输电杆塔接地材料土壤腐蚀因素研究

王 欣 王效洪

（1．陕西 西安 710061；2．西安明德理工学院，陕西 西安 710061）

0 引言

输电杆塔的接地装置在实际建设中十分重要，且土壤腐蚀性较为显著，这便对接地材料的防腐能力有了较高的要求。由于我国输变电设施接地材料主要为碳钢，且大多埋设于具有较强腐蚀性的土壤中，因此其腐蚀失效问题较突出，需要每5年～10年进行开挖维护甚至重新安装，检修具有一定的盲目性，频繁开挖会影响电网运行等其他问题。我国地域广阔，不同地区的土壤所造成的对金属的腐蚀大不相同，而我国对接地材料土壤腐蚀的研究开展较晚，研究也较为局限。

考虑土壤中多方面的影响因素，该次研究设计选用常见的接地材料，并根据我国气候地域分布选出的不同土壤环境进行极端条件下的接地材料防腐性能试验，并根据实地考察对比试验与实际施工的差异及不同，从经济、区域多方面分析了接地材料的性能。

1 接地电阻土壤腐蚀简介

接地是通过一部分特殊线路将用电设备与大地相连，当出现故障产生过电流时将电流导入大地中，通常将接地的大地无穷远处定为零电位点。在高压用电输电设备中，如果出现漏电等故障，会造成巨大危险及损失，因此接地装备要求高、作用大，一般为大型地下接地网的形式，且大型电气设备无法像小型家用电器一样方便检修，常常需要大面积开挖更换。输电杆塔接地结构如图1所示。

图1 输电杆塔接地结构图

接地网是将接地材料线路按照规格互相连接铺设在地下一定深度形成一个大型地下接线网，接地网设施安全保护、屏蔽等多种作用。接地网大小不同，使用的材料也多种多样，有的只由一个接地极构成，一般根据实际施工来设计。常见的接地网基本结构如图2所示。

图2 常见的接地网基本结构

电力系统中的主要并且应首要考虑的是安全可靠性，接地装置主要是当有故障过电流等大电流穿过设备时可以及时将电流通过接地装置流入大地，以确保设备及人员的安全，进而以最快速度降低设备的电位差。当外界出现电磁干扰时，接地装置也可以通过外部接地绝缘外壳屏蔽电磁波，对发电机等大型电气装置，接地装置可以以阴极保护的方式利用电化学原理有效减少金属装置腐蚀，接地也在设备停电时提供了泄流通道。

目前接地材料主要为钢芯或铁芯为主要泄流金属导体，这是考虑我国资源所有量进行的总体规范，因铁和钢在我国国情上既满足资源需求又大体做到接地要求。针对外侧的防腐镀层的上镀方法也有很多种，有已经经过正规实验逐渐淘汰的电镀方式，这种较早采用的电镀方式镀层过薄，使用年限短，后续出现的热镀锌其镀层厚度已经是电镀技术所能达到的5倍，但在使用期限上还是比不过后来出现的直接通过包覆方式加设镀层的锌包钢接地材料。此外还有其他一些以石墨为主要组成部分的非金属材料。

土壤是由固体沙土微粒、水分、各种气体、无机物、有机物微生物、游离电子微粒和黏液胶体等各种各样复杂的成分构成的分布不均的多样体系。土壤胶体一般都附着有游离电子，同时也携带有不同种类的阴离子，由于土壤中往往存在或多或少的水分，使土壤这个体系成为一个具有腐蚀能力的多项电解质体系。土壤中金属物质的腐蚀过程是以电化学反应为主，而金属材料在土壤中受到的腐蚀因为影响因素很多而多种多样，这些影响因素主要包括土壤质地、电阻率、无机盐含量、各种阴阳离子、pH值、水分含量、本身的电场环境、有机物微生物等因素的相互反应促进或抑制，因此会造成土壤中金属材料的土壤腐蚀。

