接地网防蚀金属材料性能试验研究

　　 接地网防蚀金属材料性能试验研究许崇武1，胡学文2（1．武汉大学动力与机械工程学院，湖北省 武汉市430072；
2．武汉中伟电力技术有限责任公司，湖北省 武汉市430072）
摘 要：研究经济有效的耐蚀接地网金属材料对于提高电网工作稳定性有重要意义。用电化学测试方法及电解试验方法在实验室进行了金属材料耐蚀性能筛选试验，并在变电站现场进行了小型埋置试验。试验结果表明，金属材料CL2的耐蚀性能比普通碳钢高5~7倍，这对于延长接地网使用寿命具有重要意义；镀锌钢作为接地材料对于延长接地网使用寿命实际作用不太显著。
关键词：接地网；耐蚀金属材料；电化学测试
1 引言
变电站容量的扩大对接地网安全运行的要求更为严格，对接地体的热稳定性的要求更高。在我国，由于资源、经济等原因，接地网所用的材质主要为普通碳钢。接地网腐蚀通常呈现局部腐蚀形态，发生腐蚀后接地网碳钢材料变脆、起层、松散，甚至发生断裂。图1为某盐碱性土壤变电站现场与接地网连接的普通碳钢试片埋置2年后的表面情况。图2为一般性土壤变电站现场与接地网连接的普通碳钢试片埋置226天后的表面情况。由图可见，无论在盐碱性土壤中还是在一般性土壤中，接地网的碳钢试片腐蚀是非常严重的，其表面有许多局部腐蚀坑，试片边缘也不完整。 腐蚀是导致接地体事故扩大的一个主要原因。因为对于运行多年的接地网而言，由于腐蚀性土壤环境中的电化学腐蚀以及电网设备等运行中的泄流造成的腐蚀使得接地体截面减小，甚至断裂，造成接地性能不良，不能满足热稳定性的要求，因而电路电流将会烧坏接地网，使得变电站内出现高电位差，造成其它主设备的毁坏事故，还会危及人身安全。由于接地网埋设在地下，一旦腐蚀严重到使接地网的接地电阻不合格，甚至局部断裂时，对接地网的翻修改造是相当费劲和困难的，费用也是巨大的。因此防止接地网腐蚀，保证接地性能的稳定性，延长接地网的使用寿命，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的课题。

对于接地网防腐蚀的研究，目前国内主要有两条路线[1]，一是研制耐蚀性能优良而且经济性好的导电材料以取代目前普遍使用的碳钢；二是采用电化学保护技术以减缓正在服役的接地网的腐蚀速度，延长使用寿命。原武汉水利电力大学“接地网防蚀研究及应用”课题组经过长期大量的试验，已经筛选出耐蚀性能优良且价格合理的材料，可以取代目前广泛使用的普通碳钢。
2 试验情况
由于接地网土壤腐蚀是一个缓慢过程，因此为了能快速优选出所需的材料，在实验室里进行了电化学测试，试验测试方法包括极化曲线、交流阻抗和动电位扫描。由于变电站接地网要承受雷电流及电网不平衡电流的泄流作用，因此在对材料进行筛选时必须了解材料的耐电解电流腐蚀的性能，为此在实验室里进行了材料的电解试验。试验所用土壤介质的理化性质分析结果如表1所示，其自腐蚀电位为-688mV。根据德国DIN 50929土壤腐蚀性评价标准评价该土壤为腐蚀性土壤[2]。试验所筛选的材料为2种稀土钢材（CL4和CL5）及3种常见表面处理的合金钢（CL1、CL2和CL3）。为了便于对比，试验还使用了普通碳钢及镀锌钢。根据实验室初步试验的结果，在变电站现场土壤中埋置了一定数量的材料试片以了解材料在变电站土壤现场中的耐蚀性能。 （1）极化曲线测试
1）试验条件
试验采用三电极体系，即工作电极、参比电极和辅助阳极。其中工作电极是将各种材料制作成体积为1cm3的小块，留出一表面作为研究面，其余表面用环氧树脂密封；参比电极为饱和甘汞电极，通过鲁金毛细管插入电解池；辅助阳极为铂电极。试验介质为土壤水土比为5:1的浸出液。试验所用仪器为TD 3690型恒电位仪，HD-1A型信号发生器及3086-1AX-Y型记录仪。
试验时，起扫电位的选择是阳极极化时起扫电位比自腐蚀电位低100mV，阴极极化时起扫电位比自腐蚀电位高100mV。每次扫描的速度为2mV/s。
2）试验数据处理
采用BETACRUNCH（VERSION）程序进行计算。
（2）交流阻抗测试
1）试验条件
试验采用三电极体系，介质为水土比为5:1的土壤浸出液和水土比为2:1的泥浆，试验使用的仪器为EG&G公司的交流阻抗测试仪，包括锁相放大器，M283恒电位仪。计算机3个硬件部分通过GPIB总线连接起来。软件为M398阻抗数据专用测量软件。


