接地网腐蚀情况分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：氧浓差电池是接地网发生宏电池腐蚀的主要形式，除此之外还有盐浓差电池、酸浓差电池和应力腐蚀电池等。缺氧区的电极电位低，而富氧区的电位较高，两者将构成腐蚀宏电池，从而造成缺氧区的接地网金属腐蚀加速。土壤中埋设的接地网，在冷弯变形最大的弯曲部位，由于低的拉应力将导致导体材料破裂，使接地网导体发生严重的腐蚀。

接地网腐蚀是一种较为特殊的土壤腐蚀问题，与常规土壤腐蚀相比，具有两个明显的特征：①接地网材料存在电解腐蚀，而且电解电流值往往较大；②从接地网应该具有的功能来说，对其本身的要求也是一种矛盾的集合体（为了有很好的泄流功能，所用材料必须具有良好的导电功能；而从使用寿命的角度出发，往往希望其与土壤之间具有很好的绝缘功能）。因此，接地网的腐蚀问题要比常规金属材料在土壤中的腐蚀行为更为复杂。

1.影响土壤腐蚀的因素

土壤是一种比较特殊的电解质，由土壤颗粒以及水和存在于土壤颗粒缝隙间的空气组成，其结构和性质具有极大的不均匀性。当金属与不同性质的土壤接触时，金属与土壤截面上就会形成不同的界面电位，金属的不同部位就存在电位差，并通过土壤形成回路，构成腐蚀电池。因此，凡是能影响土壤中金属电位、土壤导电性和极化电阻等各种土壤物理化学性质的因素都直接或间接影响土壤的腐蚀性。影响土壤腐蚀的因素主要有：

（1）土壤的孔隙度　从理论上讲，较大的孔隙度有利于氧的渗透和水分的储存，从而促进腐蚀的发生。但必须考虑的是，在透气性良好的土壤中也更容易生成具有保护能力的腐蚀产物层，阻碍金属的阳极溶解，从而降低腐蚀速率。因此良好的透气性不一定会加速金属的腐蚀。造成这种复杂情况的原因在于氧浓差电池、微生物腐蚀等因素。在氧浓差电池的作用下，透气性差的区域将成为严重的腐蚀区。

（2）土壤的含水量　土壤含水量对钢铁的电极电位、土壤导电性和极化电阻均有一定影响，此外它还将明显影响氧化还原电位、土壤溶液离子的数量和活度及微生物的状态。土壤中的含水量对腐蚀的影响大，虽然水分不直接参与腐蚀的基本过程，但它几乎影响其他所有涉及土壤腐蚀的因素，从而间接影响土壤的腐蚀。一般情况下，当土壤水分未饱和时，含水量越多，金属的腐蚀速度越快；但如果土壤的水分完全饱和时，则金属的腐蚀也难以发生。

（3）土壤的电阻率　土壤电阻率是目前研究最多的一个重要影响因素，它既是土壤导电性能的指标，也是土壤介质导电能力的反映，但它决不能等同于土壤腐蚀性。如果在地下金属腐蚀过程中起主导作用的是宏观腐蚀电池，尤其当腐蚀中的阴阳两极距离相隔较远时，那么此时土壤电阻率起主要作用；如果起主导作用的是微观腐蚀电池，阴极两极处于同一位置，此时两者之间的土壤电阻是完全可以忽略不计的，起主要作用的是另外的影响因素。当然在大多数情况下，土壤的腐蚀性可用土壤的电阻率来衡量，电阻率越小，腐蚀性越强。表6-2显示了土壤电阻率与土壤腐蚀性强度的关系。

表6-2　土壤电阻率与土壤腐蚀性强度的关系

（4）土壤的pH值　在土壤溶液中，氢离子总与土壤的组成成分之间处于一种化学平衡，因此土壤的pH值可用来表示土壤的酸碱性。一般情况下，pH值较低的土壤，将显示较强的腐蚀性，从而引起腐蚀电位升高，腐蚀电流上升，腐蚀速率加快，氢的去极化速度也明显提高。当在某些特殊情况下，如土壤中含有大量有机酸时，其pH值虽然接近中性，但其腐蚀性依然很强。通常情况下，土壤pH值与土壤腐蚀性的对应关系见表6-3。

