电力接地网材质对引下线腐蚀特性的影响研究

黄 涛,沈文韬,谢洪平,安韵竹,杜长青,井 栋

(1.国网江苏省电力工程咨询有限公司,南京 210000;2.山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255000)

0 引言

为了解决金属接地网的地下腐蚀问题,近年来柔性石墨复合接地材料被推广应用到实际电力接地工程中。由于石墨为非金属材料且具有较强的耐腐蚀性,可有效缓解埋地接地网腐蚀问题。因目前我国电力杆塔接地装置中的引下线部分多采用钢材,钢引下线与非金属石墨接地网连接时,由于两种材质化学性质活泼性不同可能仍存在腐蚀问题。因此,研究接地网材质对钢引下线腐蚀特性的影响,对提高电力接地装置的抗腐蚀特性具有实际工程意义。

杆塔接地引下线的腐蚀问题是电力接地工程中长期关注的问题之一。徐松[1]开展了大量实际现场调研并通过扫描电子显微镜、电子能谱和X射线衍射等方法分析了镀锌钢引下线的腐蚀微观结构,并发现引下线腐蚀形式主要为氧浓差腐蚀,土壤埋深10～20 cm处引下线腐蚀最为严重。洪浩等[2]研究了水田、盐碱地中的输电线路杆塔引下线腐蚀。郑志生等[3]分析了农村电网接地引下线的腐蚀机理,认为腐蚀主要受多种环境因素和化学作用的综合影响。周金邢等[4]提出了一种接地引下线腐蚀状态的监测方法,实现了免开挖即可监测接地引下线的腐蚀状况。近年来随着非金属石墨接地材料的应用,实际工程中也出现了钢引下线腐蚀的问题。

为了研究接地网材质对引下线腐蚀特性的影响,本研究理论分析了引下线腐蚀机理,并建立杆塔镀锌钢接地引下线、钢引下线-石墨接地体连接条件下的电化学腐蚀模型,对比钢和石墨两种材质接地体对引下线工作电极电位、局部土壤氧浓度、氧还原电流、析氢反应电流和铁氧化电流的影响规律,分析接地体材质对引下线腐蚀特性的影响。

1 电力杆塔金属接地引下线腐蚀机理

1.1 土壤中的氧浓差腐蚀

当接地材料通过孔隙结构和干湿程度不同的土壤时,由于土壤中不同位置处含氧量不同,将会引起金属体不同位置的氧浓差腐蚀。若接地材料部分穿过砂土,部分穿过黏土,会发生腐蚀电池反应[1],如方程式(1)所示。

Fe=Fe2+2e
O2+2H2O+4e=4OH-

(1)

由能斯特公式2可知,若土壤介质中各部分含氧量不同,会因氧浓差产生较高的电位差。相对于氧浓度较高的区域来说,金属接地材料在氧浓度较低区域,会因其电极电位较低而成为阳极,故在阳极区的金属将遭受腐蚀[5]。

(2)

由于砂土中氧气浓度大于黏土中氧气浓度,故金属接地极在砂土中更易发生还原反应,即在砂土中金属接地极的电极电势高于在黏土中金属接地极的电极电势,所以黏土中引下线便成了氧浓差电池的阳极而遭到腐蚀。

同理,埋在地下的引下线部分,由于埋设的深度不同,不同埋深处土壤含氧量不同,也会造成引下线的氧浓差腐蚀。如图1所示,由于深层部位氧气浓度较低,该部分引下线易成为氧浓差电池的阳极,因此引下线腐蚀往往发生在较深层土壤中。直径较大的水平金属外延接地体,受腐蚀处也往往处于外延下部,这也是现有接地体腐蚀很多发生在底部四分之一表面的原因。

图1 埋地接地体上回填土形成的氧浓差电池Fig.1 Oxygen concentration battery formed by backfilling soil on buried grounding electrode