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2）数据处理
以频率最低处的阻抗值（|Z|0.05）来表征材料在介质中的耐蚀性能。|Z|0.05越高，说明材料的耐蚀性能越好，反之亦然[3]。
（3）电解测试
电解时试验材料与直流电源正极连接，用石墨棒作为阴极与直流电源的负极连接，电解所用介质为变电站土壤的水土比为2:1的泥浆，电解时间为3 h，电解电流为64.0 mA，槽压为150 V。
3 试验结果和讨论
3.1 极化曲线测试
极化曲线测试试验的结果列于表2。由表可见，在这些土壤介质中，材料CL1、CL2的腐蚀速率较其它材料低，其耐蚀性能较好。
3.2 交流阻抗测试
试验结果见表3。由表可见，材料CL1、CL2的阻抗值明显高于其它材料，比普通碳钢高出2个数量级。材料CL4、CL5的耐蚀性能与普通碳钢差不多，甚至有时还不如普通碳钢。
3.3 电解测试
试验结果见表4。从试验结果可以看出，镀锌钢耐电流电解腐蚀性能较差，材料CL1和CL2的耐电流电解腐蚀性能较好，其耐蚀性能比普通碳钢要高得多。电解结束后观察材料表面可以看出，镀锌钢表面的镀层出现了局部剥离现象，而其它材料表面均没有出现这种现象。
3.4 现场埋置试验
不同材料制作的试片在变电站现场土壤中埋置624天后挖出，经过表面处理后测定材料的腐蚀速率，结果如表5所示。由表可见，材料CL1和CL2的腐蚀速率较碳钢及镀锌钢要小得多。
同种材料，当与接地网连接时其腐蚀速率高于接地网不连接时的腐蚀速率，原因是与接地网连接的试片除了要受到土壤自然腐蚀作用外，还要受到变电站接地网泄流时的电流电解腐蚀。
在变电站土壤现场埋置试验过程中发现，与接地网连接的镀锌钢材料在不到1年时间其表面镀锌层就已经被电解腐蚀掉，而未与接地网连接的镀锌钢材料其表面镀锌层却完好。从现场埋置材料试片测定的腐蚀速率结果也可以看出，镀锌钢用作接地网材料时其耐蚀性能较普通碳钢没有多大提高，因此用镀锌钢材料来延长接地网使用寿命意义不大。
4 结论
（1）在土壤腐蚀性较严重的地区，为了延长接地网使用寿命，在设计时往往考虑采用镀锌钢。其防腐蚀的原理是锌的腐蚀电位较普通碳钢的低，在土壤介质中锌优先被腐蚀掉从而保护了普通碳钢，达到延长碳钢使用寿命的目的。在没有电流作用下，镀锌钢的使用寿命的确较长，在变电站土壤现场埋置试验的结论也是如此。但是作为接地材料，由于其要受到接地电流的作用，镀锌钢表面的镀锌层很快就会被电解掉，因而镀锌钢对延长接地网的使用寿命实际作用不大。
（2）根据实验室电化学测试的结果可知，无论是在土壤浸出液中还是在土壤泥浆中，材料CL2的耐蚀性能较其他材料的耐蚀性能好，是普通碳钢耐蚀性能的5~7倍。
（3）经试验测试表明，材料CL1和CL2的耐蚀性能较普通碳钢要强得多，这对于延长变电站接地网的使用寿命，确保接地网安全经济运行具有重大意义。同时考虑材料的经济性及来源等因素，本文推荐用非铜质材料CL2替代普通碳钢用于接地网防腐蚀。参考文献[1] 许崇武，胡学文，彭泉光，等．接地网防蚀研究及应用[R]．武汉：武汉水利电力大学，2000．
[2] 王光雍，王海江，银耀德，等．自然环境的腐蚀与防护[M]．北京：化学工业出版社，1997．
[3] 吴丽蓉，胡学文，许崇武（Wu Lirong，Hu Xuewen，Xu Chongwu）．用EIS快速评估有机涂层防护性能的方法（Methods for eva luating the performance of protective coatings with EIS）[J]．腐蚀科学与防护技术（Corrosion Science and Protection Technology），2000，(3)：182 -184．中国电机工程学报


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