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| 接地网防腐工程中的阴极保护设计 |
| 接地网防腐工程中的阴极保护设计 杨道武 ,李景禄 ,朱志平
（长沙理工大学，长沙，410077）
摘要：阴极保护是防止接地网腐蚀的有效措施，文章从土壤的腐蚀特性出发，讨论了牺牲阳极、外加电流两种阴极保护方式的设计步骤，结合具体的设计实例，进行计算、讨论。
关键词：接地网、腐蚀、阴极保护、阳极
Cathodic protection design for grounding net anti-corrosion project in transformer substation
Yang daowu , Li jinglu , Zhu zhiping
(Changsha University of Science & technology, Changsha ,410077,China)
Abstract: Cathodic protection is efficiency measure for grounding net ,according to corrosive Speciality of the soil ,this paper discusses design steps for the sacrificial anodes cathodic protection and impressed current cathodic protection, with a particular design example ,the calculation and analysis is given also.
Keywords: grounding net;corrosion; cathodic protection; anode
1. 概述
接地装置是发电厂、变电站、通信站中确保工作接地、防雷接地、保护接地的必备设施。出于经济方面的考虑，接地装置一般采用镀锌碳钢（扁钢、圆钢）组成立体接地网；由于长期处于地下恶劣的运行环境中，土壤带来化学与电化学腐蚀不可避免，同时还要承受巨大的排流与杂散电流腐蚀，接地网的腐蚀是电网系统问题与事故的主要来源之一[1][2]。因此，确保接地网免受腐蚀是电网稳定安全运行的前提，在各种接地网防护措施中，阴极保护是一项科学、可行的方法，尤其对于业已运行的接地网的保护，有其独特的优点。
2. 阴极保护原理
通过对受保护金属设施（如变电站的接地网）进行阴极极化，使之变成一个大阴极，从而防止金属腐蚀（金属只有在阳极状态下才可能腐蚀），此即所谓的阴极保护。阴极保护可通过两种方法实现，一是牺牲阳极法；二是外加电流法。牺牲阳极法简单易行，无须维护，它是在被保护的接地网上连接电位更负、更容易腐蚀的金属或合金（如镁及镁合金阳极、锌合金阳极），靠阳极的腐蚀溶解达到保护阴极（接地网）的目的。外加电流法是利用外加直流电源，将被保护的金属与电源负极连接，使之变成阴极而达到防止金属腐蚀的目的。两种保护方式各有千秋，具体的选择是根据保护电流、土壤电阻率及现场的其他情况决定的，但它们在接地网的保护中都有成功的应用。
3. 土壤的腐蚀特性
土壤是一个由气、液、固三相物质组成的复杂体系，其三相组成随温度、气候、季节等因素的变化而改变，由此导致土壤的电阻率、氧化还原电位、pH值、含水率、透气性等特性改变；同时土壤中伴有一系列微生物的新陈代谢活动，这些都是引起接地网腐蚀的因素。因此，评定土壤的腐蚀性是非常复杂的；作为常用的参考指标，表1给出了用土壤电阻率（W٠m）评定土壤腐蚀性的标准。
表1：土壤电阻率（W٠m）与土壤腐蚀性[3]
腐蚀性
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中国
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前苏联
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英国
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日本
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美国
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极强
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<5
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<9
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|
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强
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<20
