變電站接地裝置的腐蝕、危害及防腐措施

中國電力規(guī)劃設計協(xié)會供用電設計技術交流會資料變電站接地裝置的腐蝕、危害及防腐措施鄭州電力設計院2009年11月變電站接地裝置的腐蝕、危害及防腐措施張玉敏鄭州電力設計院 450012摘要：接地裝置在運行中起著非常關鍵的作用，是一次及二次設備的安全命脈，但因接地裝置容易發(fā)生腐蝕，造成接地網局部斷裂、接地線與接地網脫落，從而形成嚴重的接地隱患和構成事故。若能解決好變電站接地裝置腐蝕難題，滿足高、低壓電氣設備長期、安全生產要求 ,保障系統(tǒng)和設備的安全穩(wěn)定運行，則能大大提高電網運行的經濟效益和社會效益。關鍵詞：電力系統(tǒng)；變電站；接地技術；接地裝置；腐蝕；防腐；措施1、前言變電站的接地系統(tǒng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保證運行人員和電氣設備安全的根本保障和重要措施。近年來，隨著電力系統(tǒng)容量的迅速擴大，入地短路電流的大幅升高、先進監(jiān)控設備抗干擾能力的減弱，我們更應該密切關注接地技術，接地技術也漸漸發(fā)展成為一門與電氣工程、電氣安全、電磁場理論、數(shù)值計算方法、地質勘探及測量技術等科學相關的交叉學科。變電站的接地裝置則在運行中起著非常關鍵的作用，是一次及二次設備的安全命脈，但因接地裝置容易發(fā)生腐蝕，造成接地網局部斷裂、接地線與接地網脫落，從而形成嚴重的接地隱患和構成事故。目前，為了減少故障幾率，均對變電站腐蝕情況采取了一系列的應對措施，若能解決好變電站接地裝置腐蝕難題，滿足高、低壓電氣設備長期、安全生產要求，保障系統(tǒng)和設備的安全穩(wěn)定運行，則能大大提高電網運行的經濟效益和社會效益。2、腐蝕我們仔細觀察任何一種金屬侵入電解液中都會發(fā)生如下現(xiàn)象：金屬晶格中的陽離子進入溶液中，留下負電荷，另一方面，溶解液中的陽離子也沉積到金屬上，使金屬的正電荷趨于過剩，總之，把金屬侵入電解質溶液中，在金屬和溶液中就會發(fā)生上述兩種相反的作用。當金屬在電解液中，陽離子的溶液和沉析達到平衡后，都會形成一個穩(wěn)定的電極電位，其大小取決于金屬和電解液的特性、溫度和濃度等因素，因此，不同金屬在同一電解質溶液中的電極電位也不會相同，這就是金屬的腐蝕及耐腐蝕性不同的原因，也表明不同的腐蝕介質、溫度和濃度對金屬的腐蝕速度均有影響。我們常見的金屬自然電位序列表為：金 >不銹鋼>銅>標準氫電極>錫>鉛>鋼、鑄鐵>硬鋁合金>鋁>鋅，我們可以知道金屬是否容易受到腐蝕，即在自然電位序列中將不同位置的兩種金屬組合到一起時，將使賤金屬成為陽極，貴金屬成為陰極的電池，陽極將受到腐蝕。如在鋼制水槽旁附近若有銅棒或銅線的電極，則鋼水槽首先受到腐蝕。腐蝕可以從三方面定義：i、由于材料與環(huán)境反應而引起的材料破壞和變質；ii、除了單純機械破壞以外的材料的一切破壞；、冶金的逆過程總之腐蝕是由于物質和環(huán)境反應而引起的損耗。金屬的腐蝕是金屬表面與周圍介質發(fā)生化學和電化學反應引起的破壞現(xiàn)象。腐蝕過程是化學的、電化學的和物理的?；瘜W腐蝕是指金屬表面與周圍介質發(fā)生化學反應而引起的腐蝕現(xiàn)象，其特點是腐蝕的過程中無電流產生；物理腐蝕是指單純的物理溶解作用引起的破壞，如金屬在高溫溶鹽、溶堿、液態(tài)金屬相接觸時就會出現(xiàn)這種腐蝕；電化學腐蝕時指金屬表面與周圍介質發(fā)生電化學反應而引起的腐蝕現(xiàn)象，其特點是腐蝕過程中有電流產生，金屬在潮濕氣體、海水、土壤及電解液溶液中的腐蝕過程絕大多數(shù)屬于電化學腐蝕。3、接地裝置的腐蝕環(huán)境接地裝置的腐蝕環(huán)境主要分大氣腐蝕和土壤腐蝕兩種，在變電站中常見的這兩種腐蝕是接地引下線和電纜溝內的均壓帶、各種垂直和水平接地體的腐蝕。腐蝕的程度主要取決于用于保護構筑物和連接線埋在或浸沒在腐蝕性環(huán)境中時會受到腐蝕的影響。土壤中的含水量、電阻率、通氣性和松緊度、土壤的 PH值及土壤含鹽量都對腐蝕有著直接的影響。