聶新輝 薛慶堂 陳曉春
(1. 國家能源集團科學技術研究院有限公司,江蘇 南京 210031;2. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院,安徽 合肥 230601)
變電站接地網(wǎng)的腐蝕不僅與接地網(wǎng)所處的土壤特性相關,同時還與變電站現(xiàn)場環(huán)境和相關電氣設備的運行狀況密切相關。與其他埋地管道相比,變電站內(nèi)還存在雜散電流和泄漏電流,必然對接地網(wǎng)材料的耐蝕性產(chǎn)生影響,這也是研究接地網(wǎng)腐蝕與防護需要特別關注的地方[1,2]。
雜散電流可分為交流雜散電流和直流雜散電流。交流電引起的腐蝕要比直流電干擾的強度小得多,大約為直流電的1%[3]。雜散電流腐蝕作用與電解電池的作用過程類似,接地網(wǎng)有著明顯分開的陽極區(qū)和陰極區(qū)。如圖1所示,電流從土壤進入金屬構件的地方帶有負電荷,這一區(qū)域為陰極區(qū);由金屬構件流出的部位帶有正電荷,這一區(qū)域為陽極區(qū)。
圖1 雜散電流導致接地網(wǎng)腐蝕
因此變電站雜散電流的危害主要是對接地網(wǎng)產(chǎn)生電化學腐蝕,其電化學腐蝕過程發(fā)生如下反應:
(1)析氫腐蝕
陽極反應:2Fe→2Fe2++4e
陰極反應:4H++4e→2H2↑(無氧酸性環(huán)境)
4H2O+4e→4OH-+2H2↑(無氧中性、堿性環(huán)境)
(2)吸氧腐蝕
陽極反應:2Fe→2Fe2++4e
陰極反應:O2+4H++4e→2H2O(有氧酸性環(huán)境)
O2+2H2O+4e→4OH-(有氧中性、堿性環(huán)境)
接地網(wǎng)在沒有雜散電流時,只發(fā)生自然腐蝕,大部分屬于原電池腐蝕的模型。原電池腐蝕的驅動電位只有幾百毫伏,而所產(chǎn)生的腐蝕電流充其量不過幾十毫安的數(shù)量級。而在土壤中的雜散電流腐蝕,一般屬于電解電池腐蝕的模型,即外來的直流電流或電位差,造成了土壤溶液中金屬的腐蝕,其腐蝕量與雜散電流強度成正比。也就是說,假如有1A的電流通過接地網(wǎng)表面,流向土壤溶液,那么一年就會溶解鋼鐵9.13kg[4]。
因此,對接地裝置加設測試樁,監(jiān)測雜散電流,預測接地裝置的腐蝕狀態(tài),并采取適當?shù)谋Wo措施非常必要。
交流雜散電流最直觀的檢測參量就是交流電壓,SY/T 0032-2000和GB/T 50698-2011都給出了交流電壓測量的連線圖和數(shù)據(jù)處理方法,根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可以找到測量點干擾電壓的最大值、最小值以及測量點干擾電壓隨時間變化的曲線[5]。交流電流密度可按公式(1)計算:
式中:JAC為評估的交流電流密度,A/m2;
V為交流干擾電壓有效平均值,V;
ρ為土壤電阻率,Ω·m;
d為破損點直徑,m。
ρ值應取交流干擾電壓測試時,測試點處與接地網(wǎng)埋深相同的土壤電阻率實測值。d值按發(fā)生交流腐蝕最嚴重考慮,取0.0113m。
直流雜散電流如圖2所示,電極相距20m,測量兩電極間的電位差ΔV,再除以兩點間的距離(L),即為土壤電位梯度ΔG=ΔV/L。測量時,同時測量沿埋地金屬構件垂直方向與平行方向的電位梯度,并記錄。
圖2 雜散電流的土壤電位梯度測定方法
參照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》,交流于擾的程度可按表1交流于擾程度的判斷指標的規(guī)定判定。
參照DL/T 5394-2007《電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則》,當埋地金屬構件任意點上的管地電位較自然電位偏移20mV或埋地金屬構件附近土壤電位梯度大于0.5mV/m時,確認為直流雜散電流干擾。表2是電位梯度值判斷直流雜散電流強弱的指標。
表2 直流雜散電流強弱程度的判斷指標
采用中國科學院金屬研究所研制的SCM-4200交直流雜散電流測量儀,SCM-4200是一臺多功能雜散電流測試儀器,可以測量與雜散電流腐蝕相關的各類電極電位、腐蝕電流密度、電位梯度等直接或間接參數(shù)。
2009~2013年,先后多次采用監(jiān)測干擾電壓和電位梯度連續(xù)測定方法對安徽省9座500kV變電站500kV區(qū)域內(nèi)的雜散電流進行了測試。本文僅以FC 500kV變電站測試結果為例,其他變電站詳細測試結果不一一列舉。
圖3和表3為FC變500kV區(qū)域,交流干擾電壓測試結果。
表3 FC變500kV區(qū)域交流雜散電流判斷結果
圖3 FC變500kV區(qū)域交流干擾電壓隨時間變化
測得FC變500kV區(qū)域土壤電阻率為56.12Ω?m,將交流電壓均值代入公式(1),可求得交流電流密度為6.12A/m2,根據(jù)表1判斷,交流干擾程度為弱。
表1 交流干擾程度的判斷指標
圖4和表4為FC變500kV區(qū)域,直流雜散電流電位梯度法測試結果。
圖4 FC變500kV區(qū)域土壤電位梯度變化曲線
從圖4和表4中可以看出,兩組參比電極的電位差值分別在-7~-2mV和13~23mV之間,最大電位梯度為1.15mV/m,因此FC變500kV區(qū)域存在中等強度直流雜散電流。
表4 FC變500kV區(qū)域土壤電位梯度測試結果
依照上述測量及分析方法,F(xiàn)C變及其他超高壓變電站交直流雜散電流測試及判斷結果如表5所示。
表5 安徽省9座超高壓變電站500kV區(qū)域交直流雜散電流測試及判斷結果
由表5可以看出,9座變電站500kV區(qū)域均存在弱級別的交流雜散電流,其中ZG變交流電流密度最大,為15.6A/m2;最小是JT變,交流電流密度僅為3.23A/m2,因此由交流雜散電流引起的接地網(wǎng)腐蝕問題不用考慮。9座變電站500kV區(qū)域有6座存在中等強度直流雜散電流,3座存在弱級別直流雜散電流。其中FX變電位梯度值最大,為1.6mV/m;SX變最小,僅為0.35mV/m。
通過對安徽省內(nèi)九座超高壓變電站內(nèi)500kV區(qū)域交直流雜散電流的干擾強度測量,得如下結論:
(1)9座變電站內(nèi)均只存在弱級別的交流雜散電流,6座存在中等強度直流雜散電流,3座存在弱級別直流雜散電流;
(2)以土壤電位梯度值判斷,多數(shù)變電站內(nèi)存在直流雜散電流干擾,干擾程度為中等。應密切關注由直雜散電流產(chǎn)生的腐蝕問題,交流雜散電流產(chǎn)生的腐蝕問題暫不考慮;
(3)加強變電站內(nèi)電氣設備接地設計和安裝的檢查,加強電氣設備的運行狀況的檢查,防止由于設計和運行狀況不良導致的直流雜散電流腐蝕問題。