接地系统腐蚀

接地系统腐蚀（共7篇）

接地系统腐蚀 篇1

0 引言

接地网实际运行状态是地网性能诊断与评估的基础与核心。由于我国的接地网主要采用扁钢材料,长期运行容易发生腐蚀,而且近年来因接地网腐蚀严重而需改造的变电站越来越多,使得变电站接地网评估和改造的指导技术——接地网腐蚀缺陷诊断与性能评估技术的重要性凸现出来。

为了解决这个问题,从2000年开始,国内高校在这方面做了较多的理论研究,力图通过检测手段实现接地网扁铁运行状态诊断。文献[1]和[2]采用电磁场方法、文献[3,4,5,6,7,8,9,10]采用电路原理结合几种常见优化计算方法来解决接地网测试和支路导体腐蚀故障诊断问题。其中,文献[7,8,9,10]是本课题在研发过程中的研究成果。

本文根据课题研发中各种优化算法的研究成果结合现场实测,考虑了检测中的各个关键环节,得出了适合于现场检测和诊断的优化算法及整套系统。

1 诊断优化算法

1.1 接地网腐蚀缺陷诊断模型

接地网由金属导体焊接而成,在工频或直流电流的作用下,可以忽略其电感和电容的影响,等效为纯电阻线性网络,因而可以将接地网腐蚀缺陷诊断这一工程物理问题转化为电网络的参数辨识问题进行分析和研究。

将可以量测的接地引下线节点定义为可及节点,考虑到节点到电源间的引线电阻可能造成的影响,一般选择电流源作为激励源,图1为接地网腐蚀缺陷诊断测量示意图。接地网腐蚀诊断的基本方法就是通过接地网在一些直流电流激励条件下的可及节点之间的电压测量值,根据接地网的拓扑结构应用适当的计算方法,求出接地网各条导体的实际电阻值。研究结果表明,支路电阻的增大可以反映其被腐蚀情况,因此可以根据实际值与设计值的比值大小来判断导体腐蚀或断裂情况,即诊断出了接地网各条支路的实际电阻值,也就得到了反映接地网腐蚀情况的诊断结果。

根据电路理论,电路元件参数的变化会引起电路响应参数的变化,当元件参数的变化量很小的时候,可以把电路响应参数的变化量近似表示成元件参数的变化量及响应参数对各个元件参数灵敏度的线性关系。

腐蚀接地网中,各条支路的电阻为R'i(i=1,2,…,b),测量端口电压的测量值为V'mn,对应的没有被腐蚀的原始接地网的电阻为Ri,仿真计算得到的测量电压为Vmn。那么腐蚀前后测量电压的变化量为ΔVmn=V'mn-Vmn,V'mn对各条支路电阻的灵敏度为,电压变化量ΔVmn和电阻变化量ΔRi=R'i-Ri之间可以表示成如下的形式:

按照同样的方法,在一次激励时,测量多个端口的电压,并多次更换激励端口的位置。例如更换L次激励,第j次激励的测量端口为m1n1,m2n2,…,mαjnαj,如此可以得到线性的诊断模型:

当测量数据足够多时,方程组(2)是一个超定的线性方程组,写成矩阵形式为:

ΔR是方程组(3)的最小二乘解:min‖SΔR-ΔV‖2,解的表达式如下:

然而当接地网结构中存在不可测支路(模糊支路)时,灵敏度矩阵S列向量线性相关,那么最小二乘解式(4)中方阵STS奇异,逆(STS)-1不存在,此时求解式(3)是比较困难的。

1.2 可测性分析

图2为一个变电站接地网的拓扑结构图,图2(a)中黑色实心圆点为可及节点,空心的为不可及节点。由于无法在不可及节点上施加电源激励或者测量其电压,所以造成网络中可能存在不可测支路。对于不可测支路,无论何种诊断算法都无法得到确切的结果。一般来说,在求解参数辨识问题之前,必须进行可测性分析,找出不可测支路和模糊组。在每一个模糊组中选取一个元件作为基变量,剩下所有非基变量对应的灵敏度矩阵是满秩的,这样就可以利用式(4)进行计算。

本文在文献[11]的基础上进行了改进,采用灵敏度矩阵列向量的相关性分析方法,实现了一定测量方案下的测量可测性分析。对由一定测量方案下得到的灵敏度矩阵S进行Gauss-Jordan消去,转换为行最简阶梯型矩阵形式,然后得到S的有理型零空间Z,即S的有理型基础解系Z:

这样Z的列数就是模糊组数,Z每一列对应一个模糊组,非零元对应的支路电阻即为该模糊组中的不可测支路。在测量方案完备时,对图2(a)进行可测性分析,得到图2(b)的结果,其中每一个虚线框内的支路构成一个模糊组,用粗线电阻表示,可以看出这个网络结构中存在3个模糊组,16条不可测支路。采用分层约简的网络拓扑分析方法也可以得到同样的结论。

1.3 不可测支路参考解的增广线性模型

对于不可测支路,本文根据接地网导体的腐蚀特性,在1.1节线性模型基础上提出了增广线性模型,给出符合腐蚀情况的参考解,这对于实际诊断工作具有指导意义。

土壤电阻率、pH值、含水量和含盐量是导致接地网导体腐蚀的主要因素[12]。埋在土壤中的接地网导体,其表面的不同部位因接触土壤介质的理化性质的不同而形成了不同的电极电位,通过土壤介质构成回路,形成腐蚀电池。所以接地导体的腐蚀主要表现为局部腐蚀。土壤性质相近的区域,接地导体的腐蚀程度也相近。从变电站以往实际开挖的情况看,腐蚀状况也非常符合这个结论。

按照这个结论,我们可以得知连接在同一个节点上的几条支路应该具有相近的腐蚀程度,即电阻增大的倍数相近。对于节点k,连接有bk条支路,其中不可测支路有bka(bka>0)条,那么反映这些支路电阻增大倍数相近程度的指标——标准差为:

我们希望该节点k的标准差sk尽量小,为了方便计算,保持与式(3)相同的形式,把式(6)转化为线性方程组的最小二乘模型:

式(7)是由bka个线性方程组成的方程组,第i个方程反映了Rki腐蚀倍数与平均腐蚀倍数的差:

这个方程中ΔRki的系数可以看作是ski对Rki的灵敏度:

其他支路ΔRkj(j=1,2…bka|j≠i)的系数同样可以看作是Ski对Rkj(j≠i)的灵敏度:

按照同样的方法,对所有连接有不可测支路的节点均列出与式(7)类似的方程组,共同组成反映腐蚀特性的线性方程组:

式(11)和式(3)共同构成了考虑腐蚀特性的增广线性模型:

1.4 接地网参数评估算法步骤

接地网腐蚀缺陷诊断模型方程组(3)SΔR=ΔV中,灵敏度矩阵S的初次形成是由原始设计标称值求出的。但是当ΔR较大时,ΔR和ΔV不再是线性关系,所以第一次利用最小二乘方法求解得到的ΔR仅仅是一个近似解。为了求出R的真实故障值,必须进行迭代计算,整个算法流程如下:

(1)按照测量方案对接地网进行测量,得到测量数据。

(2)采用1.2节介绍的方法,对接地网进行可测性分析,找出不可测支路和模糊组。

(3)迭代开始时,令(i=1,2,…,b),计算在各个激励作用下,各个测量端口的电压对各条支路电阻的灵敏度,建立灵敏度矩阵S。通过电路仿真计算可以得到网络在非故障状态时各个测量端口的电压,与故障状态时的测量电压的变化量为ΔVmn=V'mn-Vmn,由此可以得到电压变化量ΔV。

(4)使用线性最小二乘优化方法解超定方程组,得。若,转(5),否则,令,利用更新过的重新计算,并对灵敏度矩阵S及电压变化量ΔV进行更新,转(4)。

(5)故障网各条支路电阻值为,所有可测支路均被诊断完成。

(6)把所有可测支路作为已知量,所有不可测支路为未知量,采用1.3节提出的增广线性模型式(12),重新应用类似于步骤(4)的迭代计算,得到不可测支路最符合腐蚀特性的参考解。

(7)综合整个接地网支路的腐蚀状态,仿真计算跨步电压、接触电势和地网电位分布,对接地网进行评估。

其中,步骤(4)迭代公式中的λ<1为步长因子,λ越大迭代速度越快,稳定性越差,容易使迭代发散,但是过小的λ使迭代速度慢,诊断时间长。本文采用文献[13]介绍的基于沃尔夫(Wolfe)准则的不精确线性搜索策略,计算每步迭代中的步长因子λ,同时兼顾稳定性和收敛速度。

