安韻竹，田海鵬，姜映輝，胡文國(guó)，安炳臣

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.國(guó)網(wǎng)濱州市濱城區(qū)供電公司，山東 濱州 256600；3.濟(jì)寧華源熱電有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)是保證輸變電站一、二次設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)過(guò)電壓和防靜電裝置［1-2］。變電站接地裝置不僅直接關(guān)系到人身和設(shè)備的安全，還關(guān)系到整個(gè)變電系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性［3-4］。但接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕、斷裂或漏焊等故障，通常會(huì)引起或擴(kuò)大事故，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕是接地網(wǎng)損壞的最突出的技術(shù)問(wèn)題［5-6］。接地網(wǎng)通常埋入地下，以保證電氣設(shè)備可靠接地，由于土壤的腐蝕性及泄漏電流的作用，接地網(wǎng)腐蝕、損壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，使變電站接地網(wǎng)的散流性能降低，從而影響站內(nèi)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

金屬接地體的腐蝕問(wèn)題是制約變電站接地網(wǎng)使用壽命和接地電阻的瓶頸所在，解決目前電力工程輸變電設(shè)備常見(jiàn)的金屬接地材料腐蝕問(wèn)題具有重要實(shí)際工程意義。電力系統(tǒng)接地網(wǎng)一般采用扁鋼、鋅包鋼、銅包鋼、銅等金屬材料［7-8］。除了價(jià)格較為昂貴的銅接地材料耐腐蝕性能較好之外，一般金屬接地網(wǎng)容易遭受土壤的腐蝕，而接地網(wǎng)腐蝕問(wèn)題作為金屬接地體難以避免的自然破壞因素，一直是電力系統(tǒng)接地技術(shù)從業(yè)者頗為頭痛的問(wèn)題［9］。目前，大部分的變電站接地網(wǎng)所采用的接地體材料仍然是耐腐蝕性較差的鋼材，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)不如銅材質(zhì)接地體和柔性石墨接地體［10-13］，但由于后兩者在工程造價(jià)、施工難度以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)等方面的因素，尚未在變電站內(nèi)廣泛應(yīng)用。鋼材受土壤中復(fù)雜環(huán)境的影響，極易被腐蝕變細(xì)甚至發(fā)生斷裂，這將對(duì)變電站的防雷以短路故障電流泄流能力產(chǎn)生一定的安全隱患［14］。2018 年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司頒布的《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》報(bào)告指出：投運(yùn)10年及以上的非地下變電站接地網(wǎng)，應(yīng)定期開(kāi)挖（間隔不大于5年），抽檢接地網(wǎng)的腐蝕情況，每站抽檢5～8個(gè)點(diǎn)。因此，對(duì)鋼材質(zhì)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)開(kāi)展研究具有工程意義［15］。

通過(guò)對(duì)變電站接地網(wǎng)引下線腐蝕原理的分析，建立變電站接地網(wǎng)引下線的等比例模型，分析在同種土壤條件下不同金屬材料、形狀，腐蝕程度的腐蝕速率等。對(duì)電力系統(tǒng)接地網(wǎng)引下線的腐蝕分析進(jìn)行了整體性的研究。對(duì)變電站接地裝置的建設(shè)和接地網(wǎng)引下線防腐處理提供了理論參考。

1 變電站接地網(wǎng)引下線腐蝕機(jī)理

針對(duì)電力系統(tǒng)中的實(shí)際工況分析了金屬的腐蝕方式對(duì)電力系統(tǒng)中接地網(wǎng)以及接地網(wǎng)引下線腐蝕的影響?？紤]到變電站中土壤一般較為致密、微生物滋生較少［16］，因此，影響接地網(wǎng)引下線腐蝕主要因素是電化學(xué)腐蝕和氧濃差腐蝕。

1.1 電化學(xué)腐蝕

金屬在土壤中的腐蝕就反應(yīng)原理而言大多為電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕指的是金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕現(xiàn)象，其特點(diǎn)是在腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生［17］。

金屬接地網(wǎng)引線下線受氧氣摩爾濃度的影響而發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)式主要有2 個(gè)，如式（1）—式（2）所示。

1.2 氧濃差腐蝕

氧濃差腐蝕是造成金屬局部腐蝕的重要因素之一，也是一種普遍存在的、危害性很大的腐蝕形式。氧濃差電池經(jīng)常發(fā)生在埋地金屬接地網(wǎng)、金屬管線上，這是因?yàn)榻饘俚耐獠凯h(huán)境相對(duì)復(fù)雜，在不同的環(huán)境中氧濃度含量不同，因此當(dāng)金屬經(jīng)過(guò)兩種不同的環(huán)境時(shí)，就會(huì)在這兩個(gè)部位形成氧濃差。缺氧部位金屬的自然電位相對(duì)較低，形成腐蝕電極的陽(yáng)極（易受腐蝕）；在氧濃度比較充足的部位，金屬的自然電位較高，形成腐蝕電池的陰極。金屬接地網(wǎng)引線下線受氧氣摩爾濃度的影響而發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)式主要有3個(gè)［18］，如式（3）—式（5）所示。

