考虑土壤腐蚀的杆塔接地网设计方法

国网福建省电力有限公司建设分公司 黄明祥

在土壤对金属导体的腐蚀特性方面，针对国内埋地金属主要应用的碳钢、不锈钢和镀锌钢等材料的腐蚀特性很早就开展研究，李谋成[1]等人进行了碳钢的电化学腐蚀研究，国内张红[2]和美国Zhang X G[3]等人分别研究了镀锌层在溶液中的腐蚀特性，得出镀锌层会对基体碳钢起到一定的保护作用。国内外对于不锈钢材料的耐腐蚀性质的研究表明[4-5]，在酸性和中性土壤中，由于不锈钢表面钝化膜的保护作用使得其在土壤中的腐蚀速率较低。但在一些高碱性土壤中，由于的含量较高，在自催化机理的作用下，不锈钢的腐蚀速率随含量的增加而增大[6]。

另外，在透气性较差的土壤中不锈钢的耐蚀性也会随之减弱。美国的Deni son和Hobbs[7]得出腐蚀速率与土壤酸度呈正比。国内贾思洋[8]等人也研究了不同pH值土壤中的腐蚀速率。李健[9]等人通过失重法、观测腐蚀形貌、分析腐蚀产物和测量极化曲线得出。Goidanich[10]等的实验结果表明交流电流的增大会导致金属腐蚀速率增大，在电流密度为10A/m2时，交流腐蚀速率是无电流作用时腐蚀速率的2倍左右。杨燕[11]等研究了金属X70钢在中性电解液中的交流腐蚀行为，结果表明腐蚀速率和交流电流密度呈正幂函数关系。刘骋[12]等研究了交流杂散电流的腐蚀特性，Wakelin[13]等发现交流电流密度低于20A/m2时材料几乎不发生腐蚀。

1 影响埋地金属腐蚀速率的因素

1.1 土壤酸碱度对腐蚀速度的影响

按照金属腐蚀领域的研究，在酸性和碱性土壤中钢材发生腐蚀的原理完全不同。在酸性土壤环境中，Fe2+与水分子化合溶解在土壤中：Fe2++nH2O→Fe2+·nH2O，而在中性或碱性土壤环境中Fe2+与OH-反应形成了Fe(OH)2，并在H2O和O2作用下进一步反应生成Fe(OH)3，其难溶且不稳定，最后反应生成铁锈。对于镀锌钢而言，由于Zn的标准电极电位比Fe低，随着埋设在土壤环境的时间增加，土壤对镀锌钢材料不断进行腐蚀，锌层最先开始发生反应，由于镀锌层的厚度有限且热浸镀过程中容易存在工艺缺陷，部分锌层被腐蚀掉后，锌和与土壤接触的碳钢同时发生反应。因此随着腐蚀时间的增加或土壤环境腐蚀情况进一步加重，在锌层破坏后，碳钢基体逐渐发生腐蚀破坏。

严格意义上讲，不同酸碱度的土壤环境虽然对于金属腐蚀存在差异，但除非是针对特定土壤的测试试验，否则很难定量给出不同土壤环境下的金属腐蚀速率。以上分析是基于金属材料在简单溶液体系下的腐蚀电位与溶液pH值的关系，对于土壤这种复杂的三相体系情况则复杂得多：酸性环境下腐蚀速率大、耐蚀性低，碱性环境下腐蚀速率小、耐蚀性高。当模拟土壤的pH值降低时，一方面使得H的电极电位Ee(H2/H+)变正，而标准状况下Ee(Fe/Fe2+)=-0.440V，所以腐蚀过程发生作用的驱动力即电位差ΔE=Ee(H2/H+)-Ee(Fe/Fe2+)也变大，腐蚀速率加快。

1.2 接地网导体散流密度对腐蚀速率的影响

在有交流电流通过杆塔接地网导体流入土壤的情况下，其腐蚀机理非常复杂。大量研究者根据实验数据及理论推导得出几种不同的交流腐蚀机理，主要为法拉第整流效应、阳极反应的去极化作用、阳极反应的不可逆性、金属/介质界面的振荡作用和强电场理论。由于接地网干扰源的不同，散流对接地网的腐蚀可分为直流杂散电流腐蚀和交流杂散电流腐蚀以及地磁场。直流、交流两种杂散电流的腐蚀机理不同，因此腐蚀速率也不同。

交流杂散电流在低于20A/m2时主要为电容充放电，参与了碳钢腐蚀反应的电流很小，因此接地网的腐蚀速率和无电流状态下的腐蚀强度相近；交流杂散电流在20～100A/m2范围中参与接地网材料腐蚀反应的交流电流增加，即电解质中各种离子的移动速度使接地网的腐蚀反应加快；交流杂散电流在100～200A/m2范围内接地网腐蚀反应初期非常快，但是随着腐蚀产物的不断堆积，如在表面生成致密氧化物会对基体起保护作用，腐蚀速率会有一定减缓（表1）。

在较高电流密度的交流杂散电流作用下，碳钢的腐蚀形式会由均匀腐蚀转变为局部腐蚀，使得内层碳钢上出现了蜂窝状的点蚀坑。在酸性土壤环境中，交流杂散电流密度越大接地网的腐蚀速率越大；在上述中性环境中，由于腐蚀产物的致密性交流杂散电流腐蚀速率会被抑制，当土壤的pH值足够高时腐蚀速率会降至较低的程度，且微弱交流电频率对接地网材料的交流杂散电流腐蚀影响很小。

表1 不同杂散电流对腐蚀速率的影响

2 典型杆塔接地网导体电流的分布

目前杆塔接地网的设计大多按照矩形结合辐射状导体的形式进行设计。以500kV输电线路常用的接地体结构为例，主要包括TB3、TB5、TB10、TC5、TC10、TC15、TA20和TJ几种类型。其中的数字3、5、10、15、20分别代表土壤电阻率分别为300、500、1000、1500和2000Ω·m。不同接地装置的结构如图1所示，其中相应的参数列于表2中。

由于接地网导体流入大地的电流密度既是影响动、热稳定性的重要指标，也是影响腐蚀速度的主要因素。在线路正常运行情况下，由于相线和地线的感应，杆塔必然存在入地电流。但这一数值在不同情况下存在较大差异，按照不同文献的计算分析，电流数值从10几A到100多A不等。表2给出了入地电流100A情况下，最大泄漏电流位置和最小泄漏电流位置。为了使泄漏电流密度小于20A/m2需要的最小接地网导体半径，如果以常用的12mm直径圆钢为参考，在TC5、TB5、TB3、TA3四种接地网结构下，需考虑更粗的接地网导体或使用耐腐蚀的新型接地材料。

表2 不同形式接地网单位长泄漏电流需要的接地网导体半径（100A入地电流）

3 结语

土壤的酸碱性差异对金属腐蚀速度存在差异，一般情况下酸性土壤的腐蚀更强，碱性其次，中性最弱，但即使酸碱性相同，腐蚀速度也受入地电流因素影响，因此针对一条输电线路的杆塔接地网进行腐蚀程度分析时，建议对接地网所在区域全部进行采样分析其腐蚀速度；接地网的散流会加速接地网的腐蚀速度，在接地网设计时需考虑接地网散流尽可能均匀，避免出现局部腐蚀速度过快的问题；本文通过研究，提出了结合金属在不同土壤中的腐蚀速度设计接地网导体尺寸，并对典型接地网分析其散流大小，提出了通过添加分支、减少主网的散流提高接地网寿命。