变电站接地网引下线氧浓差腐蚀仿真计算研究

安韵竹，田海鹏，姜映辉，胡文国，安炳臣

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.国网滨州市滨城区供电公司，山东 滨州 256600；3.济宁华源热电有限公司，山东 济宁 272000）

0 引言

变电站接地网是保证输变电站一、二次设备安全稳定运行的基础过电压和防静电装置［1-2］。变电站接地装置不仅直接关系到人身和设备的安全，还关系到整个变电系统运行的安全稳定性［3-4］。但接地网导体的腐蚀、断裂或漏焊等故障，通常会引起或扩大事故，带来巨大的经济损失和不良的社会影响，接地网导体腐蚀是接地网损坏的最突出的技术问题［5-6］。接地网通常埋入地下，以保证电气设备可靠接地，由于土壤的腐蚀性及泄漏电流的作用，接地网腐蚀、损坏现象时有发生，使变电站接地网的散流性能降低，从而影响站内设备的安全稳定运行。

金属接地体的腐蚀问题是制约变电站接地网使用寿命和接地电阻的瓶颈所在，解决目前电力工程输变电设备常见的金属接地材料腐蚀问题具有重要实际工程意义。电力系统接地网一般采用扁钢、锌包钢、铜包钢、铜等金属材料［7-8］。除了价格较为昂贵的铜接地材料耐腐蚀性能较好之外，一般金属接地网容易遭受土壤的腐蚀，而接地网腐蚀问题作为金属接地体难以避免的自然破坏因素，一直是电力系统接地技术从业者颇为头痛的问题［9］。目前，大部分的变电站接地网所采用的接地体材料仍然是耐腐蚀性较差的钢材，其耐腐蚀性能远不如铜材质接地体和柔性石墨接地体［10-13］，但由于后两者在工程造价、施工难度以及规范标准依据等方面的因素，尚未在变电站内广泛应用。钢材受土壤中复杂环境的影响，极易被腐蚀变细甚至发生断裂，这将对变电站的防雷以短路故障电流泄流能力产生一定的安全隐患［14］。2018 年，国家电网有限公司颁布的《十八项电网重大反事故措施》报告指出：投运10年及以上的非地下变电站接地网，应定期开挖（间隔不大于5年），抽检接地网的腐蚀情况，每站抽检5～8个点。因此，对钢材质的接地网腐蚀状态开展研究具有工程意义［15］。

通过对变电站接地网引下线腐蚀原理的分析，建立变电站接地网引下线的等比例模型，分析在同种土壤条件下不同金属材料、形状，腐蚀程度的腐蚀速率等。对电力系统接地网引下线的腐蚀分析进行了整体性的研究。对变电站接地装置的建设和接地网引下线防腐处理提供了理论参考。

1 变电站接地网引下线腐蚀机理

针对电力系统中的实际工况分析了金属的腐蚀方式对电力系统中接地网以及接地网引下线腐蚀的影响。考虑到变电站中土壤一般较为致密、微生物滋生较少［16］，因此，影响接地网引下线腐蚀主要因素是电化学腐蚀和氧浓差腐蚀。

1.1 电化学腐蚀

金属在土壤中的腐蚀就反应原理而言大多为电化学腐蚀。电化学腐蚀指的是金属表面与周围介质发生电化学反应而引起的腐蚀现象，其特点是在腐蚀过程中有电流产生［17］。

金属接地网引线下线受氧气摩尔浓度的影响而发生的电化学反应式主要有2 个，如式（1）—式（2）所示。

1.2 氧浓差腐蚀

氧浓差腐蚀是造成金属局部腐蚀的重要因素之一，也是一种普遍存在的、危害性很大的腐蚀形式。氧浓差电池经常发生在埋地金属接地网、金属管线上，这是因为金属的外部环境相对复杂，在不同的环境中氧浓度含量不同，因此当金属经过两种不同的环境时，就会在这两个部位形成氧浓差。缺氧部位金属的自然电位相对较低，形成腐蚀电极的阳极（易受腐蚀）；在氧浓度比较充足的部位，金属的自然电位较高，形成腐蚀电池的阴极。金属接地网引线下线受氧气摩尔浓度的影响而发生的电化学反应式主要有3个［18］，如式（3）—式（5）所示。