表6-3　土壤pH值与土壤腐蚀性的对应关系

2.接地网在土壤中的腐蚀机理

接地网埋入土壤中后，受土壤颗粒间存在的空气、水分和盐分等物质的影响，将发生化学或电化学腐蚀反应。腐蚀反应后的产物以锈层形式发展，逐渐成为层状，最终完全脱离接地网。不同土壤的腐蚀性相差很大，但接地网在土壤中的腐蚀一般属于电化学腐蚀，具体包括宏电池腐蚀、微电池腐蚀、杂散电流腐蚀及微生物腐蚀。

（1）宏电池腐蚀　在实际的生产中，人们虽然可以采取有效措施来防止几种电位不同的金属接触形成宏电池（电偶腐蚀），但由于土壤性质的差异，人们很难控制土壤不同部分及深度的氧浓度或其他成分的浓度差，而这种差异性直接导致浓差宏电池的形成。氧浓差电池是接地网发生宏电池腐蚀的主要形式，除此之外还有盐浓差电池、酸浓差电池和应力腐蚀电池等。

1）氧浓差电池。当土壤结构或潮湿程度不同时，土壤介质中的氧含量就会有差别。此时与不同结构或湿度土壤接触的接地网金属，其对应的表面就会建立起不同的氧电极电位。缺氧区的电极电位低，而富氧区的电位较高，两者将构成腐蚀宏电池，从而造成缺氧区的接地网金属腐蚀加速。

2）盐浓差电池。在盐碱地区，由于水盐运行的特点，使盐分在土壤剖面中的分布不均匀，从而造成盐浓度高的那部分接地网金属表面为阳极，而盐浓度低的那部分接地网金属表面为阴极，促进了阳极区的接地网金属腐蚀。

3）酸浓差电池。当接地网处于不同酸度的土壤中时，由于土壤酸度与总酸度的差异而产生的腐蚀电池，此时位于酸度低处的接地网金属表面为阴极，酸度高处的金属表面则为阳极，阳极区的金属腐蚀速度加快。

4）应力腐蚀电池。土壤中埋设的接地网，在冷弯变形最大的弯曲部位，由于低的拉应力将导致导体材料破裂，使接地网导体发生严重的腐蚀。

（2）微电池腐蚀　微电池腐蚀是由于埋地金属材料在组成、结构、物理状态不均匀或表面膜不完整而产生的一种均匀腐蚀。相对于宏电池腐蚀而言，腐蚀电池中阴极两极相距仅数毫米或数微米。这种腐蚀形式对材料的破坏较小，而且也可人为估算金属材料的使用寿命。

产生微电池腐蚀的原因有以下几种：

1）接地网金属化学成分不纯，钢材中除了铁元素以外还存在碳、硅及锰等合金元素和杂质。

2）对金属进行压力加工或其他机械加工时，会不同程度地造成金属各部分显微级的形变及内应力的不均匀性，在土壤电解质溶液中，易形成微电池腐蚀。

3）接地网金属表面的氧化膜存在不完整性，从而在膜孔处与完整处形成电化学性质的差异，形成微电池。

由于微电池腐蚀是一种均匀腐蚀，对材料的破坏较小，而且也可比较准确地估算金属材料的腐蚀速度，并估算出金属材料的使用寿命。

（3）杂散电流引起的腐蚀　杂散电流是指从正常电路漏失而流入其他部位的电流，其大小和方向具有很强的不确定性。杂散电流又可分为直流杂散电流和交流杂散电流。

1）直流杂散电流。直流杂散电流主要来源于应用直流电源的大功率电气设备，如电气化铁路、有轨电车、外加电流阳极保护装置等。直流杂散电流能使接地网金属产生很快的腐蚀，通常比其他环境因素引起的腐蚀更为严重。这种电流流入接地网金属的部位，成为阴极而受到保护，相反电流流出的部位成为阳极而遭到电解腐蚀。

