高压变电站接地网的腐蚀防护与监测技术研究进展
2019-07-10 10:41:43 作者:冯南战,李志忠,李亨特,李亚峰,于义亮,李英奇,董泽华 来源:国网陕西省电力公司科技通讯部,国网陕西省电力公司电力科学研究院,武汉科思特仪器股份有限公司,国网陕西省电力公司西安供电公

发变电站是保障国民用电的重要设施和场所,其中发变电站的接地网系统直接关系到发变电站的正常运行和人员设备的安全。高压输变电接地网系统是指多个接地体用接地干线连成的网络,用于满足大量接地设备的接地需要。对于变电站来讲,它能够为变电站内各种电器设备提供公共参考地,在系统发生接地故障时能够起到快速泄放故障电流、改善地网金属导体和场区地表电位的分布,从而能在故障情况下保障一、二次设备和人员的安全。

近年来,随着我国电力容量的增大、输电电压的升高以及交直流干扰源 (直流接地极、电力机车等) 的影响,接地网所用材料在土壤中面临着严重的自然腐蚀甚至交直流强制腐蚀等问题。国内也屡屡发生因地网被腐蚀导致的重大电力运行事故。当地网线某段发生腐蚀后,使得接线材料的电阻增大甚至断裂,增大了接地网的阻抗、降低了泄流能力,给变电站输电线路和设备人员安全造成隐患,特别是地网埋在地下,面积大,直接监测困难,开挖成本高,所以研究对接地网腐蚀状态的评估,在不断电、不开挖的情况下对地网进行腐蚀监测和诊断,是及时发现故障、排除隐患、减少盲目耗费、保障电力系统可靠运行的重要措施。

本文综述了发变电站的接地网的土壤环境腐蚀性评价和面临的腐蚀问题,介绍了常见的防腐方法以及存在的问题,阐述了对接地网的腐蚀状况诊断技术和腐蚀的监测方法,最后对接地网腐蚀防护提出了建议和展望。

1接地网土壤腐蚀现状

1.1 变电站土壤要求

变电站在选址的时候,由于泄流要求,需要土壤的电阻率低于一定数值。土壤的电阻率和多种因素有关,比如土壤性质、含水率、温度、理化性质等,如果土壤电阻率过大,则需加降阻剂、更换土壤或者其他方法降低土壤的电阻率。总的来讲,土壤的电阻率越低,土壤导电性越好,埋地金属发生的腐蚀可能性就越大。

1.2 土壤腐蚀性的评价

为了准确评估各地土壤的腐蚀特性,为接地工程设计、防腐措施的制定提供可靠的依据,一般会对土壤的腐蚀性的指标进行评价,分为单指标法和多指标法。

单指标法一般是直接监测土壤的某项理化性质,比如水含量、电阻率、含盐率等来预测土壤的腐蚀性,这一方法快捷,具有一定的参考性,但是由于指标过于单一,并不能反映实际情况下导致腐蚀的因素随着季节、温度、位置等变化,因此出现误判的现象也很多。

多指标法一般是评价土壤的多个指标,比如美国的ANSI 21.5土壤评价法评估了土壤的电阻率、pH值、氧化还原电位、湿度和硫化物;三指标法评价的是土壤质地、土壤pH值和土壤电阻率;八指标法评价了土壤质地、土壤pH值、土壤电阻率、含盐量、含水量、腐蚀电位、SO42-和Cl-的含量;德国DIN 50929 打分法的评价指标包括土壤类型、电阻率、含水量、pH值、酸碱度、硫化物、中性盐、硫酸盐、地下水情况、土壤的均匀性等。多指标评价在多方面考察土壤的腐蚀性,评价效果也趋于合理,但存在着工作量较大、评价标准不确定和腐蚀关联模糊等问题,从而并不能准确的预测腐蚀的发生,所以需要根据现场实际情况来考量。

1.3 接地网的腐蚀机制

土壤是一种特殊的电解质,接地网金属埋入土壤中会发生腐蚀。由于土壤颗粒、水含量、盐分和土壤颗粒间隙空气的不均匀性,接地网的金属表面会出现明显的电位差,在土壤中构成回路形成阴阳极区发生电化学腐蚀,电化学腐蚀是土壤腐蚀的主要形式。