2 镀锌钢接地引下线腐蚀模型

2.1 仿真模型建立

镀锌钢是现有变电站接地和引下线常用的材料之一。采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 对接地网引下线氧浓差腐蚀过程进行仿真。建模仿真的主要过程如下：

1）使用三维绘图软件绘制接地网引下线的扁钢和圆钢模型（外层包含有镀锌层），扁钢模型横截面尺寸为4 mm×40 mm，去除镀锌表层后钢芯尺寸为2.6 mm×38.6 mm，模型的高度以及弯折部分依据实际工况进行设置，在模型中两处弯折角度均为150°钝角。扁钢几何模型如图1（a）所示，圆钢几何模型如图1（b）所示。

图1 镀锌扁钢引下线仿真几何模型Fig.1 Geometric model of down-lead line with galvanized flat steel

2）将建立好的几何模型导入有限元仿真软件中，绘制出深层土壤、浅层土壤、空气分布的几何区域。选取的物理场为三次电流分布，三次电流分布物理场是在二次电流分布物理场的基础上，考虑电化学反应过程中电极表面电介质的浓度变化，用边界条件确定上层空气域、浅层土壤域以及深层土壤域的氧气摩尔浓度。其中空气域中设置氧气摩尔浓度为固定值0.2 mol/m3，浅层土壤域表示从地面开始到地下20 cm 处，依据文献［19］可知，在该区域随着土壤深度的增加，氧气摩尔浓度急剧减少，深层土壤区域从地面以下20 cm 的位置向下延伸到地面以下130 cm 处，该区域本身氧气摩尔浓度值已经比较低，虽然仍有不断减小的趋势，但随着深度的增加变化速率较缓慢。为了对接地网引下线所处的几何区域网格进行更为细致地剖分、在引下线外层增加了一个辅助圆柱体，如图1 所示。最后，对模型进行网格剖分、仿真计算。模型域分布如图1（c）所示。

2.2 模型仿真参数

镀锌钢引下线模型中需要定义的参数如表1 中的镀锌钢基本材料参数［20］。

表1 镀锌钢引下线模型参数Table 1 Parameters of galvanized steel down-lead line model

为了表征氧气在土壤中扩散的速率，引入土壤孔隙饱和度的概念，土壤电导率是土壤孔隙饱和度的函数，土壤孔隙饱和度通过影响电导率、电化学反应，进而影响电极表面氧气摩尔浓度。此外氧气扩散率也是土壤孔隙饱和度的函数，可以直接影响域中的氧气扩散速率，进而影响氧气摩尔浓度的分布。土壤孔隙饱和度与电导率以及氧气扩散率之间的关系如表2 与表3 所示。这两个函数均以插值函数的形式在有限元仿真软件组件中定义。

表2 不同孔隙饱和度下的电导率Table 2 The electrical conductivity under different pore saturation

表3 不同孔隙饱和度下的氧气扩散率Table 3 The oxygen diffusivity under different pore saturation

3 接地网引下线附近氧气分布

氧浓差腐蚀受环境中氧浓度含量的影响，图2是镀锌钢引下线表层完整时引下线附近氧气摩尔浓度分布情况。

图2 镀锌扁钢接地网引下线氧气摩尔浓度YZ切面图Fig.2 The YZ section of oxygen molar concentration around biao galvanized flat steel grounding grid lead line

从图2 可以看出地面以上部分氧气摩尔浓度均衡，地下部分由于土壤疏密程度，土壤孔隙饱和度等因素的影响随着深度增加氧气摩尔浓度逐渐降低，但是在地面到地下20 cm 处氧气摩尔浓度下降更为迅速。空气中与土壤中的氧气摩尔浓度几乎是不变的，所以当改变引下线的材料、形状、腐蚀程度时氧气摩尔浓度的分布延续了上述的分布规律。