以接地网常用的碳钢为例，在直流杂散电流流出的阳极部位发生铁的阳极溶解反应：

Fe→Fe²⁺+2e

铁在阳极电解腐蚀产生的Fe²⁺与土壤中的OH^-和氧气发生化学反应：

Fe²⁺+2OH^-→Fe（OH）₂

4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂→4Fe（OH）₃

由于以上反应，在阳极区的铁不断被溶解下来，最后变成氢氧化铁，使钢铁逐渐消耗。由电解造成的金属阳极腐蚀可以通过法拉第定律来计算金属的腐蚀量：

G=kIt

式中，G为金属的腐蚀量（g）；I为金属阳极区流出的电流大小（A）；k为金属的电化当量[g/（A·h）]；t为电流流出的持续时间（h）。

铁的电化当量为1.042g/（A·h），可以计算出每安培电流流过阳极时，铁阳极每年的腐蚀量为

G=1.042×1×365×24g=9127.23g

电解常导致接地网中某些部位出现严重腐蚀。

由电解造成的接地网材料的腐蚀，如果还伴随着氧气或氯气的析出，接地网金属的腐蚀还将进一步加剧。此外，阳极析氧反应还会使阳极周围溶液的pH值下降，引起土壤酸化。由于气体和离子在土壤中的扩散受阻，常使得阳极区周围的土壤腐蚀性越来越强。

2）交流杂散电流。交流杂散电流主要来源于工作接地点的接地电流、电气设备故障漏电或地下电缆的漏电等。交流电通过接地网时也会使接地网产生腐蚀，交流腐蚀的机理要比直流腐蚀复杂。但一般认为在同样的电流下，交流腐蚀要比直流小得多。由于大电流通过接地网的时间并不长，所以交流腐蚀通常不予考虑。然而应该注意的是，低频交流电流的腐蚀要比高频交流电流的腐蚀严重。超低频谐波电流会加速接地网的腐蚀，应加以限制。

（4）微生物腐蚀　微生物的生命活动在一定程度上也会间接促使地下金属腐蚀行为的发生，并且这种腐蚀对金属材料的破坏是非常严重的，这种腐蚀行为称为微生物腐蚀。据报道，每年因微生物腐蚀造成的损失大约占金属腐蚀损失的10%。

3.接地网腐蚀的危害

接地网是电力系统电气装置为防止接地短路电流危及人身和设备安全而采取的安全措施，它对雷电、静电和故障电流起着泄流和均压的作用。接地网作为电力系统的交、直流设备及防雷设备保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用，是保证变电站和电网安全运行的重要装置。

长期以来，我国由于资源和经济方面的限制，接地网通常采用普通碳钢材料，即便采用了常规的镀锌处理，仍未能从根本上解决腐蚀问题。据调查，接地网一般在埋设后的10年内腐蚀，快的3～4年就开始腐蚀，这直接影响到接地网的使用寿命和电网的运行安全。

随着电网的不断发展，接地短路电流也随之增大，电力系统接地网中存在的问题逐渐显露，尤其是一些老变电站，当接地网被腐蚀后，或原来就没有满足热稳定要求的，在发生单相接地故障时，往往使地网、设备、控制电缆等受到严重的破坏。近年来，由于接地网的腐蚀或缺陷造成系统停运、设备损坏的案例时有发生。

由于接地网的腐蚀和缺陷，使得接地网已经成为影响电力系统安全运行的重大隐患，同时也造成了大量的资源、人力和财力的消耗和浪费。目前变电站接地网的运行故障主要表现为接地网和接地体受到不同程度的腐蚀，部分接地体变脆、起层、松散甚至断裂，不能满足热稳定要求，以至变电站发生短路事故时高压窜入二次回路造成事故扩大。

接地网腐蚀情况分析

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