2 接地网缺陷诊断关键技术

2.1 接地网结构的图形输入技术

在进行接地网腐蚀缺陷诊断之前,要先将网络拓扑结构输入到电脑中,有数值输入和图形输入两种方式。数值输入可以采用电路中的关联矩阵输入方式,也可以采用指定支路首末节点输入方式,这类方式便于进行诊断计算,但是很不直观。

2.2 测试方案优化选取

在诊断算法模型中,测量方案决定了方程组的表达形式,而且会影响灵敏度矩阵的性态,灵敏度矩阵的条件数越大,线性超定诊断方程组解的稳定性就越差;由1.2节的可测性分析方法可知,支路的可测性取决于测量方案是否完备,完备的测量方案,应该能够充分利用所有能够得到的信息,使得在理想状况下所有的可测支路都能够被正确诊断;为了现场测量方便,一般情况下我们希望电流源激励的端口尽可能少移动,因为换线是整个测量过程中最费时间、最麻烦的工作,而且在线很长的情况下,频繁换线容易使激励线和测量线缠绕在一起,给现场测量工作带来很大的麻烦。

所以测量方案的选择非常重要,要综合考虑灵敏度矩阵的条件数、测量方案的完备性和现场测量的工作量。对于小型变电站,由于接线距离不会太远,所以主要考虑灵敏度因素的影响;对于大型变电站,本文采用分区测量方法,一般将变电站按不同的电压等级进行分区,把每一个分区看作一个独立的小型变电站进行测量。

2.3 大型接地网的分区诊断算法

对于一个支路较多,节点较多的大型接地网,如果仍然采用全参数辨识的方法,则因为方程数多,可能导致运算时间达到无法接受的地步,诊断的时间随着接地网规模的增大呈现非线性增长,因此有必要采取有效措施降低诊断未知量的规模。

为了降低诊断模型的规模,引入网络撕裂的思想,将大型变电站按照电压等级区域进行划分,撕裂成几个较小的子网络,如图3所示。我们将一个较大规模的子网分成以下两类子网络和自由支路的集合。

(1) A类子网:保持原来网络结构、参数均不变。

(2) B类子网:将原网络等效为一个新的简单的网络,该子网络节点除与其他子网相连的外节点外,内部节点全部消去,将全部支路等效为外节点两两节点之间的支路。

(3)自由支路:两个端点全部是撕裂节点的支路。

将较大规模的子网划分成几个子网络和几条自由支路的集合,对新的网络进行全参数故障诊断,由于B类网络消去了内部所有的节点,支路也全部等效为外节点两两节点之间的支路,大大减少了节点数目和支路数目。

在子网络等效算法中,设需要等效的子网的节点导纳矩阵为Y,节点电压向量为V,节点电流注入向量为I,则该子网络节点电压方程为:YV=I。由于被等效子网内部不含电流源,所有电流注入均为通过外节点由其他子网络注入。在此情况下,我们对子网的节点编号重排,将n个外节点排在前面,它们的电流注入向量为I1,对应的电压向量为V1,则节点电压方程可以表示为:

从而有:

因此,该子网的等效网络的节点不定导纳矩阵为:

在实际诊断中,工作人员只需指定撕裂节点,诊断软件系统将实现自动撕裂和子网络等效算法。

2.4 缺陷诊断系统的数据采集问题

为了提高测量效率,本系统采用单次直流大电流激励,同时自动采集8路电压信号作为测试信号。为了提高测试精度,本系统采用短时电压信号循环测试的方法,如果某电压信号多次测试数据的二范数比较小,而且电压信号有一定的幅值,则用其平均值作为该次激励下的一个电压测试数据,否则系统将报警,指出该次激励下的某电压信号可能存在粗大误差现象,便于进行线路检查。

当然,为了取得足够高的电压信号,可以使用两个以上的电源同时进行激励,称之为叠加激励,叠加激励的激励位置可以在提高测试信号强度的前提下任意设置。叠加激励会显著提高地网电压信号的强度,从而提高了接地网支路的诊断结果。

另外,为了减小测量的系统误差和观测误差,每次测量均采用不同电流的正、负电源交替激励,然后对测量电压进行线性拟合,可以大大提高测量精度。

3 现场检测诊断系统及实现

根据接地网腐蚀缺陷诊断评估的基本思想,实用的诊断系统由两部分构成:数据测量硬件装置和诊断评估软件,如图4所示。

3.1 硬件部分

硬件部分包括电源装置、滤波装置、自动采集装置、后台PC机,其中电源装置、滤波装置和自动采集装置统称为地网缺陷测试仪。

(1)电源装置:将220 V工频交流电源手动可转换为-100 A～+100 A的直流信号,电源功率为1 000 W。

(2)滤波装置:对电源装置出来的直流信号进行LC滤波。

(3)自动采集装置:在直流激励加载时,自动循环采集现场接地网的8路电压信号和激励电流信号,然后进行直线拟和后将拟和信号通过传口线传输给上位机软件系统。

(4)后台PC机:运行后台管理和分析软件

3.2 软件部分

软件部分包括采集装置的运行软件和上位机输入、分析、管理软件。

(1)自动数据采集装置运行软件:单片机汇编系统软件实时循环采集电压信号和大电流电流信号,保证了测试数据的精确性。当数据采集时,实时将采集得到的数据与上次采集数据进行比较、计算、拟和处理,待数据稳定后将拟和数据传送给上位机软件系统。

(2)上位机输入、分析、管理软件:上位机输入是指开发出专用CAD软件进行接地网的图形输入。上位机还通过MATLAB分析算法软件完成测试方案的生成、可测性分析,以及测试数据的输出、接地网支路诊断评估等任务。

4 结语

本文提出的接地网缺陷诊断评估系统,使用CAD输入方法进行初始接地网图形的录入,具有简单、快捷的特点。基于测试可测性,网络拓扑分析的接地网腐蚀故障诊断评估方法科学性强,适用于进行各种电压等级下的变电站接地网状态评估。

摘要：介绍一种自主研发的实用接地网腐蚀缺陷诊断评估系统,其硬件采集分析系统实现了自动采集、粗大误差报警及8路测试信号半双工传输等功能;软件诊断与评估系统的核心为诊断评估算法,实现了地网图形输入、可测性分析、测试方案优化选择、撕裂分块诊断和地网参数评估等功能。

关键词：接地网,缺陷诊断,优化方法,撕裂分块,地网评估

电力系统接地网的腐蚀现状及对策 篇2

接地网是保证变电站及电力系统安全工作的关键装置,具有均压和泄流的重要作用。然而,土壤成分复杂及存在杂散电流等原因使得碳钢接地网腐蚀严重,影响到变电站甚至电力系统的稳定运行。以往对于接地网腐蚀的研究大多集中在腐蚀发生原因的调查与分析,而对于预防接地网腐蚀方法的总结还不够深入。本工作在对接地网腐蚀现状进行分析的基础上,对接地网腐蚀与防护领域的最新研究进展予以整理和总结,同时对该领域未来的研究工作提出展望。

1 接地网的腐蚀现状

DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》规定,一般条件下接地网可使用碳钢,在腐蚀严重地区宜使用热镀锌钢。碳钢的腐蚀程度与土壤的电阻率、含盐量、含水率和pH值等因素直接相关。碳钢在土壤中会发生化学和电化学腐蚀;特别是有杂散电流存在时,腐蚀会集中发生在接地网某一部位使其在短时间内发生减薄和断裂。即便是镀锌钢,因为锌层厚度有限,在土壤中的腐蚀状况也与普通碳钢相似。在一些土壤腐蚀性较强的地区,碳钢或镀锌钢的接地网3～5年内就会严重腐蚀,甚至断裂,极大地影响接地网的完整性和导电性[1]。此外,不同电压等级、不同土壤环境的变电站接地网普遍存在腐蚀状况[2,3]:广东省130座变电站中,有60余座存在接地网的腐蚀问题,其中东墩110 kV变电站的接地网多处腐蚀断裂,平富岗变电站接地网中9mm直径的圆钢被腐蚀成细条;陕西省7座变电站中有6座的接地体发生多处腐蚀断裂,接地体的平均腐蚀速率为6.87 mm/a,最大腐蚀速率达到了12 mm/a;湖北电网在2006年对20座220 kV变电站的接地网开挖检查,发现其均存在不同程度的腐蚀,具体表现为接地体减薄和腐蚀断裂。

