某500 kV输电线路部分杆塔处接地网腐蚀的原因

(国电科学技术研究院有限公司，南京 210023)

接地系统是发电厂、变电站及高压输电线路装置系统中的重要组成部分，不仅影响整个系统的工作效率，还起到保护人身和设备安全的作用[1]。在输电线本体的建设过程中，杆塔接地工程对电力系统的安全稳定运行非常重要。在电极周围的土壤中埋入降阻剂，降低杆塔处接地网的接地电阻，是提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸率的主要措施[2]。

某条500 kV输电线路于2007年6月21日投入运行，运行不到6 a，发现40号、41号、42号和43号等4杆塔处接地网腐蚀严重，有些甚至出现断裂。这4跟杆塔处于丘陵地区，土质为黄土并夹杂大量石块，土壤电阻率偏高，因此在塔杆周围土壤中使用了物理降阻剂。

接地网发生腐蚀断裂后，若系统出现大接地短路电流，就可能会发生接地故障，引发电网事故，甚至危害设备和人身的安全。因此本工作研究了杆塔处接地网的腐蚀断裂原因，同时采取有效措施，以期防止类似事故再次发生。

1 现场开挖情况

对该500 kV输电线路的40～43号杆塔处接地网进行开挖检查发现：40～43号杆塔接所处环境复杂、地质条件差，接地网施工不规范,如接地网的埋深不够，有些埋深甚至只有约30 cm，这一深度土壤含氧量较高，氧浓差电池反应会造成接地体腐蚀加快；采用开挖出的碎石回填，导致接地体不能与周围土壤保持可靠接触，造成接地电阻偏高，同时还会加快接地网的腐蚀。降阻剂在施工时没有严格按照相关设计规程和工艺进行，有些地方甚至整袋埋入，使土壤和降阻剂分离，人为地为接地网在降阻剂和土壤中发生电偶腐蚀创造了先决条件，这可能是接地网在两种介质分层处发生严重腐蚀甚至断裂的原因。

2 腐蚀速率测量结果

接地网腐蚀速率直接决定了接地网的使用寿命。2013年4月25～26日，采用CMS-140A多功能土壤腐蚀速率测量仪，对42号杆塔处接地网D腿在土壤(含少量降阻剂)中的腐蚀速率进行测试，结果见图1。

图1 D腿在土壤中的腐蚀速率Fig. 1 Corrosion rates of leg D in soil

由图1可见:D腿在土壤(含少量降阻剂)中的腐蚀速率为0.065～0.07 mm/a，大于《电力工程设计手册》中碳钢腐蚀速率参考值(0.065 mm/a)。《接地降阻剂暂行技术条件》规定，降阻剂在实验室中对试块的腐蚀速率应不大于0.03 mm/a，对埋地金属的腐蚀速率应不大于0.05 mm/a；DL/T 380-2010《接地降阻材料技术条件》规定，降阻材料不应对金属接地体产生过量腐蚀，钢接地体的平均腐蚀率应小于0.03 mm/a。对比可见，该线路所用降阻剂的腐蚀性偏高，其对接地网造成的腐蚀明显高于规定值。这与开挖检查发现的接地网局部腐蚀明显相一致。

3 腐蚀原因分析

3.1 土壤中离子含量对腐蚀的影响

接地网的腐蚀环境是土壤，除了受接地材料本身影响外，土壤理化性质及其他因素也会影响接地网的腐蚀。

由表1可见:42号和43号杆塔处土壤及所用降阻剂均呈弱碱性；降阻剂中阴离子含量较高，特别是Cl-含量较高，这可能是造成接地网局部腐蚀的主要原因；降阻剂中的阳离子含量及pH与周围土壤的相差不大，这是因为降阻剂随雨水冲刷及长时间扩散作用，离子含量及pH与周围土壤的趋于平衡。

表1 42号和43号塔杆处土壤及降阻剂的成分Tab. 1 Composition of soil and resistance-reducing agent at towers No. 42 and No. 43

由图2可见:降阻剂的主要成分是C、CaCO3、SiO2，还有少量的CaCl2，这进一步说明降阻剂中Cl-含量较高。

图2 降阻剂的XRD图谱Fig. 2 XRD pattern of resistance-reducing agent

3.2 土壤电阻率对腐蚀的影响

土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值，是影响接地装置腐蚀的一个最基本参数，它综合反映了土壤的导电性能。

2013年4月26号，现场测试42号和43号杆塔处土壤电阻率，其结果见表2，ρ15表示土壤温度为15 ℃的土壤电阻率。

由于杆塔所处地理环境，土壤组成较为复杂。由表2可见： 在塔杆附近很小的区域土壤分层十分明显，且42号杆塔处的土壤组成更加复杂，不仅横向分层明显，纵向也有分层。土壤电阻率的不均匀会造成接地网材料的自腐蚀电位有差异，土壤电阻率高的地方，接地网自腐蚀电位偏正，成为阴极；土壤电阻率低的地方，接地网自腐蚀电位偏负，成为阳极。在接地网材料从土壤阳极区进入土壤阴极区的地方，便形成宏电池，从而产生宏电池腐蚀。