4、接地網腐蝕調查及相關危害對一些變電站進行了開挖調查，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的腐蝕，有的接地網的扁鋼已被腐蝕掉80%且有多處斷裂。造成相關一次設備燒壞、二次設備被串入高壓，嚴重威脅著設備和運行人員的安全。鄭州電力公司按照省公司《關于開展電力工程接地網接地裝置普查的通知》（豫電〔2002〕402號）的要求，開展了認真細致的工作,對主設備接地檢查的結果是：所轄110KV變電站主設備接地存在的問題主要是常莊、孝義、馬莊、衛(wèi)星變電站的熱穩(wěn)定校核不符合要求，地網腐蝕嚴重，部分儲油設備、主變中性點為單點接地，不滿足兩點接地的要求，龍門架是通過爬梯接地的，不符合要求。對地網開挖檢查36個變電站,除個別的腐蝕較嚴重其余的目前情況良好，符合要求。其中對 220kV金岱變電站進行的調查結果為：i、敷設在電纜溝和經過電纜溝的接地線有一定腐蝕，原有40mm×4mm扁鋼已不符合目前電力系統(tǒng)新提供的短路電流的要求，需更換為80mm×8mm熱鍍鋅扁鋼。ii、運行的主接地網有一定腐蝕。主接地網原有 500mm2扁鋼也已不符合目前電力系統(tǒng)新提供的短路電流的要求，需更換為800mm2鍍鋅扁鋼。、運行的避雷針地網有一定腐蝕?？偨Y：腐蝕的原因是電纜溝內經常積水，比較潮濕，潮氣在接地扁鋼表面形成許多小水珠或一層水膜，氧氣在水珠或水膜內的濃度不均勻，在水珠邊緣和中心間形成氧濃差腐蝕電池，邊緣部分為陰極，中心部分為陽極。對110kV上街變電站進行的調查結果為：主要設備接地引下線與地網導通情況的測試采用直流雙臂電橋測量。測量接線見圖1：測量結果：地網.避雷針測試表：測試地點接地電阻測試地點接地電阻避雷針0.3站用變（1#）0.14上2#主變0.2II窩上0.1310KV高壓室0.13測量儀表電壓線電流線地網及接地引下線圖1接地引下線導通情況測試表：測試地點參考地點直流電阻上1#主變上2#主變54上1#主變37上1#主變281#站用變上1#站用變2810KV高壓室柜9999整111匯控柜II窩上220濾波117整11221I窩上215上110KV東母南PT.上110KV西母18PT19整113上11315測試地點參考地點直流電阻整11414上東11016上北110東母北PT17III窩上218上11218上11118索上221對110kV永安變電站進行的調查結果為：地網.避雷針測試表：測試地點接地電阻測試地點接地電阻永110西旁0.3永1#避雷針0.4永11表西0.25永2#避雷針0.31#主變母線橋0.28永3#避雷針0.5永4#避雷針0.5接地引下線導通情況測試表：測試地點參考地點直流電阻II常永2用110西旁刀閘64II常永2CT56II常永2甲56II常永2旁78II常永2A相抽壓PT88永110CT44永110 33I常永2OC91測試地點參考地點直流電阻I常永2旁62I常永2甲45I常永CT54I常永開關80永通1開關72永通1CT52永通1甲刀59永通1旁刀54永通1A相抽壓PT7335KV高壓室東南龍門架10210KV高壓室1#主變母線橋98永112甲永11表西62永112CT84永112開關54永112東刀63II常永2東刀60永110東52永110聯(lián)東49永110聯(lián)西41永110西54永110KV西母PT36永110KV避雷器502#主變78永112中地841#主變90永111中地102永111甲71永111CT56永111開關56永111西56I常永2西70永通1西57由上述結果可知，接地引下線及地網均存在一定的腐蝕。接地網損壞造成的危害有：變電站接地網是防雷接地、保護接地、工作接地三者的統(tǒng)一；如果接地網損壞，雷電流就不能引入大地，雷電過電壓對變電站設施及運行人員將造成危害；設備絕緣損害，危及人身安全，不能滿足系統(tǒng)運行方式的需要，不能保證電氣設備和二次系統(tǒng)在正常和事故狀態(tài)下可靠工作。