2 接地网的防腐蚀方法

2.1 使用耐蚀接地材料

使用铜、不锈钢和人造石墨等耐蚀接地材料可以较好地防止接地网腐蚀;但是铜与不锈钢价格昂贵,人造石墨脆且易碎。因而这些材料并没有在我国大规模应用。近年来铜覆钢材料开始逐步应用于接地网。碳钢表面包覆一层金属铜,既具有较好的耐蚀性,又相较于纯铜节约成本。目前,铜覆钢材料分为镀铜钢、连铸铜包钢、铜包钢等[4]。表层铜厚度是评价铜覆钢材料耐蚀性优劣的重要参数。依据电力标准,满足接地网防腐蚀的铜覆钢表层铜厚度下限为0.25 mm[5]。镀铜钢表层铜厚度能达到0.25 mm左右,连铸铜包钢表层铜厚度则可达到1.00 mm[6]。铜层与钢结合的紧密程度也对其耐蚀性有影响:镀铜钢与连铸铜包钢均实现了金属材料间分子级的渗透,结合紧密程度较好;铜包钢两者结合不牢固,有时甚至会脱落。因此,连铸铜包钢和镀铜钢性能优良,是最理想的耐蚀接地材料。

虽然铜覆钢耐蚀性好,但是焊接时可能发生虚焊、漏焊或者施工时造成铜层破损,使其发生电偶腐蚀。因此,合理设计、规范施工才会最大程度地发挥耐蚀接地材料的效能。

2.2 实施阴极保护

阴极保护法在地下金属结构防腐蚀工程中有着广泛应用,在新旧接地网上均可使用,但要结合接地网面积及变电站的工况条件合理选择实施方案以确保防腐蚀效果。

(1)牺牲阳极阴极保护接地网防腐蚀一般选用驱动电压高、溶解均匀的镁或镁合金为牺牲阳极。镁阳极在酸性土壤中对碳钢接地网的保护度可达98%～99%[7],在不均匀土壤中对接地网的保护度也能达到91.83%[8]。虽然镁阳极防腐蚀效果明显;但其电流效率低,单块阳极保护范围有限,如果将其用于面积较大的接地网阴极保护需要大量的阳极来确保防腐蚀效果,且镁阳极的自腐蚀速率快,需要经常更换。将Mn,Ca,Y等元素与镁掺杂,制成的电流效率高、自腐蚀速率低的新型镁合金阳极更适合在土壤中使用[9,10,11]。

此外,变电站的工况条件也会影响防腐蚀保护效果。电压等级大于110 kV的变电站一般采用中性点接地,当电网系统负载不平衡时会持续有几安培至几十安培的交流电流过接地网[12]。交流电流密度达到3.0mA/cm2时会使镁阳极电流效率下降80%,且镁阳极工作电位会随着交流电干扰的增强而明显正移,如果交流电干扰严重,镁阳极和碳钢接地网之间会发生“极性逆转”现象,使得接地网加速腐蚀[13]。

综上所述,为了降低施工成本,避免交流杂散电流对保护效果的影响,牺牲阳极法仅适用于面积较小、电压等级小于110 kV、交流电干扰较弱的变电站接地网的腐蚀防护。

(2)外加电流阴极保护系统由直流电源、参比电极、辅助阳极等几部分组成,具有保护电压可调、使用环境适应性强、一次性施工不需维护的优点,更适合于面积较大、土壤成分复杂的接地网。外加电流腐蚀防护的关键问题是使保护电流分布均匀。传统的阴极保护设计,辅助阳极布置点的选取依赖于经验,无标准和规程,如果阳极布置点选取不当极易引发“过保护”或“欠保护”现象[14]。而利用数值模拟可以直观表现出辅助阳极在不同位置时保护电流的变化,且能够优化阴极保护电流的分布,为阴极保护工程设计提供强有力的支撑[15,16,17]。此外,交流电对保护电位的干扰也会影响阴极保护效果:一般的准则认为金属的电位达到-850 mV(vs CSE)时腐蚀即可得到抑制,但是在交流电干扰下仍会发生腐蚀[18];地中杂散电流会影响参比电极反馈电位的准确性,导致恒电位仪的输出电压偏离设计值。

综上所述,优化保护电流的分布,探究合适的保护电位是保证变电站接地网外加电流阴极保护效果的重要工作。

2.3 涂覆导电涂料

在接地网表面涂覆导电涂料既可以隔离土壤中的电解质、溶解氧、水分等腐蚀介质又不会影响接地网的导电性。导电涂料分为掺杂型与结构型[19],两者都是以导电填料作为电子传递的媒介从而实现涂料的导电效能。掺杂型导电涂料一般用银、铜等金属粉末作为导电填料,虽然导电性好,但价格昂贵,易氧化,限制了其使用[20,21]。结构型导电涂料以改性后的导电高分子聚合物为导电填料,而聚苯胺、聚吡咯等导电高分子聚合物价格便宜、合成简单,因此结构型导电涂料具有广阔的发展前景[22]。

接地网导电涂料防腐蚀设计简单、施工方便,但实际使用时仍有一些需要特别注意的问题。首先,要确保涂层均匀、避免破损,否则杂散电流会使裸露处的金属加速腐蚀。另外,导电涂料并不能有效抑制接地网已经发生的腐蚀,因而对于运行时间较长的接地网不具有保护效果。为了避免上述问题的出现,在使用导电涂料防腐蚀时要在接地网建设初期合理设计、精心施工,同时加强对保护效果的监督,只有这样才能最大程度地发挥导电涂料的防腐蚀效能。

3 总结与展望

为了进一步提高接地网腐蚀防护效果,未来还需在以下几个方面作进一步研究:

(1)提高耐蚀材料在接地网建设中的比例。与碳钢接地网相比,耐蚀材料接地网无论是在使用寿命还是在接地性能上都具有显著优势,但是目前在国内只是处于小范围试验使用阶段。推广耐蚀接地材料的应用,可从源头上遏制腐蚀的发生。

(2)研究交流杂散电流对变电站接地网腐蚀与防护的影响。交流杂散电流的存在会影响阴极保护的效果,并会加速金属材料的腐蚀,应系统地研究其对接地材料腐蚀性及对接地网阴极保护效果的影响。

接地系统腐蚀 篇3

一、接地系统的常见腐蚀现象

发电厂及变电站接地系统的腐蚀已经成为接地系统故障的主要元凶, 如按腐蚀程度排序, 最严重的是电缆沟中接地带腐蚀, 其次是接地引下线腐蚀, 还有就是主接地网的腐蚀。腐蚀时间一般是在投运后5～20年, 严重的投运后第3年即腐蚀。

(一) 电缆沟内接地带腐蚀。

电缆沟内接地带腐蚀主要是电化学腐蚀, 由于电缆沟内比较潮湿, 潮气在接地扁钢表面形成许多小水珠或一层水膜, 氧气在水珠或水膜中的浓度不均匀, 在水珠的边缘和中心间就形成了氧浓差腐蚀电池, 边缘部分为阴极, 中心部分为阳极, 造成了接地扁钢的腐蚀。引起电缆沟接地体电化学腐蚀的必备条件是接地体表面有水珠或水膜, 发生电化学腐蚀的湿度为65%以上, 且相对湿度越高, 腐蚀速度越快。如相对湿度从90%增加到100%时, 锈蚀量将增大20倍左右, 如果相对湿度小于65%, 则对接地体几乎没有危害。变电站因雨水等方面的原因经常造成电缆沟内积水, 且由于沟内水蒸气不易扩散, 使得电缆沟内潮气较大, 从而为接地扁钢发生腐蚀创造了条件。

(二) 接地引下线腐蚀。

对全国各省接地网的检查结果表明, 接地引下线的腐蚀相当严重, 接地引下线腐蚀部位主要在:

1.接地引下线入地处, 即空气与土壤交界处的土壤中部分。其主要原因是由于土壤的含氧量低于空气中的含氧量, 使接地引下线的土壤中部分与地面上部分形成氧浓差电池, 含氧量高的地面上部分为阴极, 含氧量低的土壤中部分为阳极, 于是地面上部分腐蚀很小而土壤中部分腐蚀严重;

2.两种土壤的交界处。其主要原因是当接地体通过不同成分的土壤时, 会形成腐蚀电偶;