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5~10
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9~23
|
<20
|
<20
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中等
|
20~50
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10~20
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23~50
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20~45
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20~45
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弱
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>50
|
20~100
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50~100
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45~60
|
45~60
|
很弱
|
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>100
|
>100
|
>60
|
60~100
|
土壤电阻率是接地网阴极保护设计中的主要考察指标之一，它一般通过交流四极法测得[4]。
土壤的氧化还原电位（一般在-300 mV ~+700 mV之间）也是评定土壤腐蚀性的指标之一，表2给出了土壤氧化还原电位（Eh）与土壤腐蚀性的关系。
表2：土壤氧化还原电位与土壤腐蚀性[3]
Eh,mV,(pH=7.0,对标准氢电极)
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腐蚀性
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<100
|
强
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100~200
|
中
|
200~400
|
弱
|
>400
|
不腐蚀
|
氧化还原电位是反映微生物参与土壤腐蚀的一个参考指标，其值低时，嫌气微生物活动增强，可导致接地网的微生物腐蚀。土壤的氧化还原电位通过甘汞做参比电极、铂电极做工作电极测得[9]。
英国的研究表明[4]：低电阻率（<20W٠m）的土壤具有腐蚀危险性；pH=7时，若氧化还原电位较低（<400 mV，SHE），这种土壤适合硫酸盐还原菌生长，也具有腐蚀危险性。对于这两种判据的边界情况，可以用土壤含水率判断，即含水率超过20%的土壤具有腐蚀性。
另外，土壤中的盐分（尤其是Cl-）、含气量（O2）、微生物类型、有机质、杂散电流等也会对土壤的腐蚀性产生影响。
4 .接地网阴极保护设计要点
4.1 接地网牺牲阳极式阴极保护设计
（1）接地网所在地土壤电阻率的测定
测定不同时间、气候条件下的土壤电阻率，得到电阻率的变化范围。
（2）根据土壤电阻率，决定选用牺牲阳极的类型
土壤电阻率<15W٠m(或20W٠m)时, 选用锌基阳极；土壤电阻率<100W٠m时，选用镁基阳极；土壤电阻率>100W٠m时，除特殊情况采用带状镁阳极外，一般不采用牺牲阳极（即采用外加电流）。表3给出了两种阳极的电化学性能。
表3：镁阳极、锌阳极电化学性能[3]
性能
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单位
|
Mg、Mg-Mn
|
Mg-Al-Zn-Mn
|
Zn、Zn合金
|
密度
|
g/cm3
|
1.74 |
1.77 |
7.14 |
开路电位
|
-V(SHE)
|
1.56 |
1.48 |
1.03 |
理论发生电量
|
A٠h/g
|
2.20 |
2.21 |
0.82 |
土壤中电流效率
|
%
|
40 |
≥50 |
≥65 |
土壤中发生电量
|
A٠h/g
|
0.88 |
1.11 |
0.53 |
土壤中消耗率
|
kg/(A٠a)
|
10.0 |
≤7.92 |
≤17.25 |
（3）确定接地网最小保护电流密度(mA/ m2)：两家实施接地网阴极保护的变电站选择的保护电流密度分别为：25；45；有关资料给出的数值为：10~100；4~40；35。接地网最小保护电流密度应该土壤腐蚀性（土壤电阻率、氧化还原电位）确定，一般在10~50 mA/ m2。
（4）根据接地网所用碳钢的外形尺寸、总长计算受保护的总面积（m2），按选定的保护电流密度计算所需的阴极保护总电流（A）。