1.2 电偶腐蚀

当两种化学性质活泼性不同的材料相连时,两材料之间形成的电位差使电流从电偶序较低(即化学性质较活泼)的金属流入电解质中,导致腐蚀的发生。实际工程中常遇到不同接地材料相连引发的腐蚀现象。如果将柔性石墨接地体用作接地网的主要接地极材料,同时地网附近存在较多钢筋混凝土、钢构及地下电缆管道等,地网附近的这些设施极易发生电偶腐蚀。

如图2所示,钢接地引下线化学性质较活泼成为阳极,而柔性石墨接地体主要是非金属碳组份化学性质稳定成为阴极形成腐蚀电池,造成了这就成为输电线路杆塔的安全隐患[6]。

图2 电偶腐蚀电池示意图Fig.2 Schematic diagram of galvanic corrosion battery

当钢制接地引下线穿过不同组成成分的土壤时,也易形成电偶电池,这使得在均种土壤中的钢相对于另一种均一土壤中的钢成为阳极,发生电偶腐蚀[7]。由于混凝土也可视为一种电解质,虽然反应活性较低,但当输电线路杆塔利用塔基的钢筋混凝土基础作自然接地体时,混凝土中的钢筋与埋设在土壤中的接地引下线相连接,由于混凝土中的含氧量较低,可以视为反应阴极,则埋设在孔隙较大的土壤中的引下线则被视为反应阳极,这使得埋设在土壤中的引下线成为阳极遭受腐蚀,而混凝土中的钢筋受到保护[8]。因此不同的电阻率的分层土壤中也存在这种类型的电偶腐蚀。

2 电力杆塔金属接地引下线腐蚀模型

2.1 电化学反应参数的标定

本研究所采用接地引下线的材质为钢,并且只考虑电极表面的电化学反应。为简化计算,采用三次电流分布物理场建立“金属引下线-杆塔接地体”腐蚀过程计算模型。根据文献[1]研究工作,设置电极反应参数取值如表1所示。

表1 术语解释和典型参数值Table 1 Explanation of terms and typical parameter values

目前国内杆塔桩基多采用自然接地和桩基外敷柔性石墨接地方式。杆塔桩基自然接地时,引下线连接金属接地体,如图3(a)所示;而桩基外敷柔性石墨接地方式中,引下线与柔性石墨复合接地体相连接,如图3(b)所示。根据实际引下线与接地网的连接方式,搭建简化的引下线-接地体腐蚀特性二维几何模型如图3(c)所示。

图3 引下线与不同材质地网连接Fig 3 Downline connection with different materials

2.2 土壤孔隙饱和度对土壤电阻率和氧气有效扩散率的影响

如图3(c)所示,上半部分为大气,气压为一个标准大气压、温度为20 ℃,氧气扩散系数为1.5×10-4m2/s;下半部分为土壤。土壤孔隙率、土壤电阻率以及土壤中氧气有效扩散率如表2所示。

表2 土壤电阻率和氧气有效扩散率与孔隙饱和度的关系Table 2 Relationship among soil resistivity and effective oxygen diffusivity and pore saturation

氧气在腐蚀过程中起着重要作用,氧气通过铁阳极进入结构,并在多孔土壤介质扩散,最终在引下线表面参加腐蚀反应。实际上,随着引下线的腐蚀老化,反应产物会堵塞与引下线与土壤界面相邻的孔隙,从而增加扩散阻力,但这种随时间变化的影响已超出了引下线的正常工作范围。本研究假定铁阳极的孔隙率不小于土壤的孔隙率,并且铁对质量传递没有额外的阻力。

在稳态下,氧气输送的控制方程式规定,对于混凝土中的所有点,氧气的空间依赖性有效扩散率(DO2)的乘积乘以氧气浓度的梯度(∇CO2)必须为零:

∇·DO2(∇CO2)=0

(3)