2 鍍鋅鋼接地引下線腐蝕模型

2.1 仿真模型建立

鍍鋅鋼是現(xiàn)有變電站接地和引下線常用的材料之一。采用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 對(duì)接地網(wǎng)引下線氧濃差腐蝕過(guò)程進(jìn)行仿真。建模仿真的主要過(guò)程如下：

1）使用三維繪圖軟件繪制接地網(wǎng)引下線的扁鋼和圓鋼模型（外層包含有鍍鋅層），扁鋼模型橫截面尺寸為4 mm×40 mm，去除鍍鋅表層后鋼芯尺寸為2.6 mm×38.6 mm，模型的高度以及彎折部分依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)置，在模型中兩處彎折角度均為150°鈍角。扁鋼幾何模型如圖1（a）所示，圓鋼幾何模型如圖1（b）所示。

圖1 鍍鋅扁鋼引下線仿真幾何模型Fig.1 Geometric model of down-lead line with galvanized flat steel

2）將建立好的幾何模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中，繪制出深層土壤、淺層土壤、空氣分布的幾何區(qū)域。選取的物理場(chǎng)為三次電流分布，三次電流分布物理場(chǎng)是在二次電流分布物理場(chǎng)的基礎(chǔ)上，考慮電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面電介質(zhì)的濃度變化，用邊界條件確定上層空氣域、淺層土壤域以及深層土壤域的氧氣摩爾濃度。其中空氣域中設(shè)置氧氣摩爾濃度為固定值0.2 mol/m3，淺層土壤域表示從地面開(kāi)始到地下20 cm 處，依據(jù)文獻(xiàn)［19］可知，在該區(qū)域隨著土壤深度的增加，氧氣摩爾濃度急劇減少，深層土壤區(qū)域從地面以下20 cm 的位置向下延伸到地面以下130 cm 處，該區(qū)域本身氧氣摩爾濃度值已經(jīng)比較低，雖然仍有不斷減小的趨勢(shì)，但隨著深度的增加變化速率較緩慢。為了對(duì)接地網(wǎng)引下線所處的幾何區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行更為細(xì)致地剖分、在引下線外層增加了一個(gè)輔助圓柱體，如圖1 所示。最后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分、仿真計(jì)算。模型域分布如圖1（c）所示。

2.2 模型仿真參數(shù)

鍍鋅鋼引下線模型中需要定義的參數(shù)如表1 中的鍍鋅鋼基本材料參數(shù)［20］。

表1 鍍鋅鋼引下線模型參數(shù)Table 1 Parameters of galvanized steel down-lead line model

為了表征氧氣在土壤中擴(kuò)散的速率，引入土壤孔隙飽和度的概念，土壤電導(dǎo)率是土壤孔隙飽和度的函數(shù)，土壤孔隙飽和度通過(guò)影響電導(dǎo)率、電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響電極表面氧氣摩爾濃度。此外氧氣擴(kuò)散率也是土壤孔隙飽和度的函數(shù)，可以直接影響域中的氧氣擴(kuò)散速率，進(jìn)而影響氧氣摩爾濃度的分布。土壤孔隙飽和度與電導(dǎo)率以及氧氣擴(kuò)散率之間的關(guān)系如表2 與表3 所示。這兩個(gè)函數(shù)均以插值函數(shù)的形式在有限元仿真軟件組件中定義。

表2 不同孔隙飽和度下的電導(dǎo)率Table 2 The electrical conductivity under different pore saturation

表3 不同孔隙飽和度下的氧氣擴(kuò)散率Table 3 The oxygen diffusivity under different pore saturation

3 接地網(wǎng)引下線附近氧氣分布

氧濃差腐蝕受環(huán)境中氧濃度含量的影響，圖2是鍍鋅鋼引下線表層完整時(shí)引下線附近氧氣摩爾濃度分布情況。

圖2 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線氧氣摩爾濃度YZ切面圖Fig.2 The YZ section of oxygen molar concentration around biao galvanized flat steel grounding grid lead line

從圖2 可以看出地面以上部分氧氣摩爾濃度均衡，地下部分由于土壤疏密程度，土壤孔隙飽和度等因素的影響隨著深度增加氧氣摩爾濃度逐漸降低，但是在地面到地下20 cm 處氧氣摩爾濃度下降更為迅速?？諝庵信c土壤中的氧氣摩爾濃度幾乎是不變的，所以當(dāng)改變引下線的材料、形狀、腐蝕程度時(shí)氧氣摩爾濃度的分布延續(xù)了上述的分布規(guī)律。

