500 kV输电线路接地网防腐措施研究

谈得意，罗向强，赵 渊，兰 澳

（1.国网四川省电力公司 检修公司,四川 成都 610000；2.国网湖北直流运检公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

输电线路接地网是保障线路安全稳定运行和检修人员人身安全的重要设备。当接地网在土壤中受到周边环境影响而产生不同程度的腐蚀时，雷电流及短路电流无法迅速有效的由接地网向大地传导，从而导致输电铁塔附近产生跨步电压升高，出现威胁现场检修人员安全的问题[1]。在全世界已经出现多起因接地网本身缺陷而造成的电网事故，因此研究如何提高接地网使用寿命，降低腐蚀速率非常有必要。

1 现有输电线路接地网防腐措施

现有接地网主要是利用角钢和圆钢相互焊接构成，并且长期埋设在地下，材料的腐蚀速率受土壤环境影响较大，特别是酸性土壤会极大加速材料的腐蚀[2]。下面介绍几种常用的接地网防腐技术。

1.1 增大接地材料横截面积

增大接地材料横截面积是目前改善接地网腐蚀最直接的措施。由于现有接地网材料在土壤中一定存在腐蚀情况，因此对于土壤环境干燥的地区可以通过选用更大规格的接地材料来增大接地网使用寿命[3]。但这种方式会造成钢材的消耗量大幅度增加，并且增大施工成本。

1.2 喷涂导电材料

在钢材表面喷涂导电材料是一种常用的防腐方法，主要原理是利用有机高分子聚合物耐腐蚀的特点，在聚合物内部加入部分导电颗粒，使材料既能耐腐蚀，也具有良好的导电特性[4]。但是由于涂层硬度不高，与原钢等材料的结合强度不够，容易在施工时造成涂层破损。因此该方法主要应用在电路板等电子行业内，在输电线路接地网上的应用较少。

1.3 牺牲阳极的阴极保护技术

目前，该方法是非常有效的一种防腐技术，主要原理是通过在被保护钢材附近放置活泼金属，如锌块，然后将被保护钢材和锌块连接起来。因为锌的金属活泼性大于铁，所以在发生电化学腐蚀时，接地网作为阴极不会发生化学反应[5]。在阴极保护装置设计过程中需要考虑土壤特点和接地网总面积等因素，并且由于锌块作为消耗性材料，需要定期开展维护，存在使用成本过高的问题。

1.4 选择不同接地网材料

到现在为止，国内输电线路接地体的材料主要是钢和铜。相对于钢来说，铜的导电性能和化学稳定性都优于钢，在土壤环境中的腐蚀速率更低，仅为钢腐蚀速率的25%左右。在国外，主要采用铜制接地体，但在国内，由于价格因素，铜采用的相对较少。此外，当铜长时间埋设在土壤中时，会造成该地区重金属污染，严重影响附近居民的生产生活。

2 镍基金属陶瓷涂层的制备

我国输电线路接地网常采用Q235钢制成，该材料具有价格低廉和导电性能好的优点。在接地网实际工作环境中，接地网涂层需满足相应的条件。即涂层需具备良好的导电性能，而且为保证在施工过程中不出现涂层破损等问题，涂层应具有一定的硬度[6]。因此，本文以Q235钢材为基底，使用超音速火焰喷涂法在表面喷涂NiCr金属陶瓷涂层进行相应研究试验。

2.1 基底材料前期处理

基底材料的前期处理步骤如下。首先将Q235钢切割成45 mm×45 mm×10 mm的长方体形式；其次利用LH型油污清洗剂对基底进行浸泡，然后对基底进行清洗风干；最后使用TS-GY-9080加压式喷砂机对基底喷砂除锈。

2.2 制备流程

由于涂层厚度是影响抗腐蚀效果的一个重要因素，而超音速火焰喷涂设备的送粉电压及喷涂层数会对涂层厚度产生影响。因此本文以送粉电压及喷涂层数作为变量进行试验制备，并对个试验材料进行编号，如表1所示，其中编号的第一个数字表示送粉电压，第二个数字表示喷涂层数，如编号3-2指送粉电压为3 V，喷涂层数为两层。

表1 涂层制备试验表

使用超音速火焰喷涂法将NiCr金属陶瓷材料制备到Q235钢基底上的流程如图1所示。

图1 金属陶瓷涂层制备流程图

3 涂层性能试验分析

由于需要探究制备的金属陶瓷涂层性能是否满足硬度、导电性能以及抗腐蚀性能的要求，因此试验中采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）扫描电镜测量涂层厚度，利用显微硬度计测量涂层的硬度，利用划痕试验法测量涂层与Q235钢基底之间的结合强度是否满足要求。

