电力系统接地材料的耐蚀性

黄 涛，丁志锋，朱小龙，蒋 骏，彭诗怡，高 超

（1.国网江苏省电力公司经济技术研究院，江苏 南京210008；2.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072；3.国网江苏省电力公司，江苏 南京210000）

0 前言

接地网对电力系统的安全性具有重要意义。一旦接地网因腐蚀而发生断裂，设备与运行人员都将面临巨大威胁。在很多地区，接地网腐蚀已经成为影响电力系统安全运行的重要因素[1-3]。

近年来，国内外学者对接地材料的腐蚀问题进行了大量的研究。一方面是有关接地网腐蚀机制与接地材料耐腐蚀能力的研究，通过掌握接地材料腐蚀的条件及腐蚀速率的影响因素来抑制腐蚀的发生，延长接地网的寿命[4-8]；另一方面则致力于开发新型接地材料，通过材料本身的改性来提高其耐蚀性[9-11]。本文通过整理相关文献，从腐蚀原理出发，总结了目前国内外防腐接地材料的研究现状，阐述了提高接地材料耐蚀性的方法及应用情况，为易腐蚀地区接地材料的选择及设计提供参考。

1 接地材料的腐蚀机制

传统接地材料为金属材料，其腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀。这两者在实际中往往同时存在。

1.1 化学腐蚀

化学腐蚀是一种自发性的腐蚀，主要原因是金属接地材料的表面与空气、土壤中的非电解质发生了化学反应。化学腐蚀不会产生电流。杆塔引下线在空气中的腐蚀就属于化学腐蚀，如图1所示。

图1 杆塔引下线在空气中的腐蚀

常见的接地材料发生化学腐蚀是由于非电解质（包括O2、OH-、Cl2等）的存在。化学腐蚀后，典型特征是金属表面会附着相应的化合物（如氧化物、氯化物等）。

1.2 电化学腐蚀

电化学腐蚀的原理是原电池原理，腐蚀部分包括阴极区和阳极区。阳极区发生氧化反应失去电子，阴极区发生还原反应得到电子。电化学腐蚀的特征在于腐蚀过程中电子从阳极溢出并向阴极运动，产生电流。图2为电化学腐蚀模型。

图2 电化学腐蚀模型

1.3 其他因素对接地材料腐蚀的影响

除了接地材料本身性能的原因，环境和施工工艺也会对接地网腐蚀产生很大影响。

（1）如果接地网埋深不够，处于含氧量较多的上层土壤中，因接地材料与氧气接触较多，会使金属材料发生吸氧腐蚀。

（2）回填土未按照有关规定采用细土，而是用碎砂石和其他颗粒较大的填充物，使接地网和土壤之间存在较大的间隙，造成接地体与空气接触。

（3）接地引下线和焊接接头等易腐蚀部位没有进行防腐处理，有的接头焊接不合格，容易造成焊接头腐蚀。

（4）特殊的土壤环境也会对金属材料有较大的影响，如在Cl-、SO2-4较多的土壤中腐蚀会明显加剧[12]。

（5）含水量、Cl-的浓度对腐蚀速率的影响存在极点，即随着含水量、Cl-浓度的增加，腐蚀速率增大，但超过某一值后，腐蚀速率反而降低[13]。

2 现有接地防腐材料

2.1 金属接地材料

金属的导电性能良好，是接地网最常用的材料。但大部分金属材料易腐蚀，而耐蚀性较好的铜价格昂贵且伴随重金属污染问题。因此，一些含电镀金属层的合金类金属接地材料被广泛应用于电网中。常见的接地材料有如下几种。

（1）镀锌钢

利用热浸工艺在钢材表面镀一层均匀、有光泽的锌层，形成了镀锌钢材料。镀锌钢因具有优异的耐腐蚀能力而被广泛应用。但实际运行经验表明，热镀锌钢材容易发生点蚀，程度甚至比腐蚀还要严重，正常使用寿命约为7～12 a[14]。

（2）铜覆钢

铜覆钢表面和纯铜表面一样，能产生氧化物，阻止进一步腐蚀。趋肤效应使铜覆钢的电导率比纯钢材的电导率要高，而且其耐热性也比镀锌钢的耐热性要好。铜覆钢的价格高于钢材的价格，但比纯铜的价格要低很多。虽然铜覆钢的点蚀问题比镀锌钢的有所改善，但其表面薄铜层容易破裂，并且一旦破裂会加快内部钢材料的腐蚀速率[15]。此外，铜在碱性土壤中极易发生腐蚀现象。因此，在我国西北地区的荒漠土壤中应特别注意铜材的腐蚀情况。

（3）不锈钢

不锈钢在严重腐蚀的环境下性能依旧稳定，耐蚀性优异，但价格较高，并且土壤中Cl-的含量对其耐蚀性影响很大。

不锈钢包钢材料是在传统钢材表面覆盖一层不锈钢镀层，这种材料结合了不锈钢的耐蚀性和普通碳钢的经济性，成为近期金属接地材料的研究热点。但不锈钢包钢材料的实际运行经验较少，其应用前景与效果依旧有待考证。

