外加电流阴极保护技术在接地网防腐的应用研究

何宇 韩坚

摘 要：外加电流阴保护技术广泛应用于石油、船舶、桥梁等行业，能有有效预防金属腐蚀。本文将外加阴电流极保护技术应用于强腐蚀土壤地区变电站接地网防腐中，通过对外加电流阴极保护技术的作用机理、系统设计的详细介绍，阐明外加电流阴极保护技术应用于接地网防腐的技术可行和经济合理性，为腐蚀性地区变电站接地网的防腐工作提供参考。

关键词：外加电流阴极保护技术；变电站接地网；防腐方法

江西省土壤具有红壤的典型特征：氯离子含量、含盐量极低，PH值呈酸性。酸性红壤由于盐基性离子的大量淋失，土壤导电性能很低，电阻率一般在100Ω·m以上，易溶性的氯离子等更是最先淋湿，含量极低。按照一般规律，这种土壤中金属腐蚀速度应该很低。然而，国内几个酸性土壤实验站中不少金属材料腐蚀状况都在中等以上，有些甚至达到强腐蚀等级，其中碳钢等材料表现得最为明显。另有调查研究表明，酸性土壤对金属材料具有更高的腐蚀性，腐蚀率约为中性土壤的5～10倍。由此可知，江西省境内容易出现变电站接地网腐蚀的问题。

1 研究目的

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被保护金属结构物表面施加一个外加电流，使被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。近年来，电网对材料腐蚀的要求日益提高，因此，本文提出将外加电流阴极保护技术应用于变电站地网防腐方面，并阐述其应用原理。

2 作用机理

2.1 接地网腐蚀机理

接地网在土壤中的腐蚀主要为电化学腐蚀，包括微电池腐蚀和氧浓差电池腐蚀。这两种腐蚀均由阴阳极反应组成：

阳极反应：Fe-2e-→Fe2+

阴极反应：2H2O+O2+4e-→4OH-

阳极表面的铁失去电子生成铁离子，进而与土壤中的负离子结合生成铁锈；阴极表面土壤中的氧和水得到电子生成氢氧根。

2.2 外加电流阴极保护技术防腐原理

本文将外加电流阴极保护应用于接地网防腐，外加电流阴极保护主要由外加直流电源、辅助阳极、参比电极华为测试桩组成，其作用原理为：接地网与直流电源的负极相连，辅助阳极与正极相连，形成电源-接地网-土壤-辅助阳极回路，从而向接地网供应大量电子，使之阴极极化，抑制腐蚀的发生。

3 系统设计

3.1 保护电流设计

保护电流即为外加电源供给接地网的直流电流，为使接地网得到充分的阴极保护，并指导设备和材料选型，首先应估算保护电流的大小。依据DL/T 5394-2007，变电站接地网所需保护电流大小计算式为：

其中：i——保护电流密度，mA/m2（依据DL/T 5394-2007相关经验值，及现场实测情况和前期试验情况选取）；S——保护面积，m2（地网材料总表面积+裕量）

3.2 恒电位仪选型

根据计算得出的保护电流值，结合恒电位仪的最大输出电流和最大输出电压，即可进行恒电位仪选型。

3.3 辅助阳极选型

辅助阳极应采用性能稳定、使用寿命长、消耗率低的成熟产品；对于江西常见的酸性土壤地区，宜采用贵金属氧化物阳极或含铬高硅铸铁阳极。

3.4 辅助阳极接地电阻估算

由于大多数变电站接地网的接地电阻值均较低，因此阳极接地电阻是整个阴保回路中最重要的部分，预估单口阳极井的接地电阻可指导阳极和恒电位仪的选型。

3.5 辅助阳极井数量设计

为尽量使阴保电流沿地网均匀分布，辅助阳极井也应沿变电站地网周围均匀分布，为便于设计调整，需预先计算出辅助阳极井数量，计算式如下：

其中：N——辅助阳极数量；R1——单口阳极井接地电阻，Ω；U——恒电位仪最大输出电压，由恒电位仪选型结果而定，V；I——保护电流设计值，A；R0——接地电阻值，实测值，Ω。

3.6 辅助阳极寿命计算

当接地网得到充分保护时，扁钢几乎不发生腐蚀，因此辅助阳极的使用寿命即可较大程度地反映整个接地系统的寿命。计算公式如下：

其中：T——阳极使用寿命，a；G——阳极重量，kg；K——阳极利用系数，取0.7～0.85；g——阳极消耗率，商品参数或实测值，kg/（A·a）；Iw——单阳极电流，保护电流分摊至单阳极，A。

3.7 外加电流方案设计

确定了恒电位仪、辅助阳极等相关参数后，即可设计外加电流的方案。保护电流应尽量均匀的分布在地网上，并重点照顾一次设备区；阳极井选址应结合现场勘查情况确定，尽量均匀地分布在地网外沿；电缆应尽量利用变电站原有电缆沟布置，新开挖的电缆沟不应影响电网安全运行；恒电位仪宜安装在控制室内。

3.8 监测方案设计

变电站外加电流阴极保护监测一般由测试桩和参比电极组成，一般安装于电流注入点附近、阳极中间点附近、重点保护区域等，有条件时可设置远程无线监测装置。参比电极可选用Cu/CuSO4电极或极化探头，测试桩应具有保护电位、自然电位、保护电流等参数的功能，同时为恒电位仪提供控制信号。

4 结论

外加电流阴极保护技术作为强腐蚀性土壤地区变电站接地网中一项有效防腐措施，对接地网的保护和耐久性的保证起着良好的作用。且外加电流阴极保护技术施工规模小、地网防腐效果好，能够防腐蚀于未然，有着广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 郭明.阴极保护技术的研究与应用[D].大庆石油大学，2006.

[2] 姜言泉，李伟祥，李超.海洋环境混凝土结构外加电流阴极保护技术应用[J].公路交通科技，2010，S1：9-14.

[3] 钟东雄.外加电流阴极保护技术在跨海大桥索塔基础中的应用[J].现代交通技术，2013，02：60-63.