5、腐蝕原因及相關建議總結造成腐蝕的原因有如下幾個方面：i、接地網設計中沒有充分重視按腐蝕條件合理選擇導體的材料及截面積，譬如在腐蝕性較強的地區(qū)或重要變電站對接地裝置使用功能和壽命要求較高的地區(qū)，應首先考慮選用銅材料。優(yōu)先采用圓棒性金屬（銅或鋼）作水平主接地極及接地引下線盡量避免使用扁鋼。對于選擇接地線的截面如按公式 Sg≥Ig√te/C,其中te取主保護動作時間tm、斷路器失靈動作保護時間tf和斷路器開斷時間t0的算術和，如按te=0.5S選擇接地截面則會偏小，應按te=2S選取較合適。ii、對接地引線和接地網導體沒有采取必要的防腐措施，這樣隨著時間的推移，導體的有效截面不斷減小，以致不能滿足熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的要求，當工頻接地短路電流或雷電流流經接地網時，可能因發(fā)熱或電動力導致接地體和接地引線斷裂，引起設備事故，造成巨大經濟損失?？梢愿淖冸娎|溝的接地線的傳統(tǒng)布置方式，可將電纜溝的接地線嵌于電纜溝混凝土兩壁中，以降低防腐速度。、施工方面的各種原因，如焊接有問題，還有不能保證接地體回填土的質量等。6、防腐措施接地體在土壤中的腐蝕主要原因是由于導體表面的物理化學的不均勻性，或是因為與不同材料的導體相鄰近或相接觸，和土壤中的電解質溶液構成原電池而引起的。所以我們應該想辦法消除形成腐蝕原電池的各種條件或盡量減緩極化反應速度?，F(xiàn)將目前常用的幾種防腐措施進行分析。i、正確選擇導體材料對接地體材料的選擇應進行技術經濟的全面分析比較。 目前普遍采用的接地網導體是銅和鋼兩種。銅的抗腐蝕能力強，但與接地網連接或相鄰的設備外殼、構架基礎、電纜皮、水油氣管道都是由鋼鐵或鉛做成的，它們會與銅構成原電池，加速腐蝕?？紤]到未鍍鋅的鋼鐵在土壤中的腐蝕速率為銅的 4~5倍，而鍍鋅鋼的腐蝕速率一般為銅的1~2倍，我們目前采用的是鍍鋅鋼為接地網導體材料。但從長期運行的技術經濟分析來說，采用銅接地體材料比鋼接地體材料好。ii、合理設計設計中，在測量土壤電阻率的同時，測量該土壤對銅、鋼、鍍鋅鋼的腐蝕速率，并預期使用年限，考慮余度，考慮遠期電網發(fā)展，計算按腐蝕要求所選導體截面與按熱穩(wěn)定要求所選導體截面相比較，取大者。、采用陰極保護法在變電站中埋入電位更負的活潑金屬與被保護金屬偶接， 從而減緩或阻止腐蝕的作用。根據提供保護電流方式的不同，陰極保護法又可分為犧牲陽極和外加電流兩種。iv、合理施工如為防止電偶腐蝕，縫隙腐蝕，應采用焊接，避免使用螺栓連接和壓接。焊接工藝中首推放熱焊。接地引下線由一般的防腐漆改為環(huán)氧瀝青，也可考慮采用外包混凝土塊的預制件作為接地引下線。另外還有保證接地體回填土的質量等。v、外層保護法在導體表面用覆蓋層是防止腐蝕最普遍的方法，覆蓋層的作用在于使導體與外界隔離，以阻礙金屬表面的微電池作用，覆蓋分兩類：金屬覆蓋層和非金屬覆蓋；金屬覆蓋層如電鍍銅鋼導體，非金屬覆蓋層如油漆、瀝青、塑料等。電力系統(tǒng)中，土壤中普遍采用焦油瀝青覆蓋層，主要用于地下管道和地下引線的防腐。采用金屬覆蓋層時，應注意覆蓋層的完整性。vi、采用緩蝕劑緩蝕劑可以分為有機和無機兩類。緩蝕劑的作用是阻礙陽極反應或陰極反應或同時阻礙兩種反應， 其作用實質是陰極或陽極過程變緩慢。vii、改變土壤環(huán)境加強排水降低水位；埋設接地裝置時回填腐蝕性小的土壤；往酸性土壤中接地裝置的周圍填充石灰石塊。viii、 加強運行中的監(jiān)測按接地規(guī)程要求定期檢測接地網的接地電阻，記錄時間、溫度和濕度，如接地電阻明顯升高，應首先考慮網外的降阻劑是否失效，外引線是否腐蝕斷裂，必要時開挖檢查。ix、接地網采用二重防腐措施施工前，把鍍鋅扁鋼（或圓鋼）外再涂上一層導電防腐涂料，待涂完全干燥后埋入土壤中，可提高使用壽命，這就是大型接地網的二重防腐措施。7、結論總之，隨著現(xiàn)代大電網向超高壓、大容量和遠距離方向的發(fā)展，對于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定及經濟運行的要求越來越高，為了確保電網的安全穩(wěn)定運