电化学腐蚀主要分为微电池腐蚀和宏电池腐蚀。微电池腐蚀是因为接地金属的化学成分不均匀导致,接地金属一般为扁钢,含有Fe3C、MnS等多种金属夹杂物,会形成微阴极区加速腐蚀。接地金属的机械形状和内应力的不均匀也会导致接地金属形成腐蚀微电池。接地金属的氧化膜形成的不完整性也能在一定程度上造成膜孔处与完整处的腐蚀反应差异,加速腐蚀的发生。微电池腐蚀对接地网腐蚀的影响较小。宏电池腐蚀是土壤中金属发生电化学腐蚀的主要原因,由于土壤的结构不均一性,土壤中的氧含量和水含量会出现明显的差异,对应的不同部位的接地网金属的电位会发生明显的区别,比如:在含氧量高的地方电位较高而缺氧区电位较低,形成的氧浓差电池导致缺氧区的金属加速腐蚀。土壤的不均一性中,盐浓度的差异、酸浓度的差异也都是导致金属材料在土壤中由于电位不一样形成电偶电池、发生腐蚀的原因。

由于土壤中含有大量的微生物,微生物代谢活动会改变土壤的氧浓度、pH值和盐浓度,有些细菌 (如硫酸盐还原菌,SRB) 能直接参与金属的氧化反应来影响金属的腐蚀过程。由于接地网导入地面电气装置的过载电流,以及附近埋入的电缆或者地铁线路经过等,会导致土壤中存在杂散电流,杂散电流会导致埋地金属两极形成较大的电位差,形成阳极区加速腐蚀。另外,位于大气与土壤交界处的接地引线也容易引起和发生腐蚀,主要是空气和土壤含氧量明显不同,形成了氧浓差电池。

1.4 我国变电站接地网腐蚀面临问题

在建国初期,由于我国铜储量有限和国外封锁,电力系统开始主要采用钢材作为接地材料。以江苏电网为例,80年代以前,接地材料主要采用未经防腐处理的钢材。随着时间的推移,接地钢材使用量越来越大,积累了大量的数据,也面临着较为严重的腐蚀问题。90年代后要求采用热浸锌方法处理的钢接地材料。进入21世纪后,东部发达地区开始采用纯铜的接地网和镀铜钢接地网,取得了较好的效果。

由于接地材料的选择和服役年限的推进,我国的变电站接地网面临严重的腐蚀问题。腐蚀对接地网的危害主要体现在两个方面,腐蚀形成断点和接地网导体表面形成导电性差的氧化膜覆盖层。接地网导体的有效截面积随着腐蚀的程度减小,不能满足热稳定性和动稳定性的要求,当短接电流或雷电电流经过电网时,会引发热效应破坏地网拓扑结构,电流不能及时泄流也会造成设备的损坏,并威胁人员的安全。以广东省和陕西省为例,运行10 a以上的变电所中,开挖检查的61个接地网均有不同程度的腐蚀,其中惠阳变电站和东墩变电站的接地网扁钢被腐蚀掉70%以上,大多数变电站的接地网出现多处断裂。湖北电网开挖调查了20个变电站的地网,调查发现腐蚀部位主要集中在接地网引下线部分,主地网出现了不同程度的腐蚀现象。佛山一座220KV变电站的地网运行调查显示该站接地网腐蚀严重,平均腐蚀率为18%,已经造成了接地阻抗、跨步电压和接触电压都偏高,对设备运行、维护和人员安全都存在较大的隐患。

据不完全统计,我国每年电网运行事故30%是因为网缺陷和接触不良导致的,我国发生过多次因为接地网故障引起的电力系统故障,造成了巨大的经济损失。2005年广西玉林某变电站因接地网线断开,导致一条线路烧毁,全站停电;1991年四川华莹发电厂因接地不良,导致变电器、发电机都严重烧毁。因接地腐蚀导致的事故并不少见,已经引起了电力部门的重视。

2 接地腐蚀防护措施及存在的问题

接地网防腐蚀方法一般有两种,一种是改变腐蚀环境,降低环境的腐蚀性,另一种就是增加材料的耐腐蚀性能或采用一些方法来保护金属。对于地网来讲,土壤的环境是确定的,比较难改变,加上接地网本身对土壤的电阻率有一定的要求,所以主要采用增加地网材料本身的耐蚀性这一方法。

2.1 材质的选择

我国目前普遍采用镀锌钢作为变电站的防腐接地材料,相对于碳钢,锌层能对碳钢层起到隔离作用和阴极保护作用,该方法能在一定程度上延长接地网的使用寿命。国外一般采用的是铜或者不锈钢作为接地网材料,取得了较好的效果,特别是Cu的腐蚀速率仅为钢和Zn的1/8,还具有更好的导电性能和导热性能,但是纯铜的造价较高,一次投入比较大,而且在酸性环境下耐蚀性一般,还会造成土壤铜离子污染等问题。除了以上几种材料外,目前也出现了一些新型的接地网材料,比如铜镀钢、铜铸钢等;这些材料的耐蚀性和Cu接近,具有更好的抗拉强度,初期投入小于纯铜,后期维护也便宜,这能解决Cu资源短缺的问题。我国部分地区已经开始采用这一材质,但还需要从更多的角度来论证这一材料能否满足我国接地网所需的机械、电气和耐蚀性方面的要求。

