張 宇

（國(guó)網(wǎng)黑龍江省送變電工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

相比于常規(guī)的鍍鋅防腐措施，陰極保護(hù)防腐技術(shù)在使用成本、維護(hù)難度、保護(hù)效果等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。在使用外加電流的陰極保護(hù)技術(shù)時(shí)，一方面要了解接地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤條件，包括土壤電阻率、pH值、可溶性鹽含量等，在此基礎(chǔ)上選擇合適的電極材料、設(shè)計(jì)科學(xué)的陰極保護(hù)方案；另一方面還要引入自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域的具體情況，靈活調(diào)節(jié)接地網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流和輸出電壓。只有始終保持極化電位值最佳，才能兼顧經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)效果，彰顯接地網(wǎng)陰極保護(hù)防腐技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 變電站概況

某110 kV 變電站于2002 年建成并投入使用，修建時(shí)選擇普通碳鋼作為接地網(wǎng)材料。該變電站自運(yùn)行以來(lái)，雖然每隔幾年會(huì)進(jìn)行一次接地網(wǎng)的檢查、維修，但是由于土壤中鹽分較大（可溶性鹽203 g/100 g 土、pH8.3～8.5），碳鋼接地網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，必須要采取防腐措施。考慮到該變電站接地網(wǎng)的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，需要針對(duì)性的采取電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。可供選擇的方案有犧牲陽(yáng)極材料的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法2 種。由于變電站接地網(wǎng)覆蓋面積廣，如果選擇犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)保護(hù)，需要使用大量的陽(yáng)極材料，并且由于陽(yáng)極材料消耗較快，每隔一段時(shí)間需要更換一次材料，因此成本較高、維護(hù)工作量大。相比之下，外加電流的電化學(xué)保護(hù)，只需要提供外部電源、持續(xù)輸入電流，即可使被保護(hù)的接地網(wǎng)材料免遭腐蝕[1]。

2 基于陰極保護(hù)原理的變電站接地網(wǎng)防腐方案

2.1 陰極保護(hù)電流密度的計(jì)算

在選定外加電流的變電站接地網(wǎng)防腐保護(hù)技術(shù)后，為了達(dá)到理想的防腐效果還要計(jì)算最佳的陰極保護(hù)電流密度。這樣就可以利用自動(dòng)控制裝置，靈活調(diào)節(jié)外加電流的大小，在滿足防腐需要的前提下，減少電能的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能降本的效果。對(duì)于碳鋼接地網(wǎng)來(lái)說(shuō)，影響其陰極保護(hù)電流的因素較多，例如土壤中鹽分與水分的含量，以及接地網(wǎng)表面腐蝕狀態(tài)等。國(guó)外執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為10～100 mA/m2，本研究根據(jù)接地網(wǎng)所在地區(qū)的土壤條件，將保護(hù)電流密度設(shè)定為60 mA/m2。因此，該變電站接地網(wǎng)在陰極保護(hù)中需要提供的外接電流（I）為：

I=i×S=60mA/m2×148m2=8880mA=8.88A （1）

結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)果，該變電站所在地區(qū)為輕度鹽堿性土壤。為了延長(zhǎng)電極的使用壽命，本研究使用了WDFY-711 電極，這種電極除了排流量大、消耗量低等特點(diǎn)外，還有易于安裝等優(yōu)勢(shì)。假設(shè)該電極的使用壽命為30 年，則該變電站接地網(wǎng)的陰極保護(hù)方案中共需要WDFY-711 電極的質(zhì)量（M）為：

式中：T 為電極的壽命，此處取30 年；g 為電極的消耗率，為0.16 kg/A·a；K 為電極有效利用系數(shù)，取0.5；I為工作電流，結(jié)合上文計(jì)算取8.88 A。將各數(shù)據(jù)帶入上式后，求得M=85.25 kg，即該變電站接地網(wǎng)外加電流防腐保護(hù)中，要想使電極壽命達(dá)到30 年，共需要85.25 kg 的電極材料。