土壤腐蚀即埋设在地下的输电线路接地线路因土壤中的电解质而发生极化。土壤腐蚀的影响因素有很多，如土壤本身的质地、疏松紧密程度、空气流通量、导电能力、水分含量，电阻率，水中离子浓度和种类、无机盐含量、pH值、分布的电位、有机物及微生物等。

土壤温度是自然环境下接地材料铺设首要面对的影响因素之一，温度的高低决定了土壤中各种分子、离子的移动扩散速度，进而对其他方面也会产生侧面影响。土壤的电阻率是判断土壤腐蚀性的一个非常重要的标志参数，土壤电阻率越低，金属的腐蚀性也就越强。针对这一影响因素，温度对土壤电阻率的影响很显著，温度每变化1℃，土壤电阻率就会变化2%。而相同的温度降低，电阻率就会升高。

关于湿度对土壤腐蚀影响的研究主要涉及两个方向。第一种方向，水渗透在土壤中使土壤成为一个大型电解质环境，进而造成电化学腐蚀。第二种方向，湿度与土壤的各种物理化学性质复杂且多样，这其中的各种成分反应会进一步对土壤腐蚀产生影响。不过土壤的湿度对土壤腐蚀的影响是存在一个影响最大限度的，随着湿度的增加土壤腐蚀速率不断增大，当湿度达到某一值时，往往是土壤水分达到饱和，接地线路的腐蚀速率便会达到一个最大限度，这时候湿度若进一步增加，腐蚀速率反而会减小。

随着在土壤中埋地时间变长，接地材料表面的氧化物不断增多。因土壤的物质结构极为多样，除上述这几种主要影响因素外，这些因素相互叠加还会有其他各种各样不同的腐蚀效果。例如，温度会影响土壤中生物群的活性和数量，酸碱度和湿度会影响土壤中无机物的分解速度，而湿度又会对土壤中游离离子的数量浓度产生影响，以上这些影响因素就土壤腐蚀来说并不能完全单一划分开来。

接地材料土壤腐蚀最直接的表现即是质量的变化，不同接地材料受到的腐蚀效果和产物虽各有不同，但都能从质量变化上判断其腐蚀程度，称重法便是最直观来观察和计算腐蚀率的方法。因此该文的接地材料土壤腐蚀试验采用称重法计算接地材料的土壤腐蚀速率。

称重法要求按式（1）计算出平均腐蚀率。

式中：为样品平均腐蚀率，mm/a；△为样品质量损失，g；为样品受腐蚀表面积，cm；为样品埋入土壤受到腐蚀的时间，min；为样品材料密度，g/cm。

2 土壤腐蚀试验及数据

该文选取铜包钢、锌包钢以及石墨接地材料三种接地材料进行土壤腐蚀试验。铜包钢样品直径18mm，每段长度为50mm，外层铜镀层厚度为（0.24±0.05）mm的复合材料。锌包钢样品直径18mm，长度为50mm，包覆层厚度为（0.2±0.1）mm的复合材料。石墨柔性接地材料的宽度为42mm，厚度为5mm，每段长度为50mm。样品表面的镀层应无裂痕破损等损坏，截面平整，表面光滑，大小一致。试验前先用乙醇溶液将样品表面污垢进行清洗，待样品完全干燥后用精度为0.1mg的电子分析天平称重记录，用密封蜡将两端界面做防水封闭处理待用。

2.1 酸碱度试验

保持温度为60℃，用盐酸和氯化钠溶液配制使土壤pH值为4.0，用氢氧化钠溶液配制使土壤pH值为10.0，于非金属容器中铺平约35mm～40mm厚度，分别将接地材料铜包钢、锌包钢、石墨样品水平放置在容器内土壤正中间，同样放置位置尽量保持相同，以减少试验偶然性，然后再覆盖35mm～40mm厚度调配好的对应土壤，将土壤表面抹平。土壤腐蚀率计算结果见表1。

