×S

        (1)

        式中:i為保護(hù)電流密度,A/m2;S為保護(hù)面積,m2。

        (2) 單支犧牲陽極接地電阻計(jì)算

        單支水平式犧牲陽極接地電阻:

        (2)

        單支立式犧牲陽極接地電阻:

        (3)

        式中:Rh為單支犧牲陽極接地電阻,Ω;ρ為土壤電阻率,Ω·m;lg為裸犧牲陽極長(zhǎng)度,m,lg?dg;Dg為預(yù)包裝犧牲陽極直徑,m;tg為犧牲陽極中心至地面的距離,m,tg?lg/4;ρg為填包料電阻率,Ω·m;dg為裸犧牲陽極等效直徑,m,dg=C/π(C為周長(zhǎng),m)。

        (3) 每支陽極的發(fā)生電流計(jì)算

        (4)

        式中:If為每只陽極的發(fā)生電流,A;ΔE為陽極驅(qū)動(dòng)電位,V(鋅合金陽極取ΔE=0.25 V,鎂合金陽極取ΔE=0.65 V)。

        (4) 所需犧牲陽極支數(shù)

        (5)

        式中:n為陽極支數(shù);B為備用系數(shù),取2~3;I為保護(hù)電流,A。

        (5) 犧牲陽極工作壽命計(jì)算

        (6)

        式中:Tg為犧牲陽極工作壽命,a;Wg為犧牲陽極組凈質(zhì)量,kg;ωg為犧牲陽極消耗率,kg/(A·a)。

        (6) 多支犧牲陽極接地電阻計(jì)算

        (7)

        式中:Rg為多支組合犧牲陽極接地電阻,Ω;f為犧牲陽極電阻修正系數(shù);n為陽極支數(shù)。

        犧牲陽極法計(jì)算流程如圖2所示。

        2.2 犧牲陽極法的工程實(shí)例

        某風(fēng)電場(chǎng)配套升壓站位于新疆羅布泊,場(chǎng)地地表分布有田垅狀鹽殼,地基土體電阻率值取7 Ω·m。本工程采用自然接地體和人工接地體相結(jié)合的接地布置方式,人工接地體埋深1 m。原有接地系統(tǒng)已滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,本工程地基土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有強(qiáng)腐蝕性,需要采取防腐措施,同時(shí)結(jié)合表1結(jié)論,本工程采取鋅合金犧牲陽極法。

        圖2 犧牲陽極法計(jì)算流程圖

        2.2.1 計(jì)算保護(hù)面積

        本工程人工接地體包括作為水平接地極、規(guī)格為60 mm×8 mm的熱鍍鋅扁鋼2 500 m和作為垂直接地極、長(zhǎng)度為3 m、直徑為0.025 m的熱鍍鋅圓鋼59個(gè)。保護(hù)面積取所有人工接地體的表面積,即353.9 m2。

        2.2.2 計(jì)算保護(hù)電流

        鋼在不同介質(zhì)中保護(hù)電流密度見表2。

        表2 鋼在不同介質(zhì)中的最小保護(hù)電流密度表

        保護(hù)電流密度取35 mA/m2,保護(hù)電流為12.39 A。

        2.2.3 計(jì)算單支犧牲陽極接地電阻

        根據(jù)DL/T5394所列常用埋地陽極的規(guī)格型號(hào),結(jié)合本站地電阻率,本項(xiàng)目選用規(guī)格:1000 mm×(78+88) mm×85 mm、重量為50 kg的鋅陽極。同時(shí)該規(guī)范要求:犧牲陽極頂部埋深距地面不小于1 m或與水平接地體埋深設(shè)在同一標(biāo)高,考慮到水平式布置,犧牲陽極中心至地面的距離由凍土層厚度、陽極的1/2邊長(zhǎng)、填包料厚度(為確保填包料的厚度應(yīng)在各個(gè)方向均保持5~10 cm[11]。本工程最終取填包料厚度為10 cm)3部分組成;考慮到填包料的電阻率應(yīng)比土壤電阻率小,咨詢相關(guān)廠家后,本工程填包料電阻率取5 Ω·m。根據(jù)式(2)本工程單支水平式犧牲陽極接地電阻為3.25 Ω。

        2.2.4 計(jì)算單支犧牲陽極發(fā)生電流

        根據(jù)式(4),單支犧牲陽極發(fā)生電流為0.077 A。

        2.2.5 計(jì)算所需犧牲陽極數(shù)量

        根據(jù)式(5),所需犧牲陽極數(shù)量為322個(gè)。

        2.2.6 復(fù)核是否滿足設(shè)計(jì)年限

        GB/T21448要求:在土壤0.03 mA/cm2條件下,鋅合金犧牲陽極的消耗率ωg≤ 17.25kg/(A·a),為保守起見,本工程取ωg=17.25kg/(A·a),因此:

        滿足本工程設(shè)計(jì)年限30 a。

        2.2.7 多支犧牲陽極接地電阻計(jì)算

        GB/T21448要求:成組布置時(shí),陽極間距以2~3 m為宜。本工程取陽極間距為3 m。犧牲陽極電阻修正系數(shù)參見圖3[12]。

        圖3 犧牲陽極電阻修正系數(shù)圖

        當(dāng)陽極長(zhǎng)為1 m時(shí),從圖3可知修正系數(shù)與犧牲陽極并聯(lián)支數(shù)成正比且收斂,為保守起見可取修正系數(shù)為2。因此本工程多支犧牲陽極接地電阻為0.02 Ω。

        由于填包料電阻率較低、犧牲陽極數(shù)量較大,犧牲陽極的總接地電阻遠(yuǎn)小于原接地主網(wǎng)接地電阻,接入接地主網(wǎng)后會(huì)使主網(wǎng)接地電阻降低。但犧牲陽極會(huì)隨時(shí)間而腐蝕,且腐蝕速率無法量化,該方法不作為常規(guī)接地主網(wǎng)降阻的方法。

        2.2.8 結(jié)合原接地網(wǎng)復(fù)核相關(guān)要求

        更新原接地系統(tǒng),得出新接地系統(tǒng)接地電阻,經(jīng)復(fù)核滿足本接地工程接地電阻要求。同時(shí)在未改變最大跨步電勢(shì)、接觸電勢(shì)差的前提下,滿足防腐要求,并滿足設(shè)計(jì)年限要求。

        風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域接地計(jì)算方法同理。

        3 結(jié) 語

        本文從分析接地材料常規(guī)防腐方法出發(fā),總結(jié)了風(fēng)電接地工程防腐設(shè)計(jì)要求,提出犧牲陽極法,并結(jié)合具體工程案例給出設(shè)計(jì)流程,為需采用犧牲陽極法防腐的接地工程設(shè)計(jì)工作提供參考。

        (1) 總結(jié)了各種防腐措施的問題和犧牲陽極法的優(yōu)勢(shì),給出了其的適用范圍。

        (2) 從犧牲陽極法的原理出發(fā),給出作為犧牲陽極材質(zhì)的要求,確定鎂合金和鋅合金作為風(fēng)電工程犧牲陽極的推薦材料。

        (3) 從計(jì)算保護(hù)電流、計(jì)算單支犧牲陽極發(fā)生電流得出具體工程犧牲陽極的需要數(shù)量,根據(jù)數(shù)量確定犧牲陽極壽命是否滿足設(shè)計(jì)年限以決定增加犧牲陽極個(gè)數(shù)與否。完成防腐措施后計(jì)算總犧牲陽極接地電阻,反饋并更新主接地網(wǎng)參數(shù)信息。

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