總體來(lái)看，電極材料的消耗速度較慢，不需要頻繁更換，具有較高的性價(jià)比。

2.2 自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)

由于變電站接地網(wǎng)的覆蓋范圍較大，不同地區(qū)的土壤電阻率、土壤中水溶性鹽含量以及土壤的氧化還原電位等存在明顯差異，這就意味著在接地網(wǎng)的外加電流防腐保護(hù)中，不同位置需要施加的電流也并不相同[2]。陰極保護(hù)電流密度（ρ）是決定接地網(wǎng)防腐效果的關(guān)鍵指標(biāo)，如果ρ 值太小，則達(dá)不到預(yù)期的電化學(xué)保護(hù)效果，接地網(wǎng)仍然會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；相反，如果ρ值太大，則會(huì)造成電能的浪費(fèi)，并且在陰極材料上發(fā)生析氫反應(yīng)，反而會(huì)加速電極材料的損耗。為了使ρ值始終處于最佳，本研究設(shè)計(jì)了有測(cè)量功能的自動(dòng)控制裝置，其電路圖見圖1。

該自動(dòng)控制裝置的輸入電壓為AC220，輸出電壓為DC0～60/90 V，輸出電流為DC0～50 A，頻率50 Hz。從該裝置的正極引出一條導(dǎo)線，連接到電極上；該裝置的負(fù)極引出一條導(dǎo)線，連接到變電站的接地網(wǎng)上，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)回路。啟動(dòng)自動(dòng)控制裝置后，輸出電流經(jīng)導(dǎo)線流入電極，再通過電極進(jìn)入到大地中。由于土壤具有一定的導(dǎo)電性，電流最終流向接地網(wǎng)，使接地網(wǎng)被陰極極化得到保護(hù)。該裝置可利用前端的采樣器件，實(shí)時(shí)獲取土壤電阻率、土壤水分、土壤溫度、土壤中可溶性鹽含量等參數(shù)，然后經(jīng)自動(dòng)控制裝置的PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小，保證輸出的電流值能夠滿足抑制接地網(wǎng)腐蝕的需要。

3 變電站接地網(wǎng)陰極保護(hù)防腐技術(shù)的應(yīng)用

3.1 電極與試片的埋置

本系統(tǒng)中選用的WDFY-711 型電極，其組成材料為鉑鈮合金，屬于不溶性電極材料[3]。其電阻率為6.1×10-7Ω·m，有效表面積0.42 m-2，允許最大電流密度105 A/m-2，電流效率60%～80%，密度8.1 g/cm3。為進(jìn)一步降低接地電阻，在埋置電極時(shí)還選擇導(dǎo)電性優(yōu)良、消除氣阻的材料進(jìn)行包裹。具體操作方法為：首先在電極埋置坑內(nèi)平鋪一層墊料，然后將電極水平放置到墊料上；在電極上再加蓋一層填料，將回填土重新填入電極埋置坑，并通過工具拍打或人為踩踏的方式，讓土體密實(shí)。最后再澆水濕潤(rùn)土壤，完成電極的埋置[4]。

把4 根陰極電纜和試片連地網(wǎng)電纜采用焊接的方式固定到接地網(wǎng)上，焊點(diǎn)出使用密封膠進(jìn)行密封處理。試片的埋置方式如下：首先將陰極電纜焊接在一塊規(guī)格為100 mm×30 mm×5 mm 的扁鋼片上，見圖2。

固定好以后，在將焊有陰極電纜的扁鋼片，以同樣的方式焊接到接地網(wǎng)的陰極上，見圖3。

使用密封膠將焊點(diǎn)全部覆蓋后，用土回填。同時(shí)將電纜的另一端連接到自動(dòng)控制裝置上。裝置通電以后，即可根據(jù)設(shè)定值輸出相應(yīng)的電壓和電流[5]。