3.接地引下线在地中拐向主接地网的拐弯处或拐弯以后的一段距离处。其主要原因有两点:一是垂直段与拐弯段之间存在氧浓差;二是应力也是造成接地引下线拐弯处腐蚀的原因。

(三) 主接地网腐蚀。

主接地网的腐蚀主要是局部腐蚀, 但也有整个主地网腐蚀, 以致更换主地网的实例。主接地网的腐蚀与土质、埋深和土壤的性质 (如土壤的透气性、电阻率、酸度、含水量、含盐量和氧化还原电位等) 有很大的关系。主接地网的腐蚀总的来说没有电缆沟内接地带和接地引下线严重, 但由于主接地网面积较大不容易全面检查, 所以主接地网的腐蚀是不容忽视的。

二、接地系统的防腐措施

我国通常使用钢材作为接地材料, 若不采取防腐蚀措施, 将导致接地体严重腐蚀。运行部门在接地网整改过程中, 采取了许多防腐蚀措施, 耗费了大量人力财力。实际上, 要解决接地网的腐蚀问题, 从根本上说应从设计和施工源头入手, 在设计和施工阶段就考虑地网寿命、合理选取导体截面、选择合适的接地材料和保证施工工艺等, 使交付运行的接地网能满足寿命要求, 避免二次开挖整改。 接地装置长期运行在地下, 运行环境差, 最容易发生腐蚀。接地装置的腐蚀, 按环境进行分类, 主要是属于自然环境下的腐蚀;按腐蚀机理分属于化学腐蚀和电化学腐蚀。

(一) 化学腐蚀。

化学腐蚀是指金属表面与非电解质之间发生纯化学作用而造成的破坏。纯化学腐蚀的情况并不多。主要是金属在无水的有机液体和气体中的腐蚀以及在干燥气体中的腐蚀, 对接地装置来说, 主要是接地线在空气中的腐蚀。

(二) 电化学腐蚀。

电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学反应而引起的破坏。与化学腐蚀不同, 电化学腐蚀的特点在于, 它的腐蚀历程可分为两个相对独立并可同时进行的过程。金属的电化学腐蚀实质上是短路的电偶电池作用的结果。电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀。金属在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的腐蚀都属此类。电化学作用既可单独引起金属腐蚀, 又可和机械作用、生物作用共同导致金属腐蚀。

(三) 防腐措施。

防止接地装置腐蚀的主要措施有:一是接地装置的铺设地点要远离强腐蚀性的场所和严重污染的场所, 且要尽量避开透气性较强的风化石和沙石地带, 因为在这些场所不一但降阻困难, 而且还因为氧的渗透性强, 而容易造成接地体的腐蚀。如果避不开应想办法改良接地体四周的土壤, 如换土, 或施加降阻防腐剂等。二是接地体大多选用钢材, 水平接地体一般选用圆钢或扁钢, 垂直接地体一般选用钢管或角钢, 在选择其截面时不但要考虑其热稳定的要求, 还要按寿命考虑在整个寿命周期内, 经过腐蚀后还能满足截面的要求, 其材质要选用耐腐蚀的材料, 必要时采用镀锌钢材。三是接地体的埋深要足够, 因为把接地体埋设到一定的深度不但使接地电阻得到改善, 而且下层土壤比上层土壤的含氧量小, 从而减小腐蚀速度。另外, 回填土一定要回填细土并夯实, 不要用碎石或建筑垃圾回填, 因为那样会增大透气性而加快接地体的腐蚀, 用细土回填并夯实就是为了减小氧气的渗透而减缓接地体的腐蚀, 同时也可增加接地体与周围土壤的接触而降低接触电阻。四是选用缓蚀剂, 缓蚀剂是一些少量加入腐蚀介质中就能显著减缓或阻止金属腐蚀的物质, 也叫腐蚀抑制剂。缓蚀剂防护金属的优点在于用量少, 见效快, 成本较低, 使用方便。缓蚀剂的保护效果与金属材料的种类、性质和腐蚀介质的性质、温度、流动情况有密切关系。五是采用电化学保护, 电化学保护就是使金属构件极化到免蚀区或钝化区而得到保护。电化学保护分为阴极保护和阳极保护。阴极保护是使金属构件作为阴极, 通过阴极极化来消除该金属表面的电化学不均匀性, 达到保护目的。阴极保护是一种经济而有效的防护措施, 使用范围日益广泛。阳极保护法是将被保护的金属设备与外加直流电源的正极相连, 在腐蚀介质中使其阳极极化到稳定的钝化区, 金属设计就得到保护。

对于接地系统腐蚀问题, 我们必须因地制宜, 采取一系列的防腐蚀措施。对于施工中存在的问题, 我们应该加强监督和监管。只有做好了这两个方面的工作, 才能提高接地系统的质量, 提高电力系统运行的安全性和可靠性。

摘要：我国的接地导体以钢为主, 因此接地系统腐蚀严重是目前我国接地系统较为突出的问题。接地引下线的腐蚀会造成电气设备与接地网的开路, 在设备遭受雷击时, 不能够将雷电流通过接地网泄入地下。接地网接地导体的腐蚀会使得工频接地电阻变大, 同时使得接触电势和跨步电压的增大, 威胁设备和人身安全。

关键词：接地导体,接地系统腐蚀,防腐措施

参考文献

[1].陈家斌主编.接地技术与接地装置[M].北京:中国电力出版社, 2003

接地系统腐蚀 篇4

电力系统接地网是维护电力系统可靠运行、保障人员和电气设备安全的重要设施[1,2]。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[3,4]。所有影响接地网性能的因素中,接地网导体严重腐蚀是导致交流接地网损坏的最突出技术问题[5]。接地网通常埋入地下0.6～1 m,以保证电气设备可靠接地,同时由于土壤的腐蚀性与泄漏电流的作用,接地网腐蚀、损坏现象时有发生[6,7,8]。近年来,国内外学者通过大量研究,提出了一些变电站接地网导体腐蚀诊断的方法[9,10]。文献[4]应用电网络理论和矩阵理论建立故障诊断方程,将能量最低原理、优化技术应用于接地网故障诊断;文献[11]采用在可及节点中轮换电流源激励位置和每处激励时多处测量节点电压的方法,充分利用了有限可及节点,使诊断结果更加接近实际情况。然而,由于实际中变电站接地网拓扑结构复杂,影响接地网腐蚀诊断的因素很多,接地网腐蚀诊断方法应用于实际工程仍有许多技术问题亟待解决。目前这一项工作很多学者也已经展开研究,文献[12]分析了可及节点偏移对腐蚀诊断结果的影响,对诊断结果进行了修正,提高了诊断精度;文献[13]分析了测量误差对接地网故障诊断影响;文献[14]分析了电缆沟内接地导体对于腐蚀诊断的影响;文献[15]分析了变电站内钢型构架对接地网腐蚀诊断结果的影响。

随着电力工业的飞速发展,变电站的电压等级与输送容量越来越大,而征地成本的不断增高,要求变电站用地面积越来越小,位置越来越偏远。所以,很多变电站位于地理环境恶劣、高土壤电阻率和土层结构不均匀的区域。很多时候,常规设计的接地网中接地电阻、地电位及跨步电势等无法满足规程要求,为保证电力系统安全可靠运行,电力设计人员常采用引外接地。引外接地作为一种降低接地阻抗的有效措施,在实际工程中已广泛应用[16],其特点是在离发、变电站1～2 km有较低的电阻率土壤时,可敷设引外接地,用2～3条扁钢线引出主接地网,与低电阻率区域埋设的辅助接地网相连接,形成1个并联接地系统[17]。虽然已有文献对于影响变电站接地网故障诊断因素的研究取得了诸多成果,但关于引外接地对接地网腐蚀诊断影响的研究并未提及。本文基于电网络理论与最优化技术,研究了引外接地网及引外连接导体对接地网腐蚀诊断的影响,进而优化诊断结果,使得计算结果更加贴近实际。

1 接地网故障诊断基本原理

由于土壤电导率远小于接地网水平均压导体的电导率,用直流激励测量变电站接地网接地下引线间的电位时,忽略土壤因素的影响,接地网可视为纯电阻构成的网络[18]。接地网竣工后,原始电阻值(标称值)可得,当导体出现腐蚀或发生断裂时支路电阻会增大,这样就得到2个拓扑结构相同、支路电阻不同的电阻网络。根据接地网拓扑结构图建立诊断方程,由腐蚀前后支路电阻的变化量来判断接地网腐蚀情况,如图1所示。