4 接地网引下线腐蚀特性影响分析

4.1 接地网引下线金属镀层材料

铜覆钢又称铜包钢、覆铜钢等，是一种良好的金属导体。铜覆钢导体具有性质稳定、耐腐蚀性强的特点，目前在点电力系统中得到了一定程度的应用。为了对镀锌钢和铜覆钢两种材质的接地网引下线的腐蚀情况做出对比，控制单一变量，选取的铜覆扁钢和镀锌扁钢尺寸保持一致。铜覆钢腐蚀模型中定义的参数如表4所示。

对于刚建设完成不久的变电站，站内的接地网和引下线表层腐蚀很轻微，引下线表层的镀锌层和镀铜层还未被腐蚀或仅仅发生轻微腐蚀。电极表面反应主要是锌或铜的氧化反应和氧的还原反应以及析氢反应。

计算所得接地网引下线表层完整模型仿真结果如图3 所示和铜覆扁钢接地网引下线表层完整模型仿真结果如图4所示。

图4 铜覆扁钢接地网引下线表层完整模型仿真结果Fig.4 Simulation results of the lower line surface of complete copper coated steel down-lead line

金属腐蚀程度的判断主要根据法拉第第二定律（即法拉第电解定律），电极表面电流密度与腐蚀进行的速率呈正相关，通过观察表面电流密度分布即可找出接地网引下线腐蚀最严重的区域。根据图3和图4可以看出，带有合金镀层的金属引下线表面氧浓差较大处，即氧浓差腐蚀较严重处，电流密度大于周围其他区域，呈现出随着距离地面深度的变化逐渐减小的趋势。铜覆扁钢引下线比镀锌扁钢引下线表面电流密度小，腐蚀速率慢。

根据图3（c）、图4（c）可以看出地下10 cm 处随着孔隙饱和度的增加，镀锌扁钢接地网引下线的表面电流密度呈现增加的趋势，增加的速率是在逐渐增大的。铜覆扁钢接地网引下线整体趋势上电流密度是随着孔隙饱和度的增大而增大，但当孔隙饱和度到达0.5 后电流密度几乎不再增长。当空隙饱和度在0.20～0.35 之间时，镀锌扁钢接地网引下线比覆铜扁钢接地引下线地下10 cm 处引下线表面电流密度小，腐蚀速率小。当空隙饱和度在0.35～0.80之间时，镀锌扁钢接地网引下线比覆铜扁钢接地引下线地下10 cm处引下线表面电流密度大，腐蚀速率快。

4.2 接地网引下线形状

目前电力系统中主要使用的镀锌圆钢变电站接地网引下线直径为16 mm，其截面面积高于4 mm×40 mm 镀锌扁钢接地网引下线，耐腐蚀性与镀锌扁钢接地网引下线相近。和镀锌扁钢变电站接地网引下线表层未腐蚀的情形一样，该模型模拟的是接地网引下线埋入土壤的时间较短时的腐蚀情况。只有镀锌表层发生腐蚀，腐蚀情况不严重。

求解计算所得镀锌圆钢接地网引下线表层完整模型仿真结果如图5所示。

图5 镀锌圆钢接地网引下线表层完整模型仿真结果Fig.5 Simulation results of the lower line surface of complete galvanized round steel down-lead line

从图5可以看出，镀锌扁钢引下线与镀锌圆钢引下线附近的氧气摩尔浓度分布与表面电流分布规律一致。镀锌圆钢引下线最大表面电流密度与镀锌扁钢引下线表面电流密度相比较大，也就是说镀锌圆钢接地网引下线腐蚀速率更快。

从图5（c）可以看出随着孔隙饱和度的增加，地下10 cm 处引下线表面电流密度逐渐增加，增加的速率也在不断增大，与镀锌扁钢接地网引下线规律相同。但镀锌圆钢接地网引下线地下10 cm 处引下线表面电流密度整体比镀锌扁钢接地网引下线高，也就是说镀锌圆钢接地网引下线腐蚀速率更快。