3.2 變電站接地網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)試

該系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，還要檢查運(yùn)行情況、調(diào)整輸出電流。首先測(cè)定接地網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)各參比點(diǎn)的初始電位。在未通電的情況下，采集各參比點(diǎn)的初始電位值，4 個(gè)參比點(diǎn)的點(diǎn)位分別為-380 mV、-20 mV、-410 mV、-40 mV。然后正式通電，等到裝置穩(wěn)定運(yùn)行1 h 以后，再次測(cè)量4 個(gè)參比點(diǎn)的電位值（極化電位值），測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 自動(dòng)控制裝置陰極保護(hù)運(yùn)行參數(shù)

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，4 個(gè)參比點(diǎn)的極化電位值均有不同程度的升高。然后利用自動(dòng)控制裝置，改變輸出電流、輸出電壓的大小，使參比電位降至保護(hù)電位以下。

4 變電站接地網(wǎng)陰極保護(hù)防腐系統(tǒng)的運(yùn)行效果

該系統(tǒng)于2020 年6 月份開始投入使用，技術(shù)人員選取2 條位置相近的管線，從管線上選取100 m 的測(cè)試區(qū)段，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。挑選8 塊扁鋼試片，稱量其初始重量（m1），測(cè)算其表面積。對(duì)照管線等間距布設(shè)4個(gè)測(cè)試片，但是不做任何保護(hù)措施；試驗(yàn)管線以同樣方法布設(shè)4 個(gè)測(cè)試片，并采取本研究設(shè)計(jì)的陰極保護(hù)措施。3 個(gè)月后，技術(shù)人員將2 條管線上埋置的8 個(gè)試片取出，觀察其表面見圖4。

如圖4 所示，未采取任何防腐保護(hù)措施的試片（右）表面出現(xiàn)了大面積的腐蝕坑，腐蝕情況較為嚴(yán)重；而采取了陰極保護(hù)的試片（左），整體上保持了原始狀態(tài)，腐蝕情況較為輕微。在觀察結(jié)束后，再將8 塊試片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室處理。稱取試片的重量（m2），然后用m1～m2即可得到試片的失重量。再根據(jù)試片表面積、試片埋置天數(shù)，計(jì)算出每片試片的腐蝕速率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同保護(hù)措施下試片的腐蝕情況

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，采取了接地網(wǎng)陰極保護(hù)防腐技術(shù)的1～4 號(hào)試片，腐蝕速率在0.204～0.475 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為0.362 g/cm2·d，腐蝕速度較慢。相比之下，未采取任何保護(hù)措施的5～8 號(hào)試片，腐蝕速率在1.757～1.859 g/cm2·d 之間，平均腐蝕速率為1.806 g/cm2·d，腐蝕速度較快。由此可見，在變電站接地網(wǎng)上采取基于陰極保護(hù)原理的防腐技術(shù)，能夠有效延緩試片的腐蝕進(jìn)程，起到很好的保護(hù)作用，對(duì)延長(zhǎng)接地網(wǎng)的使用壽命效果顯著。

5 結(jié)論

變電站接地網(wǎng)的防腐保護(hù)能夠有效延長(zhǎng)接地網(wǎng)的使用壽命，對(duì)保障變電站的穩(wěn)定運(yùn)行有積極幫助。常規(guī)的鍍鋅保護(hù)雖然也能起到延緩腐蝕的效果，但是接地網(wǎng)投入使用幾年后，鍍鋅層失效無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用。本研究基于陰極保護(hù)原理設(shè)計(jì)了變電站接地網(wǎng)防腐系統(tǒng)，該系統(tǒng)由自動(dòng)控制裝置靈活調(diào)節(jié)輸出電流，使接地網(wǎng)始終處于最佳保護(hù)狀態(tài)。經(jīng)測(cè)算，該變電站接地網(wǎng)使用陰極保護(hù)防腐系統(tǒng)，只需要一塊質(zhì)量為85.25 kg 的電極，即可發(fā)揮30 年的陰極保護(hù)時(shí)效。