设接地网的节点数为n,支路数为b,可及节点数为m;定义该电阻网络的关联矩阵为A,支路阻抗矩阵为Rb,节点导纳矩阵为Yn,支路导纳矩阵为Yb,节点电压列向量为Un,支路电压矩阵为Ub,支路电流列向量为Ib,节点注入电流列向量为In。第b+1条支路连接在接地网的节点i、j上,通过1个值为I0的恒定直流电流源激励,由电网络理论可知:

式中:Rij为端口电阻;Ui、Uj分别是可及测量节点i、j相对于参考节点的电压值。当接地网发生腐蚀后,仍在其i、j节点端加电流源I0,由测量的节点电压差求出R'ij。根据特勒根定理可以推导出端口电阻变化值和支路电阻变化值的关系为:

式中:ΔRij为端口电阻增量;ΔRk为支路电阻增量;Ik与I'k(k=1,2,…,b)分别为腐蚀前后支路电流值。对于测量了m组端口电阻的网络,可以建立1个m维故障诊断方程组:

用适当的数学优化方法可以解出方程组(7)

2 无引外接地的接地网腐蚀诊断

基于电网络理论和特勒根定理建立的故障诊断方程的诊断结果受2个因子影响:1)测量的端口电阻值;2)地网的拓扑结构。本文保持主接地网拓扑结构不变,通过在ATP中模拟并计算出端口电阻,将端口数据代入MATLAB编写的诊断程序进行腐蚀诊断。

通过大量变电站实测数据得到接地网扁钢导体电阻约为0.68 mΩ/m。建立1个36节点、60支路的接地网模型,设节点36为参考节点,接地网模型如图2所示。

假设各支路长度均为10 m,则接地网的支路标称电阻值为6.8mΩ假设支路46(16-22节点对)腐蚀,支路电阻增大4倍,变为标称值的5倍。因仿真接地网为中型地网,所以初次测量采用大跨距结合不动点原则[19]。第1次测量31-1、34-1、24-1、6-1 4组节点对,进行初次诊断,诊断结果过如图3所示,其中电阻变化倍数最大的是支路58,为0.2604倍。第2次测量58支路(28-34节点对),得出支路46增大4倍。第3次加测46支路2端22-16节点对,从而确诊支路46为真实腐蚀支路,电阻增大倍数为4倍,诊断结果如图4所示。

3 引外接地对接地网腐蚀诊断的影响

变电站主接地网与引外连接导体相连,其拓扑结构会发生改变。由于许多带有引外接地的变电站建成年代较早,通常处于地形较为复杂的地区,导致地网拓扑结构极不规则,加之实际中有许多干扰因素,引外接地网的实际信息获取难度较大。假设引外接地为网状模型,各支路长度为10m,引外连接导体有2根,引外接地网支路导体与引外连接导体使用的材料与主网支路导体相同,连接示意图如图5所示。

3.1 引外接地对接地网不同腐蚀支路诊断结果影响

依次模拟距引外连接点不同距离的接地网支路腐蚀,设置腐蚀支路电阻均增大4倍,变为标称值的5倍,引外连接导体长度为2 000 m。首先模拟距离引外连接点5个网格5D(将单位网格长度设为1D)处于地网边缘的支路43(13-19节点对)腐蚀;其次模拟距离引外连接点2D的支路46腐蚀腐蚀;最后模拟与引外连接线直接相连的支路48(18-24节点对)腐蚀。通过ATP分别进行3次模拟带引外接地的接地网腐蚀诊断,与无引外接地的接地网腐蚀诊断结果对比,在设置的精度及迭代次数下,得出的诊断结果如表1所示。

由表1可知,当引外距离为2 000m时,由于引外连接导体电阻较大,引外接地对接地网不同腐蚀支路的诊断结果影响均很小,对于初次诊断与最终诊断的结果影响比例均小于2%,所以引外接地的存在基本不影响接地网腐蚀支路的诊断。相对地,与引外连接导体直接相连的支路比距离较远的支路的诊断结果所受影响略大。

3.2 引外距离对接地网腐蚀诊断的影响

由3.1节知,引外接地对于距离较远的支路影响很小,为了比较不同距离引外接地对于主接地网腐蚀诊断的影响,选取了2 km、1 km、500 m和50 m 4种引外距离,其中50m是本文研究引外距离对直接相连的支路的诊断影响所做的假设,实际工程中并不存在。设置支路48腐蚀,初次测量的4组节点对不变,所计算得出的端口电阻变化数据如图6所示。

由图6可知,引外连接导体电阻随着引外距离的减小而减小,使得计算出的端口电阻减小,引外距离大于500 m时,其电阻仍然远大于支路导体电阻,端口电阻值减少很慢。当引外距离为50 m时,引外连接导体电阻与支路导体电阻相近使的端口电阻值下降幅度变大,对于端口电阻值的影响增大。对接地网初次诊断结果如表2所示。

由表2可知,不同引外距离对直接相连的接地支路导体腐蚀诊断影响差别较大,引外导体距离越小对诊断的影响越大。对于初次诊断出电阻变化倍数最大的腐蚀支路20(23-24节点对)最大影响达到-19.4%,降低了与之直接相连腐蚀支路诊断准确度而使得诊断出的支路导体电阻增大倍数降低。

3.3 引外接地网故障对接地网腐蚀诊断影响

引外接地网通常埋设在主接地网周围有明显的低电阻率土壤的地区中,通常自然低土壤电阻率的地区土壤通常较为湿润且腐蚀性较强,而引外接地网的检查及更换周期较长,所以引外接地网导体故障普遍存在。本文分别模拟引外接地网中部分导体断裂、部分导体腐蚀和二者同时存在3种情形,引外距离均取2 000 m。情形1中设置引外接地网中心的4根导体断裂,情形2中设置引外接地网各边缘中间的4根导体腐蚀,其电阻增大4倍。以直接相连的48支路腐蚀进行仿真,得出的端口电阻结果如表3所示。

由表3可知,引外接地网支路导体故障对于端口电阻几乎无影响,将表3中数据代入诊断程序后得出引外接地网支路故障对接地网腐蚀诊断结果基本无影响。值得注意的是,引外接地网部分导体的腐蚀和断裂虽然不会对主网腐蚀诊断造成影响,但会使接地网安全性能下降,具有潜在的安全隐患。

4 结论

(1)引外距离较远的引外接地网对主接地网的腐蚀诊断影响很小。

(2)引外距离较近时,对于与之直接相连的支路腐蚀诊断影响较大,降低了诊断的准确度而使诊断得到的支路腐蚀程度降低。当腐蚀支路距离引外连接点较远时,对接地网腐蚀诊断的影响很小。

接地网腐蚀与断点诊断技术探讨 篇5

(1) 沿大地表面的危险电位梯度。

(2) 由于过电压上升而造成的电力设备绝缘损坏。

(3) 电力系统的中性点的偏移。

(4) 电力继电保护装置误动。

(5) 通过管线和低压电路等装置的高压转移。

(6) 电力设备机壳上的危险电压。

(7) 接地体周围的土壤风干。

由此可见, 接地网的故障已是电力系统安全运行的心腹大患, 诊断接地网的断点及接地网的腐蚀情况已成为电力部门的一项重大反事故措施。尤其是前几年美国电网出现大面积停电事故后, 引起世界各国对电网保护的高度重视, 我国政府和电力企业更加重视接地网的防腐安全问题。例如1985年3月13日在胡集变电站和1986年4月25日在潜江变电站发生的接地故障, 都因35kV小电流接地系统发生两相短路接地与异相异点接地形成短路, 使接地网部分或整个接地网通过大电流, 烧断接地引线和部分接地网水平导体。设备外壳和端子箱上出现工频高压, 造成工频高压进入主控室损坏设备, 使直流保险熔断大大延长短路故障的切除时间, 造成主变压器损坏, 使事故扩大。

1 接地网腐蚀诊断的基本思想

当接地网运行多年后, 某些导体就会发生不同程度的腐蚀甚至断裂, 其相应支路的电阻值增大, 这样, 腐蚀前后就得到两个拓扑结构相同、支路电阻值不同的电阻网络。如图1, 当对这两个网络施加相同的恒定直流电流源时, 原网络节点电压因拓扑结构、支路电阻及激励已知, 可根据电网络理论计算得到。对于腐蚀后的接地网, 因电气设备都有和接地网相连的接地引线, 其与地网连接点为可测节点, 直接测量这些接地引线对参考节点的电压就得到腐蚀后接地网节点电压值。