2.2 降阻剂

基于接地网对土壤的导电性有较高的要求,在一些地区由于土壤电阻过高,需要使用降阻剂,但降阻剂往往会加速接地金属的腐蚀,所以兼顾防腐和降阻的新型降阻剂成为了研究方向。降阻剂分为物理降阻和化学降阻剂,化学降阻剂一般以电解质为导电主体,不可避免的会对金属造成腐蚀,而且在干旱地区或多雨地区由于其电解质特性具有难以克服的弱点,容易脱水造成电导率下降或者随雨水流失,所以单一的化学降阻剂正在被淘汰。物理降阻剂是以非电解质的固体粉末为导电材料,并添加强碱弱酸盐形成凝胶物,能极大地减轻金属的腐蚀。物理降阻剂导电性不受酸碱、温湿度等的影响,稳定性好,特别是以吸水性好、粘结性强、稳定性高的膨润土再添加一定的防腐剂和导电颗粒,成为了降阻剂研究的主要方向。

2.3 阴极保护法

阴极保护是工程上常用的金属防腐方法,分为牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极法是利用电位较负的辅助阳极和被保护的地网进行连接,电位较负的金属先发生腐蚀,保护了地网。外加电流法是采用外部电源提供电流,对被保护的金属进行阴极极化,减缓了被保护金属的腐蚀。对于接地网,外加电流法需要提供电源、人为监视,而地网的结构复杂和大量的地上钢结构相连接,一定程度上限制了对接地网采用外加电流阴极保护法。一般变电站接地网都采用的是牺牲阳极法进行保护,将牺牲阳极与接地网连接一起,既能起到阴极保护的作用,又降低了接地体的电阻,而且更利于工频电流和雷电流的扩散,消除杂散电流的危害,具有很好的效果。

2.4 防腐导电涂料

导电涂料是一种既能起到导电、又能够隔离金属和腐蚀介质的新型涂料,施工简单,不影响地网的泄流能力,是一种有效的地网防腐方法。导电涂料分为本征导电涂料和添加型导电涂料,本征导电涂料是以导电高分子如聚苯胺、聚吡咯等基本成膜物质制备而成,添加型导电涂料是以导电填料加入到高聚物中,使涂料具有导电性能,常见的导电填料主要有碳系填料、金属填料、金属氧化物填料和纳米导电填料。防腐涂料的防腐蚀机理主要是屏蔽作用,隔绝金属和土壤的接触,从而起到保护的作用。这类导电涂料目前实验研究上具有很好的耐蚀效果,施工简单易行,但是存在对旧的接地网修复困难、表面处理要求高、成本较高以及易出现破损反而加重局部腐蚀等问题。导电涂料目前在大型接地工程上应用并不多,但被认为将来会在接地网防腐系统中得到广泛的应用。

接地网的防腐蚀方法还有增加横截面积、土壤中加缓蚀剂等方法,一般变电站都采用两种甚至多种的防腐蚀方法结合来对接地网进行保护,但也很难做到一次施工,永久有效。随着电网体制的改革,对发电供电的可靠性要求越来越高,对接地网防腐也提出了更高的要求。采用多种防腐方法协同作用、寻找更便宜、有效的材料和简单易行施工方法是目前发展的方向。

3 接地网腐蚀诊断和监测方法

接地网埋在地下,发生腐蚀具有极强的隐蔽性和危害性。尽管采取了诸多的防腐措施,但对地网腐蚀状况的监测和诊断是不可或缺的。腐蚀诊断是对现有的接地网进行分析和判断,不仅能得知地网的断点和腐蚀信息,还能得到地网其他特性参数信息。腐蚀监测是指对地网腐蚀速率进行监测,判断地网的腐蚀程度和腐蚀状态的变化。通过监测和诊断可以有效地避免地网盲目开挖,为接地网的腐蚀防护也能提供有效的指导。

随着计算机技术的发展和算法的进步,各种算法被应用于接地网的故障诊断中,主要是把接地网的导线简化成电阻网络的模型,通过施加电流或电位信号,对接地网的响应信号进行分析,通过信号的变化去判断接地网的腐蚀状况和其他参数特性。