4.3 接地网引下线腐蚀程度

4.3.1 接地网引下线表层局部腐蚀

接地网引下线埋入地下后，电极表面腐蚀不均衡，有局部区域腐蚀较为严重，先出现表层镀锌层的破损，露出内部钢芯，这时电极表面由一个变成了两个，即外层镀锌层表面发生锌的氧化，内层钢芯表面发生钢的氧化、氧的还原反应以及析氢反应。电极表面的选取镀锌扁钢接地网表层局部腐蚀引下线电极设置如图6 所示。求解镀锌扁钢接地网引下线表层局部破损模型所得结果如图7所示。

图6 镀锌扁钢接地网表层局部腐蚀引下线电极设置Fig.6 Local corrosion set on the surface of galvanized flat steel down-lead line

图7 镀锌扁钢接地网引下线表层局部破损模型仿真结果Fig.7 Local corrosion simulation results on the surface of galvanized flat steel down-lead line

由图6（a）、图6（b）可知，地面至地面以下20 cm区域的氧气摩尔浓度差异大，带有镀锌膜的镀锌钢引下线表面氧浓差较大处电流密度大于周围其他区域，呈现出随着距离地面深度的变化逐渐减小的趋势。接地网引下线表层局部腐蚀后，腐蚀孔边缘电流密度急剧增大，即腐蚀孔周围更易发生腐蚀，通过牺牲镀锌表层的方式保护内部钢芯。从图7（b）可以看出随着孔隙饱和度的增加，接地网引下线的地下10 cm 处引下线表面电流密度呈现增加的趋势，增加的速率是在逐渐减小的。

4.3.2 接地网引下线表层腐蚀殆尽

接地网引下线埋入地下时间太久之后，地下部分的镀锌表层已经腐蚀消耗完，内部的钢芯直接暴露在土壤中，因此发生的电极反应为钢的氧化、析氢反应、氧的还原反应且都位于接地网引下线的镀锌表层和氧的交界面处。电极表面镀锌扁钢接地网引下线表层腐蚀殆尽电极设置如图8所示。

图8 镀锌扁钢接地网引下线表层腐蚀殆尽电极设置Fig.8 Surface corrosion set of the galvanized flat steel grounding grid down-lead line

求解结果如图9 镀锌扁钢接地网引下线表层腐蚀殆尽模型仿真结果所示。

图9 镀锌扁钢接地网引下线表层腐蚀殆尽模型仿真结果Fig.9 Surface corrosion simulation results of the galvanized flat steel grounding grid down-lead line

接地网引下线地面以下镀锌表层腐蚀消耗殆尽以后，从图9（a）、图9（b）中可以看出，地面至地面以下20 cm 区域的氧气摩尔浓度差异大，地面至地面以下20 cm的电流密度显著高于其他区域，氧浓差腐蚀现象显著。从图9（b）中可以看出，随着孔隙饱和度的增加，地下10 cm 处引下线的表面电流密度呈现增加的趋势，但增加的速率是在逐渐减小的。减小的速率与接地网引下线表层局部腐蚀的模型相比较大。

5 结束语

镀锌膜和镀铜膜对接地网引下线起到了一定的保护作用，在镀层完整的情况下，接地网引下线表层的电流密度较小，镀锌膜表面电流密度大于镀铜膜，镀锌膜腐蚀速率大于镀铜膜。

带有镀层的金属引下线表面氧浓差较大处电流密度大于周围其他区域，呈现出随着距离地面深度的变化逐渐减小的趋势。

接地网引下线表层局部腐蚀后，腐蚀孔边缘电流密度急剧增大，即腐蚀孔周围更易发生腐蚀，通过牺牲镀锌表层的方式保护内部钢芯。地面至地面以下20 cm 区域的氧气摩尔浓度差异大，该区域电极表面电流密度比其他区域电流密度大，即发生了氧浓差腐蚀。

接地网引下线地面以下镀锌表层腐蚀消耗殆尽以后，地面至地面以下20 cm 的电流密度显著高于其他区域，氧浓差腐蚀现象显著。