（4）其他金属材料

目前各种新式金属合金材料不断涌现，按材料可分为金属合金和稀土合金。例如：铜-铝-稀土合金材料，主要通过添加微量稀土元素细化晶粒，改善材料表面的电负性，稳定保护膜层[16]；锌-镁合金铜材料，采用98%锌和2%镁的合金作为保护层，锌基合金的自腐蚀电位由于镁的加入而正移，自腐蚀电流下降，延缓了锌的腐蚀进程；此外，高磷合金钢、高铬合金钢、高硅稀土合金钢的设计依据也与上述类似，通过细化晶粒，使锈层致密化，或是改变电位，延缓腐蚀，还有抑制微生物腐蚀等[17]。但这些新型合金材料目前均实施较少，其实际效果也有待验证。

2.2 非金属接地材料

即使不断有研究与突破，金属材料的腐蚀问题依旧无法从根源上完全得到解决。正因如此，非金属接地材料的研究也在不断取得进展。

导电涂料主要有镍粉、石墨粉，以及在其基础上发展起来的纳米碳导电涂料。利用纳米碳的高电导率和环氧树脂优异的结合力，从而保证接地网的稳定运行[18]。这些导电涂料或者导电胶体需要在埋入地下前对接地材料进行涂敷，以起到在物理上阻断电化学腐蚀路径的作用，对于已建成的接地网不适用。另外，这种导电防腐胶是否长期有效，也是说法不一。

接地模块是用导电水泥将扁钢等金属接地材料包裹制成的，常见的外形包括圆柱体与立方体。导电水泥在物理上进行隔离，在减少腐蚀的同时降低接地电阻。接地模块在工程中已有不少应用，但一段时间后挖开接地模块发现防腐效果与预期有一定差距，主要原因是水与空气等介质渗透进模块内部造成保护失效。

近年来兴起的柔性石墨复合接地材料具有天然的耐蚀性[19]。此种材料由高纯鳞片石墨（纯度不小于95%）、无机纤维与合成纤维，以及一定配比的水乳型粘合剂制备而成。柔性石墨具有良好的导电性与冲击电流耐受特性，而且石墨的化学性质稳定，在酸、碱、盐等传统金属材料易腐蚀的土壤条件下依旧保持优良的耐蚀性。

3 接地材料防腐技术

3.1 金属材料的防腐技术

目前工程上常用的防腐措施有以下几种。

（1）通过改变接地体自身特性，以延缓腐蚀速率。如加大接地体的横截面积，或者直接采用耐蚀性更好的接地材料等。

（2）采用物理保护方法，主要是在物理上隔绝接地材料与造成腐蚀的非电解质接触。目前应用较多的有导电防腐涂料与导电模块。

（3）采用化学保护方法，也叫作阴极保护法，其依据是原电池原理，包括外加电流法和牺牲阳极法。阴极保护法是目前最有效且应用最多的方法。

（4）使用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂等产品延缓腐蚀。

3.2 非金属材料在防腐技术中的应用

3.2.1 降阻石墨布

降阻石墨布的制备过程为：先将蠕虫石墨（含碳量高于85%）制成蠕虫石墨纸，经热固、辊压得到复合石墨纸，捻合压制得到复合石墨条，最终编织成降阻石墨布。将降阻石墨布包覆接地材料一起施工埋入地下，可起到对接地材料金属接头防腐降阻的作用，如图3所示。

与现有技术相比，降阻石墨布具有如下优点。

（1）采用降阻石墨布代替降阻剂，其降阻效果不会随地下水移动而流失，可保证降阻效果的长久有效，同时还可避免降阻剂导致的环境污染问题。

图3 降阻石墨布的使用

（2）制备工艺简单，成本低廉，适用于规模化应用，对电力系统防雷接地技术领域具有显著的现实意义。

3.2.2 非金属接头

石墨复合接地材料金属接头的腐蚀问题依然存在，耐蚀性强的非金属接头的研制能有效解决这个问题。选择非金属材料应具备以下要求：良好的耐腐蚀性能与抗老化性能；可靠的力学连接强度；尽可能增加石墨复合接地材料的接触面积，减小接触电阻；减小对散流的影响；非金属接头采用夹板、螺杆和螺栓固定。经过材料比较，上下夹板选择高强度环氧树脂材料，螺杆、螺栓选择杜邦特氟龙材料，如图4所示。

图4 非金属接头

4 结论

综上所述，要解决接地体的腐蚀问题，主要有两个方面：一方面是接地材料本身的改性；另一方面，施工工艺及设计是影响接地体寿命的重要因素。需要结合理论与实践，获得更合理的接地网设计与选址的经验，还应当出台统一的接地材料选用标准，用标准指导材料选择，使其更加规范与可操作。除此之外，应该规范施工过程，保证工程质量，尽量杜绝因施工不规范而造成的接地网腐蚀事故。