表2 42号和43号杆塔处土壤电阻率(ρ15) Tab. 2 Soil resistivity at towers No. 42 and No. 43 (ρ15) Ω·m

3.3 杂散电流对腐蚀的影响

杂散电流是由电力设备产生的、经由金属导体在电解质(土壤、水)中流动的一种电流。电流离开导体进入周围电解质的部位，会引起阳极型腐蚀[3]。

参照DL/T 5394-2007《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》，当埋地金属构件任意点上的管地电位较自然电位偏移20 mV或埋地金属构件附近土壤电位梯度大于0.5 mV/m时，确认存在直流杂散电流干扰。

交流电对接地装置干扰腐蚀程度，可采用交流干扰电位(电位波动值)进行判定。

表3是采用电位梯度值判断直流杂散电流强弱的指标，表4是交流杂散电流干扰程度判断指标。

表3 直流杂散电流强弱程度的判断指标Tab. 3 Judging index of the strength of DC stray current

表4 交流杂散电流干扰程度判断指标Tab. 4 Judging index of the strength of AC stray current

3.3.1 直流杂散电流

2013年4月26日，使用SCM-200A杂散电流测量仪，采用土壤电位梯度方法连续监测42号杆塔附近直流杂散电流，结果见图3和表5。

由图3和表5可见：42号杆塔处平行主线方向电位梯度达到16.7 mV/m，参照表3评价标准，42号杆塔处平行主线方向有很强的直流杂散电流。由于存在较强直流杂散电流，在没有采取排流措施的情况下，会导致接地装置腐蚀加剧。

图3 42号杆塔处的土壤电位梯度变化曲线Fig. 3 Soil potential gradient curves at tower No. 42

测试点测试方向电位差值电位梯度结果判断42号杆塔附近平行主线157～167 mV15.7～16.7 mV/m≥5(强)垂直主线-3～4 mV0～0.4 mV/m<0.5(弱)

2013年4月25日，采用土壤电位梯度方法连续监测43号杆塔处的直流杂散电流，结果见图4和表6。

图4 43号杆塔处的土壤电位梯度变化曲线Fig. 4 Soil potential gradient curves at tower No. 43

测试点测试方向电位差值电位梯度结果判断43号杆塔附近平行主线-4～13 mV0～0.65 mV/m0.5～<5(中)垂直主线-23～-15 mV0.75～1.15 mV/m0.5～<5(中)

由图4和表6可见：43号杆塔处两个方向的电位梯度均不超过1.15 mV/m，参照表3评价标准，43号杆塔处有中等强度直流杂散电流，因此43号杆塔处的直流杂散电流对接地装置腐蚀影响较42号杆塔处的小。

3.3.2 交流杂散电流

2013年4月25～26日，对42号，43号杆塔处的交流杂散电流进行测试，结果如图5、图6及表7。

由图5～6及表7可见：42号杆塔A腿附近电位差值约为3.5 V，43号杆塔C腿附近电位差值约为1.9 V，均小于10 V，对应表4评价标准，两杆塔处只存在弱级别的交流杂散电流，因此交流杂散电流对两杆塔接地装置的腐蚀影响可以忽略。

图5 42号杆塔A腿附近交流杂散电流Fig. 5 AC stray current near leg A of tower No. 42

图6 43号杆塔C腿附近交流杂散电流Fig. 6 AC stray current near leg C of tower No. 43

测试点电位最小值/V电位最大值/V差值/V42号杆塔A腿附近-2.51.03.543号杆塔C腿附近-1.20.71.9

4 电化学试验

分析研究极化曲线，是解释金属腐蚀规律、探讨金属腐蚀机理和解决控制腐蚀途径的基本方法之一。电化学阻抗谱在研究电极界面双电层结构、电极上的各种吸附行为、金属表面钝化膜和电结晶过程等方面优于其他技术[4]。

将风干的土样通过20筛孔(1 mm)处理，按水、土质量比1∶1配制水土混合液作为试验溶液。其中,40号杆塔处土壤与水的混合液为1号溶液，41号杆塔处土壤与水的混合液为2号溶液，42号杆塔处土壤与水的混合液为3号溶液，44号杆塔处土壤与水的混合液为4号溶液，降阻剂与水的混合液(质量比1∶1)为5号溶液。试验材料为碳钢，工作面是直径为0.8 cm的圆形，背面焊上导线，非工作面用环氧树脂封装。试验前用砂纸(0～6号)逐级打磨工作面后，再用酒精脱脂，去离子水冲洗。

试验仪器采用美国阿美特克集团公司PARSTAT 4000电化学工作站。采用三电极体系，以铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。文中电位若无特指，均相对于SCE。极化曲线扫描速率为1 mV/s，扫描范围(Ecorr±200) mV，电化学阻抗谱频率范围为0.1 Hz～10 kHz。