4 接地網(wǎng)引下線腐蝕特性影響分析

4.1 接地網(wǎng)引下線金屬鍍層材料

銅覆鋼又稱銅包鋼、覆銅鋼等，是一種良好的金屬導(dǎo)體。銅覆鋼導(dǎo)體具有性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前在點(diǎn)電力系統(tǒng)中得到了一定程度的應(yīng)用。為了對(duì)鍍鋅鋼和銅覆鋼兩種材質(zhì)的接地網(wǎng)引下線的腐蝕情況做出對(duì)比，控制單一變量，選取的銅覆扁鋼和鍍鋅扁鋼尺寸保持一致。銅覆鋼腐蝕模型中定義的參數(shù)如表4所示。

對(duì)于剛建設(shè)完成不久的變電站，站內(nèi)的接地網(wǎng)和引下線表層腐蝕很輕微，引下線表層的鍍鋅層和鍍銅層還未被腐蝕或僅僅發(fā)生輕微腐蝕。電極表面反應(yīng)主要是鋅或銅的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)以及析氫反應(yīng)。

計(jì)算所得接地網(wǎng)引下線表層完整模型仿真結(jié)果如圖3 所示和銅覆扁鋼接地網(wǎng)引下線表層完整模型仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 銅覆扁鋼接地網(wǎng)引下線表層完整模型仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the lower line surface of complete copper coated steel down-lead line

金屬腐蝕程度的判斷主要根據(jù)法拉第第二定律（即法拉第電解定律），電極表面電流密度與腐蝕進(jìn)行的速率呈正相關(guān)，通過(guò)觀察表面電流密度分布即可找出接地網(wǎng)引下線腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。根據(jù)圖3和圖4可以看出，帶有合金鍍層的金屬引下線表面氧濃差較大處，即氧濃差腐蝕較嚴(yán)重處，電流密度大于周圍其他區(qū)域，呈現(xiàn)出隨著距離地面深度的變化逐漸減小的趨勢(shì)。銅覆扁鋼引下線比鍍鋅扁鋼引下線表面電流密度小，腐蝕速率慢。

根據(jù)圖3（c）、圖4（c）可以看出地下10 cm 處隨著孔隙飽和度的增加，鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線的表面電流密度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，增加的速率是在逐漸增大的。銅覆扁鋼接地網(wǎng)引下線整體趨勢(shì)上電流密度是隨著孔隙飽和度的增大而增大，但當(dāng)孔隙飽和度到達(dá)0.5 后電流密度幾乎不再增長(zhǎng)。當(dāng)空隙飽和度在0.20～0.35 之間時(shí)，鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線比覆銅扁鋼接地引下線地下10 cm 處引下線表面電流密度小，腐蝕速率小。當(dāng)空隙飽和度在0.35～0.80之間時(shí)，鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線比覆銅扁鋼接地引下線地下10 cm處引下線表面電流密度大，腐蝕速率快。

4.2 接地網(wǎng)引下線形狀

目前電力系統(tǒng)中主要使用的鍍鋅圓鋼變電站接地網(wǎng)引下線直徑為16 mm，其截面面積高于4 mm×40 mm 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線，耐腐蝕性與鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線相近。和鍍鋅扁鋼變電站接地網(wǎng)引下線表層未腐蝕的情形一樣，該模型模擬的是接地網(wǎng)引下線埋入土壤的時(shí)間較短時(shí)的腐蝕情況。只有鍍鋅表層發(fā)生腐蝕，腐蝕情況不嚴(yán)重。

求解計(jì)算所得鍍鋅圓鋼接地網(wǎng)引下線表層完整模型仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 鍍鋅圓鋼接地網(wǎng)引下線表層完整模型仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the lower line surface of complete galvanized round steel down-lead line

從圖5可以看出，鍍鋅扁鋼引下線與鍍鋅圓鋼引下線附近的氧氣摩爾濃度分布與表面電流分布規(guī)律一致。鍍鋅圓鋼引下線最大表面電流密度與鍍鋅扁鋼引下線表面電流密度相比較大，也就是說(shuō)鍍鋅圓鋼接地網(wǎng)引下線腐蝕速率更快。

從圖5（c）可以看出隨著孔隙飽和度的增加，地下10 cm 處引下線表面電流密度逐漸增加，增加的速率也在不斷增大，與鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線規(guī)律相同。但鍍鋅圓鋼接地網(wǎng)引下線地下10 cm 處引下線表面電流密度整體比鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線高，也就是說(shuō)鍍鋅圓鋼接地網(wǎng)引下線腐蝕速率更快。