氧气在土壤中的传输效率取决于许多因素,包括曲折度,孔径分布,壁吸附和毛细作用以及混凝土的水分含量。表2列出了混凝土中氧气有效扩散率随水分含量(或孔隙饱和度)变化的实验值。氧气在土壤中的扩散速度比空气中的扩散速度慢得多(DO2,Soil/DO2,air≈10-4)。土壤电阻率和土壤中的氧气扩散率成反比,始终假定土壤中水相和气相氧之间的局部平衡,符号CO2表示氧的气相浓度。

土壤中的电荷传输也是一个反应发生的重要步骤,腐蚀过程本质上都是电化学过程。当存在电场时,土壤溶液中的溶解离子充当电荷载体,电场是由整个土壤的电位差决定的。在稳态下,电荷传输的控制方程式表明,对于土壤内的所有点,与空间相关的电阻率的倒数乘以电位梯度的乘积为零。

(4)

式(4)中:φ为土壤的电位差,ρ为土壤的电阻率用于将离子迁移的复杂现象减少到单个参数。关于ρ的值是孔隙饱和度的函数,并通过实验确定。土壤的孔隙越大,越有助于离子移动,所以电阻率与孔饱和度成反比。

2.2.1 边界条件

所有不是钢筋阳极或石墨阴极的系统边界都需要设置自然绝缘条件,如式(5)所示。

(5)

(6)

在钢阳极上,假定土壤和阳极边界处的氧气浓度等于大气中的氧气浓度,所以有:

(7)

将阳极固定为均匀的电势,得出边界条件:

φ(0,y)=φFe

(8)

式中φFe表示与锌阳极界面处的混凝土电势的常数。由于在模型中假定引下线与土壤界面的极化作用可忽略不计,因此未明确考虑锌阳极处的氧化反应。

2.2.2 钢质引下线反应动力学

钢质引下线和土壤界面上发生的化学反应包括氧气的还原反应、钢质引下线的氧化反应、析氢反应[9]。

当大气中的氧气通过土壤扩散并到达埋地的引下线表面时,可以在水溶液中还原为氢氧根离子[10]:

O2+2H2O+4e-→4OH-

(9)

该反应中的水来自引下线周围土壤中孔隙中存在的水分。假定反应速率不受反应水耗量的限制。

当钢筋中的铁进行氧化时,会发生腐蚀[11-12]。腐蚀反应表示为:

Fe→Fe2++2e-

(10)

作为阳极的钢筋表面始终保持氧化反应发生,并且不会随着时间的推移因铁腐蚀产物的堆积而钝化。假设腐蚀过程中腐蚀产物不会以任何方式改变钢筋的几何形状。

最后,消耗引下线周围土壤中孔隙中存在的水分形成氢气,发生析氢反应:

2H2O+2e-→H2+2OH-

(11)

这3个反应都与钢筋上的电流密度密切相关,并且每个反应都可以用Tafel动力学表示[13-16]。钢筋上氧气减少所引起的电流密度变化如式(12)所示。

(12)

铁氧化反应iFe(θ)和析氢反应iH2(θ)的电流密度的Tafel表达式[17-18]为

(13)

(14)

上述三个反应的净电流产生的引下线和土壤界面的总电流密度,即

itot(θ)=iO2(θ)-iFe(θ)+iH2(θ)

(15)

引下线上的阴极电流被认为是正电流,而阳极电流被认为是负电流。土壤主体中任何一点的电流密度如式(16)所示:

(16)

(17)

式(17)中,符号|θ表示在土壤-引下线界面上的位置θ处的评估梯度。氧分子在土壤本体中任何一点的摩尔通量由下式给出:

(18)

(19)

式中n是式(5)中来自化学计量的电子数,F是法拉第常数。在稳定状态下,土壤-引下线界面的所有点都必须同时满足式(7)和(8)的氧浓度和电势值。最后,要完成模型的定义,腐蚀电路周围的压降总和必须等于零:

EFe(θ)+[φ(θ)-φ(0,y)]=0

(20)