4.1 极化曲线

由图7可见：5条极化曲线都属于活化极化控制的极化曲线，说明碳钢试样在5种溶液中没有受到明显的氧扩散控制。由表8可见：碳钢在5号溶液中的腐蚀电流密度(Jcorr)最大，为6.560 μA/cm2，约是在其他溶液中的两倍，即碳钢试样在5号溶液中的腐蚀速率最大。

图7 碳钢试样在5种溶液中的极化曲线Fig. 7 Polarization curves of carbon steel samples in five kinds of test solutions

溶液Ecorr/mVJcorr/(μA·cm-2)ba/(mV·dec-1)bc/(mV·dec-1)1号-7681.844205.055158.2192号-7334.011343.443196.0713号-7602.178164.439131.9674号-7653.920203.176152.9575号-7426.560830.984318.861

由表8还可见：碳钢试样在1～4号溶液中的阳极和阴极塔菲尔常数(ba、bc)之间相差不大，说明碳钢试样在这4种溶液中属于均匀腐蚀。但在5号溶液中，碳钢试样的阳极和阴极塔菲尔常数相差较大，即在5号溶液中，碳钢试样存在局部腐蚀倾向。这是因为降阻剂中含有较多的阴离子，特别是Cl-含量较高，是造成局部腐蚀的主要原因之一。

4.2 电化学阻抗谱

由图8可见：碳钢试样在1～4号溶液中的电化学阻抗谱均为单容抗弧，对应的Bode图也只有一个时间常数，反应只有一个过程；碳钢试样在5号溶液中的电化学阻抗谱存在两个容抗弧，对应的Bode图有两个时间常数，反应有两个过程，图9分别是两种情况拟合所用等效电路图，表9为等效电路拟合结果。

(a) Nyquist

(b) Bode图8 碳钢试样在5种溶液中的电化学阻抗谱Fig. 8 EIS of carbon steel samples in five kinds of test solutions

(a) 一个时间常数拟合等效电路图

(b) 两个时间常数拟合等效电路图图9 电化学阻抗谱的拟合等效电路图Fig. 9 Equivalent circuit diagrams of EIS:(a) one time constant fitting equivalent circuit diagram;(b) two time constants fitting equivalent circuit diagram

编号Rs/(Ω·cm2)CPE1/μFnR1/(Ω·cm2)CPE2/μFnRct/(Ω·cm2)1号1 776.0---90.660.639 511 3102号2 429.0---106.300.647 58 0173号731.8---112.800.719 05 7984号983.9---111.200.685 55 4655号549.167.050.317 318 47043.880.675 73 724

等效电路中，通常用相位角元件Q来代替电容。等效电路中Rs为溶液电阻，R1为膜层电阻，Rct对应基体金属与溶液两相界面的电荷转移电阻，反映基体金属的腐蚀速率，CPE为基体与溶液两相界面的双电层。

由表9可见：碳钢试样在1～4号溶液中，短时间内没有钝化膜形成，而在5号溶液中很快就形成钝化膜。这主要是因为降阻剂中各种离子含量较高，短时间内易形成钝化膜，但是由于Cl-含量较高，钝化膜很快便被破坏。

碳钢试样在1号溶液中的电荷转移电阻最大，为11 310 Ω·cm2；在5号溶液中的电荷转移电阻最小，为3 724 Ω·cm2。即碳钢试样在1号溶液中的腐蚀速率最小，在5号溶液中的腐蚀速率最大，这与极化曲线结果完全一致。

由此可见，降阻剂的存在降低了碳钢的腐蚀阻力，引发了碳钢的局部腐蚀。

5 结论与建议

通过对某500 kV线40～43号杆塔处接地网开挖检查、现场测试及实验室分析，得出如下结论：

(1) 降阻剂选择和使用不当，是造成40～43号杆塔处接地网腐蚀严重的主要原因。

(2) 由于施工不规范，导致接地网附近土壤组成更加复杂，由土壤电阻率分布极不均匀产生的宏电池加速了接地网的腐蚀进程。

(3) 极强的杂散电流进一步加剧了接地网的腐蚀。

针对杆塔接地网存在的问题提出如下建议：

(1) 根据每基杆塔所在位置的地形、地势、地质、土壤电阻率分布以及土壤腐蚀情况，设计符合现场实际的接地装置图，并制定出切合实际的降阻措施、防腐蚀措施和施工方案，施工过程中实行全过程的技术监督。

(2) 根据土壤电阻率测量结果，42号和43号杆塔处土壤电阻率较高且分布不均匀，建议采用接地模块，且使用前必须经过严格检测和论证。

(3) 如果其他杆塔处土壤电阻率小于100 Ω·m，且土壤腐蚀性较大，建议采用牺牲阳极阴极保护措施。