3.1 电网络测量分析法

电阻分析法是通过电位注入,测量地网结构各支路的电阻变化量,一般是利用已知的接地网拓扑结构,结合接地网腐蚀诊断基础理论对地网的运行参数进行测量,可以求解腐蚀诊断方程,通过各支路中的电阻量的变化来对断路和腐蚀的位置做出判断[57]。这一方法需要得知地网的拓扑结构,并需要检测多个接线端的电阻,目前虽然在数值模拟算法和接地端电阻检测口的数量上进行了大量的改进,但是对未知拓扑结构、几何性质复杂、规模面积过大的地网诊断的应用存在局限性,而且在接线端口布线测量施工比较麻烦,需要多次测量以及数据分析仿真需要专业的人士进行,限制了这一方法的应用。

3.2 电磁场分析法

电磁场分析法诊断接地网腐蚀的原理是基于电磁感应理论,向接地网直接注入异频的正弦波激励电流,再利用探测线圈检测激励电流在地表激发的电磁感应强度,依据电磁感应强度的分布诊断接地网格导体的腐蚀状态。该方法可以解决不知道拓扑结构的地网腐蚀诊断,但也面临着变电站现场存在复杂的电磁干扰、变电站内设备结构和钢筋构架影响地面磁场测量等问题,该方法在实际环境中也得到了一些运用,取得了一定的进展。

3.3 电化学监测法

电化学监测技术是利用电化学原理对接地网的腐蚀速率进行监测,原理是直接测量接地网的电化学特性,再转换成腐蚀速率来进行判断。主要方法有线性极化法、交流阻抗法、恒电位阶跃、恒电流阶跃等。电化学方法一般采用内置参比电极和对电极的圆盘型或者柱状探头。将电化学探头固定在接地网表面,以接地网为工作电极,以引上线为电连接点,对被监测位置的接地网材料施加线性变化电位信号,根据极化原理——极化电流随极化过电位呈线性变化的关系来计算出极化电阻。交流阻抗法则是通过给接地网施加正弦波电位扰动,通过测量正弦波电流响应信号,并借助相关积分算法,来计算接地网的极化电阻和腐蚀速率。该方法需要考虑土壤中杂散电流对传感器的敏感性和有效性的干扰强度。考虑到接地网环境复杂、电磁干扰大,对电极系统和测量电路的响应信号处理有较高的要求。此外,由于接地网面积巨大,而电化学极化中的对电极往往面积不能太大,这样会导致来自对电极的极化电流在地网表面分布的不均匀,地网真实极化面积受土壤电阻率和地网埋设深度而大幅改变,这就极大地降低了腐蚀速率的测量精度。要提高地网腐蚀速率测量精度,必须采用电流约束方法限制极化电流的分布范围。韩磊等开发的现场便携式快速检测系统采用小孔限流探头在一定程度上解决了该问题,在一些电厂和变电站检测取得了较好的应用效果。王天元等在山西某变电站腐蚀监测工程中,采用护环电极电流约束技术,配合电化学阻抗在线监测系统,使地网的极化面积控制在对电极投影面下,实现了接地网腐蚀速率的非接触测量,该系统采用无线数据收发器,实现了接地网腐蚀速率的实时远程监控。电化学方法虽然诊断灵敏、准确度高,还能直接反映接地网的腐蚀速率变化,但也存在着不能诊断局部断点等问题。

3.4 其他监测方法

其他监测方法主要有挂片法和电阻探针法。挂片法是将与接地网同材质的材料埋于接地网附近,一定时间后挖出,通过挂片的腐蚀情况来判断地网的腐蚀状态。这一方法能减少盲目开挖,并能在一定程度上反映接地网腐蚀情况,但存在土壤的环境可能与地网参数不完全一致、挂片无电流通过等情况,并不能完全地指示接地网的腐蚀情况。电阻探针法[74]是利用金属试片发生腐蚀后,会因导电面的减薄导致电阻增大这一特性来监测腐蚀速率的变化,但是该方法不能直接监测接地网络的腐蚀,只能通过土壤的腐蚀性来推测接地网的腐蚀情况。

4 总结及展望

接地网是发变电站安全运行的基础,随着现代大电网向超高压、大容量和远距离发展,电力系统的安全稳定及经济运行的要求也越来越高。由于运行时间较长、土壤环境复杂、地网材料限制,我国发变电站的地网面临的腐蚀问题也日益严重,对接地网的土壤腐蚀问题也日益关注。因此需要研究接地金属材料在土壤中的腐蚀过程和机理,对已有的发变电站的土壤腐蚀性进行调查、并对服役时间较长的接地网进行可靠性诊断和腐蚀监测,及时发现和更换腐蚀严重的接地网区域段;对新规划的发变电站,合理的选用材料和制定多种防腐措施协同作用,同时配套相应的腐蚀监测设备,对地网腐蚀以及安全状态进行全面地在线监测,是保障安全供电、减少电力事故的关键。

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