式中:EFe(θ)是引下线与土壤之间的电势差(相对于此处的Cu/CuSO4参比电极,简称CSE);φ(θ)-φ(0,y)是从裸露引下线阳极到石墨接地体(或加防腐涂层后的引下线)上角度为θ的点上穿过土壤的欧姆电势降(相对于Cu/CuSO4参比电极);按照惯例,φ(x,y)的形式为土壤中x,y点处CSE相对于紧邻引下线阳极的CSE之间的电位,引下线阳极处的电位值为φFe=φ(0,y)。此约定允许根据施加的电势和钢筋上的φ(θ)值来计算出现在动力学方程中的钢筋混凝土界面电位差EFe(θ):

FFe(θ)=-φ(θ)

(21)

上式(1～21)完全定义了本研究涉及到的化学反应数学模型。

3 杆塔桩基对杆塔接地引下线腐蚀特性影响分析

为了分析引下线敷设特性,分别计算分析引下线埋深分别为0.01 m、0.11 m、0.21 m、0.31 m、0.41 m、0.5 m 6个位置的工作电极电位、氧浓差、氧还原电流密度、铁氧化电流密度及析氢电流密度。采用土壤孔隙饱和度来表征土壤多孔介质的湿度,孔隙饱和度取0.2～0.8,土壤孔隙饱和度的增大,土壤的湿度越大,土壤中氧气浓度就越小[22-24]。

3.1 引下线工作电极电位

工作电极电位是参比电位和电解质电位之间的差值,是影响引下线腐蚀速率的一个重要因素[24-27]。如图4、图5所示,引下线不同埋深位置处的工作电极电位随孔隙饱和度的增大而增大。由图4可知,当土壤孔隙饱和度为0.7时,钢引下线在埋深0.01 m增加至0.5 m时,工作电极电位从-0.348 15 V增加至-0.348 64 V;而在引下线-石墨接地体连接方式下,工作电极电位从-0.349 7 V增加至-0.350 6 V。因此在引下线-石墨接地体连接方式下,不同埋深的区域工作电极电位差相对较大,腐蚀过程会更强烈。

图5 不同孔隙饱和度下引下线周围土壤空间电位分布Fig.5 Spatial potential distribution of soil around lead under different pore saturation

3.2 引下线局部土壤氧浓度

为了对比分析接地体材料对引下线周围局部土壤氧浓度的影响,计算分析了孔隙饱和度为0.2～0.8时引下线局部土壤氧浓度,如图6、图7所示。由图6可知,随着土壤孔隙饱和度的增大,土壤湿度增大,氧气在土壤中的扩散率下降,引下线局部土壤氧浓度显著下降;并且在孔隙饱和度为0.6～0.75时,氧浓度变化最大,此时氧浓差腐蚀最为剧烈。由图6(a)可知,引下线在埋深为0.31～0.41 m时,引下线氧浓差腐蚀比埋深为0.5 m时更严;在孔隙饱和度为0.8时,埋深0.41 m区域的氧浓度下降至7.81 mol/m3。由图6(b)可知,引下线/柔性石墨接地体-土壤界面在同等孔隙饱和度及埋深区域条件下,氧浓度含量相比引下线-土壤界面更低。在孔隙饱和度为0.7时,埋深0.5 m处引下线-土壤界面氧浓度为8.2 mol/m3;而引下线/柔性石墨接地体-土壤界面氧浓度仅为7.79 mol/m3。说明引下线/柔性石墨接地除氧浓度差腐蚀外还发生了别的腐蚀形式,加速了氧气的还原反应,消耗了一定的氧气含量。

图6 引下线-土壤界面的局部氧浓度Fig.6 Local oxygen concentration at the down wire-soil interface

图7 不同接地材质下土壤氧气浓度Fig.7 Soil oxygen concentration with different grounding material