（5）确定接地网阴极保护电位：地网的阴极电位至少为-850mV(相对Cu/CuSO4饱和电极)，或者使接地网的自然腐蚀电位负移250-300mV（至少100 mV）。对于牺牲阳极式阴极保护，在保证达到最小保护电流密度前提下，不需考虑过保护问题[10]。
（6）按公式计算阳极接地电阻与输出电流[3]、按阴极保护设计年限（一般为25—30年）计算所需的阳极质量，再根据单个阳极质量计算出需布置的阳极个数。
（7）选择牺牲阳极填包料、确定阳极埋设方式（立式或卧式）
（8）确定阴极保护的测试系统
4.2 接地网外加电流式阴极保护设计
除按接地网保护总电流选择恒电位仪、辅助阳极外，其余基本与3.1同。由于接地网碳钢一般无涂层，不需考虑因达到析氢电位而出现的涂层脱落问题，不过，出于经济性考虑，一般实测保护电位应不小于-1.15V（相对Cu/CuSO4饱和电极）为宜。
5．设计实例
×××变电站接地网采用Φ50×3.5钢管180m，70×7扁钢680m，40×6扁钢520m；变电站所在地土壤为粘土，其电阻率为20~35W٠m，阴极保护设计寿命30年。
5.1 按牺牲阳极方式设计
（1） 因土壤电阻率为20~35W٠m，故选用镁基阳极。
（2） 选定接地网最小保护电流密度25 mA/ m2。
（3） 受保护的总面积为205 m2。
（4） 阴极保护总电流IA为5.125A，考虑变化因素，IA取值5.5A。
（5） 用130×145×545的镁合金阳极（质量为15.2kg），埋设深度0.8m，填料电阻率为15W٠m，牺牲阳极距接地网1.5~.2.0m处水平埋设，阳极与接地网用电缆连接。
a. 单只阳极接地电阻计算[3]
RH=r/(2πL)(ln(2L/D)+ln(L/2t)+ ra/rln(D/d))
式中，r、ra分别为土壤、填包料电阻率，其值为30、15W٠m；
L为阳极长度，其值为0.545m；
D为填包层直径，其值为0.35m；
d为阳极等效直径， d=C/π=0.55/π=0.175
t 为阳极中心至地面距离，其值为0.865m；
由此计算RH=2.87W
b. 单只阳极输出电流计算（忽略回路电阻、阴极过渡电阻）
Ia=△E/R=0.3/2.87=0.105A
c. 保护所需的阳极数量计算
N=f×IA/ Ia=2.0×5.5/0.105=104.76=105支
阳极总质量W=105×15.2=1596kg
d. 阳极工作寿命计算
T=0.85W/（w٠I）=0.85×1596/(7.92×5.5)=31年
（6） 牺牲阳极（与填包料一起）按接地网走向均匀布置，并布置电位监测装置。
（7） 实地检测保护电位，检查保护效果。
5.2 按外加电流方式设计
根据上述阴极保护总电流IA为5.5A的计算结果，选择36V×7.5A的恒电位仪。如果选择YJD流线型高硅铸铁辅助阳极（Φ75×160，5.4kg,0.046 m2）,当辅助阳极工作电流为25A/m2时，所需的辅助阳极数量为：
N=5.5/（0.046×25）=4.78=5支
辅助阳极的工作寿命：T=KG/gI=0.8×5×5.4/（0.1×5.5）=39.27=39年
根据接地网的地理分布情况，埋设5支辅助阳极（与回填料一起）。
6. 结论
（1） 接地网的阴极保护简单可行，对防止接地网的腐蚀、保证接地装置的安全运行意义重大。
（2） 对于已经投入运行的接地网，为防止其进一步腐蚀，最简单的方法就是实施阴极保护。
（3） 对地下钢铁设施实施阴极保护是一项成熟、安全的技术，国内许多接地网的阴极保护技术的成功运用说明了这一点。
参考文献
[1]李景禄. 变电站接地网存在的问题及改进措施[J]. 高电压技术，1995.4. 70-71
[2]李景禄. 实用电力接地技术[M]. 北京，中国电力出版社，2002 . 187-203
[3]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京，化学工业出版社，1999.1，63-121
[4]H.H.尤里克，R.W.瑞维亚（翁永基 译）.腐蚀科学与腐蚀工程导论[M].北京，石油工业出版社，1994.12.220-222
[5]卢刚，耿风慧，丁锐等.变电站接地网的“阴极保护”防腐技术[J].供用电，2001.10. P34-36
[6]许卫东，郭燕容.莱城电厂两台300MW机组接地网的阴极保护防腐设计[J].山东电力技术，2001.6，48-50
[7]火时中.电化学保护[M].北京，化学工业出版社，1988，20-21
[8]米琪，李庆林.管道防腐蚀手册[M]，北京，中国建筑工业出版社，1994，1.176-190
[9]王光雍，王海江，李兴濂.自然环境的腐蚀与防护（大气.海水.土壤）[M]，北京，化学工业出版社，224-307
[10]朱志平.锌基牺牲阳极特性探讨[J]，腐蚀与防护，1995.1，16（1）.31-33
| | | 更新时间：2008-7-24 9:30:43 |  |
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