3.1 涂层厚度测量

利用超音速火焰喷涂法制备了不同喷涂层数的金属陶瓷涂层试样，并利用SEM扫描电镜仪获得了不同试样的SEM图，如图2所示。整体来看，在1 000倍显微镜下金属陶瓷涂层随着喷涂层数的增大，涂层厚度明显增厚；层数多的涂层外表面相对更加平滑，可能是由于多次喷涂过程中金属微粒更容易附着在凹面处。利用软件多次测量涂层不同位置厚度，取平均值，得到涂层厚度如表2所示。

表2 NiCr金属陶瓷涂层厚度

图2 金属陶瓷涂层SEM图

3.2 涂层硬度测量

本次试验采用显微硬度计，基于维氏硬度测量法对制备的各个涂层样品进行硬度测量。样品涂层厚度大约为64 μm，压力荷载采用150 g，划痕作用时间为6 s。对每个试样测量6次并取平均，得到如图3所示的试样硬度值。通过图中可以容易看出涂层硬度为852 HV，高于基底Q235钢的硬度，因此涂层硬度满足试验要求。

图3 金属陶瓷涂层及Q235钢硬度图

3.3 涂层抗腐蚀性能试验

本次制备的NiCr金属陶瓷涂层不仅需满足硬度要求，还需要检验其抗腐蚀性能是否更强。因此，本文采用中性盐雾腐蚀试验开展试样抗腐蚀性能试验。

试验中，首先将制备好的试样以及同样尺寸的Q235原钢称重后，放置到盐雾腐蚀试验箱内。其次利用高纯度NaCl颗粒与蒸馏水调制15 L浓度为（50±5）g/L的盐水溶液，PH值为7。最后在箱体内加入配置好的溶液，打开盐雾喷喷头，开始进行中性盐雾腐蚀试验。每隔一段时间，取出样品进行除锈工作后称量，得到不同时间点试样锈蚀失重值。

开展120 h盐雾腐蚀试验后，试样锈蚀如图4所示。通过图中可以看出，原钢已经全面锈蚀。而金属陶瓷涂层试样随着喷涂层数的增加，试样锈蚀程度越低。而3-4、3-5和3-6号涂层锈蚀程度大致相同。

图4 试样盐雾锈蚀图片

在中性盐雾腐蚀试验中，分别在不同时间段对除锈后的试样进行称量，得到每个试样失重量，然后对数据进行处理，得到如图5所示的NiCr金属陶瓷涂层锈蚀失重-时间曲线。从中可以看出，利用超音速火焰喷涂制备的NiCr金属陶瓷涂层的抗腐蚀性能高于Q235钢，并且试样编号为3-4的金属陶瓷涂层样品的抗腐蚀性能最优。

图5 NiCr金属陶瓷涂层锈蚀失重-时间曲线

3.4 涂层电学性能试验

3.4.1 涂层的体积电阻率

制备成的金属陶瓷涂层材料接地网电气性能主要体现在体积电阻率上。因此本文利用数字微欧计结合四探针法测量金属陶瓷涂层的体积电阻率。所制备金属陶瓷涂层的体积电导率如表3所示。

表3 试样体积电阻率

从表3可以看出，制备的金属陶瓷涂层体积电阻率随着涂层厚度的增加而增加，但和未喷涂的Q235钢体积电阻率相比，最大也只增加78.8 μΩ·cm，满足作为接地网散流的电气要求。

3.4.2 接地体接地电阻

由于现有标准中，输电线路接地网接地电阻需满足一定的要求，因此本文使用DET2/2型接地阻抗测量仪，采用三角形测量法测量试样接地电阻。此次试验制备的材料尺寸为20 cm×5 cm×0.5 cm，试样的接地电阻如图6所示。

图6 试样材料接地电阻平均值

通过分析可知，试样材料最大接地电阻为109.3 Ω，最小值为64.5 Ω，其中同样试样参数的Q235钢接地电阻值为62.8 Ω。通过比较分析，编号3-2、3-3、3-4的试样接地电阻值未过大超过Q235钢接地电阻值的20%，因此上述3种编号的NiCr金属陶瓷涂层试样的接地电阻性能满足工程要求。

4 结 论

通过对制备试样进行试验分析得出以下3点结论。一是利用超音速火焰喷涂制备的NiCr金属陶瓷涂层的电气性能满足工程实际要求。二是通过中性盐雾腐蚀试验，NiCr金属陶瓷涂层的抗锈蚀能力优于现有Q235钢接地体。三是当金属陶瓷涂层制备参数与编号为3-4试样的参数相同，既送粉电压为3 V，喷涂层数为4层时，制备出的NiCr金属陶瓷涂层抗腐蚀性能最好并满足实际工程电气性能要求。