3.3 引下线氧还原电流密度

电解质电流密度体现了电化学反应的剧烈程度,可表征引下线腐蚀反应的剧烈程度[28-30]。引下线不同位置处的局部氧还原电流密度与引下线局部氧浓度具有一致的分布规律,如图8所示。埋深0.01 m时,该部分土壤层氧气含量高,随着孔隙饱和度增加,氧气浓度降低很小,且湿度增大降低了发生腐蚀反应的阈值,提高了腐蚀速率,故其局部氧还原电流密度增大高。而随着埋深的增大,孔隙饱和度越大,氧浓度减小,引下线氧还原电流密度减小。

图8 引下线-土壤界面的局部氧还原电流密度Fig.8 Local oxygen reduction current density at the downlead-soil interface

相比于与金属接地体连接,当引下线与石墨接地体连接时,引下线的局部氧还原电流密度更大,且埋深越大其局部氧还原电流密度越大。当埋深为0.5 m、孔隙饱和度为0.7时,该区域局部氧还原电流密度为 -6.90×10-4A/m2。说明柔性石墨接地体与引下线构成电偶腐蚀的阴极和阳极,加速了深地层引下线连接柔性石墨接地体部分的腐蚀。

3.4 引下线析氢反应电流密度

当土壤孔隙饱和度低于0.6时,电极电位低于析氢反应的平衡电位,析氢反应非常有限。引下线不同埋深位置处的局部析氢电流密度如图9所示。显然,析氢反应极为微弱,其局部电流密度数量级在10-7。随着孔隙饱和度增加,土壤湿度变大,析氢反应的原料更充足,析氢反应电流密度增大,析氢反应加剧。且随着埋深增大,引下线局部析氢反应电流密度增大。

图9 引下线-土壤界面的局部析氢电流密度Fig.9 Local current density of hydrogen evolution at the downlead-soil interface

3.5 引下线铁氧化电流密度

引下线与金属连接的铁氧化反应产生的局部电流密度如图10所示。低孔隙饱和度下腐蚀电流密度较高,这与低孔隙饱和度下较高的电极电流密度一致。应该注意的是,引下线上铁氧化电流密度约等于氧还原和析氢电流密度之和,表明引下线发生了较为严重的腐蚀。引下线-石墨连接条件下,其局部铁腐蚀电流密度的值比引下线-金属接地体条件下的腐蚀电流密度大。说明简单连接的柔性石墨接地体和埋地引下线构成了电偶腐蚀的阴极和阳极,加速了深地层引下线连接柔性石墨接地体部分的腐蚀。电偶腐蚀的加入加剧了接地引下线的腐蚀情况,使连接处的腐蚀情形比地表引下线的氧浓差腐蚀更加严重。

图10 引下线-土壤界面的铁腐蚀电流密度Fig.10 Iron corrosion current density at downllead-soil interface

4 结论

本研究基于杆塔钢引下线土壤腐蚀机理,建立了杆塔钢引下线与钢、石墨接地体连接时的土壤电化学腐蚀模型,对比分析了钢和石墨两种接地体材质对引下线腐蚀的影响,得到结论如下:

1)采用土壤孔隙饱和度表征土壤湿度,计算结果表明,引下线腐蚀速率先随土壤湿度的增大而增大,当达到一个饱和值后,腐蚀速率反而降低。

2)不同接地体材质下,埋深对引下线的腐蚀影响不同。引下线-钢接地体连接方式下,埋深0.31～0.41 m位置处引下线氧浓差腐蚀比埋深为0.5 m时更严重;而引下线-石墨接地体连接时,引下线的局部氧浓度随埋深的增加而单调减小且下降速度更快,埋深越大氧浓差腐蚀越强烈。

3)当引下线与石墨接地体连接时,引下线的局部氧还原电流密度和铁腐蚀电流密度越大,且埋深越大其局部氧还原电流密度越大,柔性石墨接地体与引下线构成电偶腐蚀的阴极和阳极,加速了深地层引下线连接柔性石墨接地体部分的腐蚀。