2 接地网腐蚀机理

接地装置长期处于地下阴暗、潮湿的环境中, 最容易发生腐蚀。金属在土壤中的腐蚀按机理的不同分为下列几种:化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。

2.1 化学腐蚀

发生在金属与介质相接触的界面上, 腐蚀时没有电流产生, 钢材表面在高温下与空气中的氧气接触, 发生化学反应, 生成一层氧化膜, 这就是一种化学腐蚀。化学腐蚀主要与环境温度、环境中含有化学腐蚀物质的量和环境中的空气湿度有关。环境温度越高, 环境中含有化学腐蚀物质的量就越多。空气湿度越大, 化学腐蚀就越严重。

2.2 电化学腐蚀

土壤是由固态、液态和气态三种物质构成的复杂混合物, 土壤胶体带有电荷, 并吸附一定数量的阴离子, 当土壤中存在少量水分时, 土壤水即成为一种电解质溶液, 土壤中的部分氧气溶解在水中, 与接地体构成一个氧化还原电池。当接地装置发生腐蚀时, 钢材作为原电池的负极 (阳极) , 发生氧化反应;而钢材中含有能导电的杂质则作为原电池的正极 (阴极) , 发生还原反应。但由于钢材接触到的电解质溶液的酸性强弱不同, 正极上的反应有析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情况, 因而使腐蚀过程有所差异。

3 接地网故障诊断的影响因素

地网在施工时由于地域、土壤等原因, 没能严格按照设计图纸敷设接地网, 或在引上线的布置位置上有所限制, 导致接地网与设计时有一定的偏差, 对地网的诊断也带来了影响, 本章就研究利用上述理论方法是否能准确诊断出当接地网存在影响因素时的故障。

3.1 节点虚焊漏焊

在实际工程中, 当接地网敷设完毕后, 由于不严格的施工质量, 接地网可能存在漏焊和虚焊的情况。这从理论可以分析出因为接地网某节点虚焊后, 由于并联的导体数目减少, 节点的电压值必然有所增大计算得到的支路电阻必然增大, 判断出的腐蚀程度也因此变大。

3.2 接地引线偏移

接地网节点在仿真计算中, 接地引线总是从网络交汇的节点上引出的。而在实际工程中, 接地引线和接地网不一定会在网络的节点上相连, 而是就近与接地网的支路相焊接, 加上常常缺乏严格完整的竣工图和改造图, 所以, 接地引线和接地网的连接节点往往不能确定, 在计算时用的接地网拓扑图按照就近的原则设定接地引线和接地网的连接点在网络的节点上, 这种假定必然会使计算结果与实际情况存在一定的误差。

3.3 接地网网格偏移

由于施工过程中各种原因, 没能严格按照设计图纸敷设接地网, 有可能导致某些段导体发生偏移, 而计算时依据的是设计图纸的拓扑结构, 这样可能对诊断结果造成一定误差。

(1) 节点虚焊漏焊的影响:由于并联的导体数目减少, 节点的电压值会有所增大计算得到的支路电阻必然增大, 判断出的腐蚀程度由此也变大。

(2) 接地引线偏移接地网节点的影响分别对节点向四个不同方向节点偏移进行了仿真计算, 均与假设结果一致。

(3) 接地网网格偏移的影响:初步诊断出电阻增量最大支路, 增加节点后将故障支路准确诊断出来, 还把部分因网格偏移而改变电阻的支路诊断出来。

摘要：本文主要介绍接地网腐蚀诊断方法的基本原理, 包括电网络理论、故障诊断理论、接地网在土壤中的腐蚀机理等。在这些理论的基础上, 结合本文的目的和接地网的实际情况, 做出一些必要的分析。

关键词：变电站接地网,腐蚀,故障诊断

参考文献

[1]解广润.电力系统接地技术[M].中国电力出版社, 1991.

[2]胡学文, 许崇武.接地网腐蚀与防护的研究[J].湖北电力, 2002, 26 (3) :31～34.

[3]刘洋, 崔翔, 卢铁兵.变电站接地网的断点诊断方法[J].电网技术, 2008, 32 (2) :356～359.

[4]IEEE Std 80～2000, IEEE guide forsafety in AC substation grounding.

滨海发电厂防腐蚀接地方法探讨 篇6

大量的接地安全事故表明,保证接地网的可靠性对于保证电厂安全运行是十分重要的。近年来,随着福建省用电量的增加,大量滨海电厂(如:嵩屿电厂、后石电厂、南埔电厂、可门电厂等)的建设引发了人们对接地网选材和防腐蚀问题的思考和争论,本文以福建省滨海莆田燃气电厂为工程实例进行探讨。

莆田燃气电厂地处海边,地下水受海水入渗影响含盐量较大,土壤电阻率低,对钢结构具有较强的电化学腐蚀性;若全厂采用钢接地网具有价格便宜、施工快速方便等优势,但是也存在易腐蚀、运行一段时间后需进行维护或更换、污染环境、易导致失地事故等缺点。例如:1994年,四川华莹山电厂因变压器中性点接地线严重腐蚀处放电引起#2主变和#2发电机着火、#3和#4发电机损坏,最终导致全厂停电;上海石化热电厂运行七年后因接地网因腐蚀严重,对整个厂区的接地网进行了全面更换;广东妈湾电厂、天津杨柳变电站、济南义和庄变电站、福建泉州地区的某220k V变电站的接地网在运行多年后均出现了严重的腐蚀。据统计,采用镀锌钢材的接地网,运行十年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换,为了防止和减缓接地网的腐蚀,应采取必要的防腐蚀措施,目前的主要措施有:a)涂敷层措施;b)阴极保护措施,其中阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种;c)采用耐腐蚀金属(如:Cu、Pb等)接地网措施。以上三种措施各有优缺点,在莆田燃气电厂中应采用何种措施才能既经济、环保又安全、可靠地防止接地网的腐蚀,本文将可能采用的各方案进行技术经济比较,提出适合莆田燃气电厂的接地方案。

1 各种防腐蚀接地措施

1.1 涂敷层措施

涂覆层是防止地下金属接地网在土壤中腐蚀最为常用的手段之一。由于接地网是和大地接触起散流作用的,因此,接地极材料上不能采用绝缘涂层,只能采用导电涂层。金属涂覆层有良好的电导性,可用作钢接地网的防护层,镀锌层最为常用,它不但起隔离层作用,而且起牺牲阳极保护作用。但镀锌层在强腐蚀性土壤中很快就会消耗掉,寿命极短,尤其是当镀锌层较薄或存在缺陷时(如镀层不均匀、局部漏镀、存在针孔、局部破损、存在杂质等)更是如此。因此,在强腐蚀性土壤介质中,钢接地网仅靠镀锌层来保护是远远不够的。

另一种措施时在钢上包覆铜或铅作防护层,但这类阴极性涂覆层有较大的危险性,一旦覆盖层有缺陷时,就会构成大阴极小阳极的腐蚀电池,使基体钢遭到严重的局部腐蚀,导致钢接地网穿孔或断开。这种涂覆层要十分完整才能起到良好保护作用,而这在实际工程中往往是难以做到的。此外,这类阴极性覆盖层也和铜接地网一样会大大加速其它地下结构物的腐蚀。

当采用具有一定导电能力的非金属涂层时,虽然可具有一定的防护作用,但并不能完全有效地解决接地网腐蚀问题。这是因为涂层总是不可避免地存在漏涂、针孔、破损等缺陷,腐蚀将会集中在这样一些微小区域,导致钢接地网穿孔或断开。此外,涂层还具有老化问题,难以保证在发电厂寿命期内一直起到保护作用。

对钢接地网的焊缝处,以及设备引下线和接地网的土壤交界处可以涂刷环氧煤沥青等绝缘防腐蚀涂料。但由于涂覆的是腐蚀电池的阳极区域,并没有采取阴极保护等其它防护手段时,一旦涂层存在缺陷,就会形成1个更小的阳极而产生严重的局部穿孔腐蚀。

总之,在较强腐蚀性土壤中,钢接地网靠金属覆盖层或导电非金属涂覆层,很难获得长期有效的保护,因此,不推荐单独采用涂敷层措施作为钢接地网的保护,但可以和阴极保护措施联合采用。