4.3 接地網(wǎng)引下線腐蝕程度

4.3.1 接地網(wǎng)引下線表層局部腐蝕

接地網(wǎng)引下線埋入地下后，電極表面腐蝕不均衡，有局部區(qū)域腐蝕較為嚴(yán)重，先出現(xiàn)表層鍍鋅層的破損，露出內(nèi)部鋼芯，這時(shí)電極表面由一個(gè)變成了兩個(gè)，即外層鍍鋅層表面發(fā)生鋅的氧化，內(nèi)層鋼芯表面發(fā)生鋼的氧化、氧的還原反應(yīng)以及析氫反應(yīng)。電極表面的選取鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)表層局部腐蝕引下線電極設(shè)置如圖6 所示。求解鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層局部破損模型所得結(jié)果如圖7所示。

圖6 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)表層局部腐蝕引下線電極設(shè)置Fig.6 Local corrosion set on the surface of galvanized flat steel down-lead line

圖7 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層局部破損模型仿真結(jié)果Fig.7 Local corrosion simulation results on the surface of galvanized flat steel down-lead line

由圖6（a）、圖6（b）可知，地面至地面以下20 cm區(qū)域的氧氣摩爾濃度差異大，帶有鍍鋅膜的鍍鋅鋼引下線表面氧濃差較大處電流密度大于周圍其他區(qū)域，呈現(xiàn)出隨著距離地面深度的變化逐漸減小的趨勢(shì)。接地網(wǎng)引下線表層局部腐蝕后，腐蝕孔邊緣電流密度急劇增大，即腐蝕孔周圍更易發(fā)生腐蝕，通過(guò)犧牲鍍鋅表層的方式保護(hù)內(nèi)部鋼芯。從圖7（b）可以看出隨著孔隙飽和度的增加，接地網(wǎng)引下線的地下10 cm 處引下線表面電流密度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，增加的速率是在逐漸減小的。

4.3.2 接地網(wǎng)引下線表層腐蝕殆盡

接地網(wǎng)引下線埋入地下時(shí)間太久之后，地下部分的鍍鋅表層已經(jīng)腐蝕消耗完，內(nèi)部的鋼芯直接暴露在土壤中，因此發(fā)生的電極反應(yīng)為鋼的氧化、析氫反應(yīng)、氧的還原反應(yīng)且都位于接地網(wǎng)引下線的鍍鋅表層和氧的交界面處。電極表面鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層腐蝕殆盡電極設(shè)置如圖8所示。

圖8 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層腐蝕殆盡電極設(shè)置Fig.8 Surface corrosion set of the galvanized flat steel grounding grid down-lead line

求解結(jié)果如圖9 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層腐蝕殆盡模型仿真結(jié)果所示。

圖9 鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)引下線表層腐蝕殆盡模型仿真結(jié)果Fig.9 Surface corrosion simulation results of the galvanized flat steel grounding grid down-lead line

接地網(wǎng)引下線地面以下鍍鋅表層腐蝕消耗殆盡以后，從圖9（a）、圖9（b）中可以看出，地面至地面以下20 cm 區(qū)域的氧氣摩爾濃度差異大，地面至地面以下20 cm的電流密度顯著高于其他區(qū)域，氧濃差腐蝕現(xiàn)象顯著。從圖9（b）中可以看出，隨著孔隙飽和度的增加，地下10 cm 處引下線的表面電流密度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但增加的速率是在逐漸減小的。減小的速率與接地網(wǎng)引下線表層局部腐蝕的模型相比較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

鍍鋅膜和鍍銅膜對(duì)接地網(wǎng)引下線起到了一定的保護(hù)作用，在鍍層完整的情況下，接地網(wǎng)引下線表層的電流密度較小，鍍鋅膜表面電流密度大于鍍銅膜，鍍鋅膜腐蝕速率大于鍍銅膜。

帶有鍍層的金屬引下線表面氧濃差較大處電流密度大于周圍其他區(qū)域，呈現(xiàn)出隨著距離地面深度的變化逐漸減小的趨勢(shì)。

接地網(wǎng)引下線表層局部腐蝕后，腐蝕孔邊緣電流密度急劇增大，即腐蝕孔周圍更易發(fā)生腐蝕，通過(guò)犧牲鍍鋅表層的方式保護(hù)內(nèi)部鋼芯。地面至地面以下20 cm 區(qū)域的氧氣摩爾濃度差異大，該區(qū)域電極表面電流密度比其他區(qū)域電流密度大，即發(fā)生了氧濃差腐蝕。

接地網(wǎng)引下線地面以下鍍鋅表層腐蝕消耗殆盡以后，地面至地面以下20 cm 的電流密度顯著高于其他區(qū)域，氧濃差腐蝕現(xiàn)象顯著。