1.2 阴极保护措施

1.2.1 阴极保护原理

阴极保护是防止地下金属钢接地网在土壤中腐蚀的最为有效的方法。它的基本原理是:将被保护的金属结构物作为阴极,通过向被保护的金属结构物表面通入足够的阴极极化电流,使金属的电位向负的方向移动,使之在电解质中难于失去电子,从而使金属的电化学腐蚀得到有效抑制。

1.2.2 阴极保护的特点和应用

阴极保护是一种电化学防护方法,和其它的防腐手段不同的是,它是通过对腐蚀反应进行积极地干预,从原理和根本上抑制电化学腐蚀的发生,因而保护效果彻底有效。而且阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的1%~%5,而金属结构物的使用寿命却可因此而成倍的延长,具有十分明显的性价比;世界各先进发达国家已普遍采用阴极保护技术防止地下和水中金属结构的腐蚀,并已制定了相应的法规或技术规范。在中国的各大电厂和变电站中已广泛采用阴极保护技术作为钢接地网的防腐蚀措施,取得了很好的效果。

1.2.3 阴极保护的种类

根据提供保护电流的方式不同,阴极保护可分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。前者是将一种电负性金属或合金(即牺牲阳极,其电位比所要保护的金属更负,更活泼,易腐蚀,如:Mg、Al、Zn等活动金属)与被保护金属结构物电性连接,通过这种电负性金属的溶解消耗来给金属结构物提供阴极极化保护电流从而避免腐蚀;后者是将外加可控直流电源的负极接于被保护的金属结构物,将电源的正极接于安装在金属结构物外部并与其绝缘的辅助(牺牲)阳极,当电路接通后,电流从辅助(牺牲)阳极经腐蚀电解质至金属结构物形成闭合回路,使金属结构物得到阴极极化保护电流从而避免腐蚀。

1.2.4 阴极保护两种方法的对比

以上两种方法的基本原理是一致的,通过合理设计均能获得良好保护效果,但又各有自身的特点,分别适用于不同的应用场合。表1为牺牲阳极法和外加电流法两种方法技术特点的对比。

1.2.5 结论

以上两种方法均可用来保护电厂的接地网,其中外加电流法运用业绩较少,而牺牲阳极法具有免维护、可靠性高、最终投资小等诸多优点,而且还可以作为接地网的一部分从而达到降低接地电阻,因此被国内各大电厂(如:福建南埔电厂、山东滕州电厂、上海外高桥电厂)广泛采用,均有良好的运行业绩;燃气电厂占地面积较同容量机组的燃煤电厂小,所需的阴极保护电流也较小,采用牺牲阳极法完全可以提供足够的阴极保护电流使接地网得到有效的保护,因此,若燃气电厂需要采用阴极保护,则推荐采用牺牲阳极法。

1.3 采用耐腐蚀金属措施

1.3.1 接地网采用耐腐蚀金属的材料

国内外电厂接地网常采用的耐腐蚀金属主要有铜(Cu)和铅(Pb),两者都有较好的耐腐蚀性,但由于铅(Pb)对环境的影响和破坏,已经渐渐被淘汰,目前主要采用铜(Cu)接地网。但是在一些特殊的项目中也有采用其它耐腐蚀金属,例如在瑞典至芬兰的海底直流输电工程中,就采用了钛(Ti)金属。由于钛(Ti)金属价格太高,莆田燃气电厂工程仅讨论铜(Cu)金属。

1.3.2 铜接地网的应用情况

为了防止接地网的腐蚀,国外很早就开始采用铜接地网,但国内电厂由于受到经济上的制约很迟才开始采用。近年来,随着中国经济水平的提高以及大量沿海电厂的建设,人们开始逐渐认识到接地网防腐蚀的重要性以及铜接地网的优点,逐渐在许多沿海电厂或重腐蚀地区开始采用铜接地网,取得了很好的效果。就福建省内而言,已经在漳州后石电厂、福州华能电厂、湄州湾电厂、江阴电厂和福州可门火电厂成功采用了铜接地网,有效地防止了接地网的腐蚀。

1.3.3 铜接地网的优缺点

优点:a)耐腐蚀:首先,Cu在地中也会被氧化腐蚀,但是Cu一旦被氧化就会在其表面形成一层坚硬的氧化层,保护内部的Cu不再受氧化的影响,有效地抑制了腐蚀的发展;其次,Cu相对Fe,Al等活泼金属来讲,属于较惰性的金属,具有较正的电位,而在电厂的地下不可避免地埋有大量的钢质管道,于是在土壤中就构成了腐蚀电池,具有校正电位的Cu将作为阴极产生钝化,因此Cu可以被有效地保护下来;b)低电阻率,可有效降低接地网的接地电阻:20°时Cu的电阻率仅为0.017 9×10-6Ω·m,仅约为Fe(0.139×10-6Ω·m)的13%、Al(0.029×10-6Ω·m)的62%,因此应用Cu接地网将有效降低接地网的接地电阻;c)低电抗率:由于Cu为非铁磁性材料,对于雷电流具有较低的电抗,因此能有效泄放雷电流,降低雷电流造成的反击危害;d)运输方便:由于铜材较软,可以绕制成各种形状,有效利用运输空间,便于运输。

缺点:a)价格高:由于近年来,国内大量工程的建设导致了对铜的需求量大量增长,也导致了国际铜价的大幅飞涨,工程建设前期(2005年),铜价已经涨到约72 000元/t,约为镀锌钢材(5 200元/t)价格的13.85倍,而且铜接地网连接采用的焊药和模具的价格也相当贵(平均制作一个铜接头需要120元~200元),因此目前采用铜接地网投资巨大;b)施工难度大:由于铜材的连接不能采用普通的电焊,只能采用防热焊接(又称火泥熔接),既需要焊接模具,又需要焊药和点火枪,对于异型接头还需要特殊订货,因此大大增加了施工的难度和工作量;c)强度低,易被施工机械破坏:由于铜材强度小,现场不可避免地会发生铜接地网被施工机械挖掘、被基础或人为挤压而导致铜接地网断裂等问题,若发现及时,还可以重新焊接补救,但是需要增加额外费用,若没有发现,将成为接地网的隐患;d)会对附近的地下钢材质的管道等造成腐蚀:Cu相对Fe、Al等活泼金属来讲,属于较惰性的金属,具有校正的电位,而在电厂的地下不可避免地埋有大量的钢质管道,于是在土壤中就构成了腐蚀电池,具有较正电位的Cu将作为阴极产生钝化,而具有较负电位的金属钢将作为阳极而遭到腐蚀,因此还需要对重要的地下管道采用阴极保护。

2 防腐蚀接地方式的选择

综上所述,在腐蚀性土壤中,为了防止接地网的腐蚀,采用钢接地网+金属涂敷层+牺牲阳极法的阴极保护方式或者采用铜接地网方式都是可行的,两者在技术和经济上各有优缺点,目前国内外对于以上两种接地方式也存在着不同的看法。本文将结合莆田燃气电厂工程的实际情况,从技术经济的实用角度,提出适合莆田燃气电厂工程的合理接地方式。

2.1 两种接地方式技术比较

本文第2部分(各种防腐蚀接地措施)已经分点论述了两种接地方式的特点,现在将两种方式的技术比较归纳总结如下(见表2)。

2.2 两种接地方式经济比较

两种方式的经济比较见表3。

注:两种方案安装费差异不大,不列入此表比较。

3 结语

经过以上技术经济比较,我们发现两种接地方式各有优缺点,虽然莆田燃气电厂工程采用铜材接地网比采用热镀锌钢材+阴极保护的接地网初投资多185.25×104元,但是两者的投资差价并不大、与工程总造价相比在可接受范围之内;而且铜接地网具有良好的防腐蚀性能,大大减少了今后运行维护的工作量、可以有效节约今后的运行维护成本、因此全寿命周期总投资相差并不大;此外,目前铜价仍处于历史最高位,若工程进入采购期后铜价能进一步下跌回落、则两者的差价也将进一步降低,特别是当铜价回落到历史价位45 000元/t左右时、两者价格将持平,届时铜接地将具有明显的优势;不过最重要的是铜接地网还可以有效地降低接地网的接地电阻,增加运行的安全性和可靠性,因此莆田燃气电厂工程推荐采用铜接地网方案。

4 后续

接地系统腐蚀 篇7

500 k V变电站接地网的可靠性影响着整个电网的正常运行, 若变电站的接地网发生故障, 就可能引起大范围的断电事故, 因此接地网的防护就显得尤为重要。变电站的接地网的可靠性受很多因素的影响, 包括土壤条件和当地环境恶劣程度等, 其中对变电站接地网危害最大的是土壤腐蚀。目前500 k V变电站由于其在结构上比较复杂, 因此在对变电站进行运行维护上并不便利, 检修单位每次都要花费大量的时间去开挖维护和翻修变电站的接地网, 这种设备检修方式过程非常繁琐, 特别是要时刻关注现场运行情况, 因此检修进度非常缓慢。由于以上因素, 对于500 k V变电站接地网腐蚀与防护就变得重要起来, 通过提高接地网材料的防腐性, 就可以使接地网的使用寿命得到大大的提升, 这样既减少了变电站接地网的检修次数, 又保证了变电站的正常运行, 极大地节约了成本。

1 接地网腐蚀机理

一般情况下, 500 k V变电站的水平接地体和垂直接地体在结构上是不同的, 前者是把圆钢或者扁钢焊接起来, 而对于后者而言, 往往采用的是角钢或者钢管。变电站的任何一个元件只有在相互配合之下完成每项工作, 才能保证整个系统的安全性。如果选择同样的接地装置, 接地电阻就会变大, 同时土壤的电阻率也会变大。由于在土壤的不同层面上, 金属与介质的电化学并不是均一的, 接地网就很容易受到电化学腐蚀, 尤其是在接地引下线的地面和土壤交界处, 对于碳钢而言, 它比其他种材料更容易受到腐蚀的影响。土壤内部的氧浓度、电解质浓度、PH值受土壤里的微生物影响, 有可能进一步加速电化学腐蚀的阴极去极化过程, 这种情况下, 就会使接地网的腐蚀更加迅速。接地网发生电化学腐蚀, 除了土壤电解质浓度受到改变, 阴极和阳极也会发生电极反应。

1.1 阳极反应过程

实际上, 土壤腐蚀的阳极反应过程就是金属材料的腐蚀过程, 具体情况如下:

上面几个化学方程式可以很好地体现出土壤中的接地网受到腐蚀的过程。酸性土壤里的铁易被酸化成铁离子, 而铁离子在碱性土壤中易于和氢氧根离子发生化学反应, 生成氢氧化亚铁, 氢氧化亚铁又极易受到氧气作用, 最终生成氢氧化铁。

1.2 阴极反应过程

土壤内的金属发生的阴极反应, 是由于受到氧的还原作用影响, 发生的反应式为O2+2H2O+4e→4OH-。在酸性较强的土壤条件下, 土壤里的金属就会很容易发生吸氧反应。通常情况下, 阴极反应是接地网受到电化学腐蚀的主要原因。

2 500 k V变电站腐蚀现状

500 k V变电站不仅受到土壤的电化学腐蚀, 还受到变电站内各种设备泄流出的电流腐蚀, 因此变电站的接地网在使用一定的期限之后, 就很有可能发生故障。对500 k V变电站的腐蚀现状进行总结, 主要为以下四种情况。

1) 主地网腐蚀。某些变电站运行的时间很长, 没有及时地对接地体进行检修, 因此接地体受到的腐蚀较为严重, 接地体出现大量的锈层现象, 整个接地体容易断裂。

2) 接地引下线热容量不够。由于变电站同一电压等级设备的接地引下线, 在规则上是参差不齐的, 例如Φ12 mm或Φ8mm的圆钢, 而且有多点焊接。

3) 没有按照图纸施工。把设备接地引下线引到主网上是不合理的, 例如是经过操作机再引到主网的, 还有部分设备接地引下线直接引进电缆沟内扁铁上。

4) 后期工程的接地引下线没有与一期工程的主地网相连接。

3 接地网防腐蚀措施

3.1 接地网截面的选择

对于接地网截面的选择, 要考虑到很多因素。包括现场施工情况、可靠性、短路电流作用时间、热稳定性等。参照一定标准, 应取主保护动作时间加上失灵保护动作时间作为有效接地系统接地装置的热稳定校验时间;消弧线圈接地系统接地装置热稳定校验时间, 也就是第一后备保护动作时间应该取2 s。

3.2 接地极截面的选择

圆钢和扁钢在导电截面相同情况下, 圆钢的表面积和扁钢比起来更小, 这种情况下, 在相同的土壤条件下, 对于截面相同的两种的材料, 由于在与土壤的接触面积上, 圆钢比扁钢要少, 因此圆钢比扁钢受到土壤的腐蚀影响要小, 根据这个特点, 在便电网接地网材料的选择上, 建议选用圆钢。

3.3 设备接地引下线截面积超过了与主网干线截面积

由于传统的变电站在主地网干线界面的设计上, 接地引下线的截面比较小, 因此一旦发生短路事故, 故障就极易扩大。大部分电网事故一般都是由于接地引下线发生故障引起的, 这是因为发生短路事故时, 由于设备接地引下线的截面积比较小, 因此发生故障的概率比主接地网干线要高, 接地引下线难以承受短路时的高电流, 就很容易发生烧断现象。由此可以看出, 在对变电站进行设计时, 必须考虑到接地引下线的截面积和地网干线截面积之间的大小关系, 通常要求前者不能小于后者。

3.4 设备接地引下线的连接

由于很多变电站把电缆沟内的扁铁和设备接地引下线连接在一起, 这种做法会带来很多的安全隐患, 例如一点发生短路故障, 短路电流不能很好地流向主网。如果故障点距离主接地网干线连接点比较远, 那么故障点处的电位就会变高, 这样就容易给电网的二次回来带来影响。

3.5 涂层防腐

在接地网上涂覆防腐物质, 能够对接地网的防腐起到很好的作用。在选择合适的涂料上, 要考虑到涂料是否具有一定的导电性能, 这是因为当主地网一旦发生短路事故, 短路电流可以很好地通过接地网被安全导出。利用镀锌的方法可以很好地保护主网的安全, 还可以在接地网的各个焊接头上涂抹沥青等防腐物质, 这也是防腐的一种措施, 这种方法利用涂层减少了阴极保护的电能消耗, 因此提升了防腐效果。

3.6 值班员定期检查

为保证接地装置的安全可靠运行, 必须对运行中的接地装置进行定期检查, 其检查周期为:变 (配) 电所接地网, 每年1次;对有腐蚀性或化学成分的土壤中的接地装置, 每5年局部挖开检查腐蚀情况。接地装置的检查内容: (1) 电气设备与接地线连接处有无松动脱落现象; (2) 接地线有无损伤、断股及腐蚀现象; (3) 有腐蚀性土壤的场合, 每5年应挖开接地引下线的土层, 检查地面下0.5 m接地引下线的腐蚀程度; (4) 人工接地体周围地面上, 不应堆放或倾倒有强烈腐蚀性的物质。

4 结语

变电站接地网的可靠性影响着整个变电站的正常运行, 对于变电站而言, 其接地网应该具有超强的耐热性, 这样才能在强电流之下还能保持正常的状态, 还应具备超强的耐腐性, 这样才能长久的正常运行。对于变电站的管理人员而言, 在设计接地网上, 既要考虑接地网材料的耐腐性, 还要考虑到成本, 使用合适的接地材料, 同时在日常的运行过程中, 还要定期地对接地网进行系统的防腐维护工作, 这样就能提高接地网的可靠性, 从多方面提升接地网的使用寿命。

摘要：变电站接地网的安全防护影响着整个变电站的正常运行, 一旦接地网受到腐蚀, 就很容易发生大范围断电事故。目前大部分变电站在接地网材料选择上, 一般采用普通的碳钢构件, 这种材料极易受到腐蚀, 可靠性并不大。若选用纯铜作为接地网材料或者通过增加接地体的面积, 都可以使接地网的寿命得到提高, 但是这两种方法都需要很大的成本投资, 因此在接地材料的选择上, 必须兼顾到成本。通过在钢表面镀铜或者涂覆防腐保护层的方法, 能够大大提高接地体的可靠性, 这种方法可以很好地控制投资成本, 因此现已成为今后变电站接地体防腐技术的重要研究方向。

关键词：接地网,腐蚀,防护,耐腐蚀

参考文献

[1]肖磊石.变电站接地网腐蚀诊断方法及其影响因素研究[D].重庆大学, 2011.

[2]王硕.中大型变电站接地网腐蚀优化诊断的研究[D].重庆大学, 2006.

[3]冯镜昌.500 kV变电站接地网状态数值评估研究[D].华南理工大学, 2013.