表1 酸碱度试验土壤腐蚀率

由试验数据可以发现，不论是在强酸性土壤还是碱性土壤下，柔性石墨接地材料的腐蚀效果自身具有的吸水性使它的土壤腐蚀率计算结果较大，这种吸水性使其自身所含水量要大于本身质量。考虑水溶解离子电子的特点会在一些情况下可能提高土壤腐蚀而造成金属接地部分的局部腐蚀，因此在实际施工中要尤其注意柔性石墨接地线与接地引下线连接处的焊接效果及防腐措施，并要定期检查维修。在铜包钢试验组别中，铜包钢在强酸性土壤中的腐蚀效果要比在强碱性土壤中的腐蚀效果略明显，这是由于在氯离子含量较高的情况下，铜的电偶腐蚀较为明显，因此铜或铜包钢接地材料会出现局部腐蚀。铜包钢在强酸强碱土壤环境中均较为明显，因此不适合在强酸强碱这种土壤中作为接地材料使用。在强碱土壤试验中有一组由于两侧界面没有完全密封好，水浸入后截面钢芯出现了明显的锈迹腐蚀现象，说明了若防腐涂层受损，会对内部钢芯造成较大影响。如在实际施工中，会出现局部部位严重腐蚀甚至断裂。锌包钢因为本身制作工艺的原因会造成表面镀层厚度不均匀，在其生成氧化锌这种主要防腐能效膜衣时，也容易出现破损及不均匀分布的现象，使其防止土壤腐蚀的效果远没有理论预期的好。锌包钢主要的防腐原理除了利用耐腐蚀的氧化锌薄膜外，还有利用活跃的锌形成原电池，作为电化学反应避免钢芯的腐蚀，这种方法并不长久。

2.2 湿度试验

选定湿度较高的地区为范本用蒸馏水配置湿度为30%的土壤，选定湿度较低的地区为范本用蒸馏水配置湿度为10%的土壤，接地材料放置方式与上述酸碱腐蚀试验相同。将容器开口密封包裹，减少水分蒸发，以保持容器内水量恒定。72小时后将样品取出，进行外观检查，用酒精清洗干净后，用电子分析天平称重记录，期间记录样品表面腐蚀效果。土壤腐蚀率计算结果见表2。

表2 湿度试验土壤腐蚀率

从试验结果可知，对锌包钢接地材料而言，湿度为30%时的土壤腐蚀效果大体比湿度为10%时的要明显，说明锌包钢在湿度较大的情况下土壤腐蚀效果要明显一些。而对铜包钢则结果相反，铜包钢在湿度较小的土壤腐蚀效果要更明显一些。这主要是由于两者在原电池中为不同电极，因此在不同含氧区域表现出的腐蚀效果不同。对石墨柔性接地材料来说两种湿度环境的差别都不大。

土壤湿度一般为土壤中水的质量与土壤干重的比值，这是最常用常见的定义，试验提前将所用土壤进行高温烘干后配比蒸馏水，以获得特定湿度的土壤。与试验预估结果一样，由于水是离子及电子溶解的载体，湿度高的土壤的接地材料腐蚀程度明显高于湿度低的土壤的接地材料。湿度高的离子、电子溶解含量高，腐蚀媒介丰富，且会使土壤的电阻率下降，一定情况下会增加雷雨天气下输电杆塔受雷击时被较大电流击穿以及遇到故障被较大短路电流损害的风险，因此湿度较高的南方地区须更加注意接地材料及接地线路的施工维修。

2.3 温度试验

保持温度为120℃及60℃，用盐酸和氯化钠溶液配制使土壤pH值为4.0，将材料放置入对应土壤60分钟后将样品取出，进行外观检查，用酒精清洗干净后，用电子分析天平称重记录，期间记录样品表面腐蚀效果。试验发现铜包钢在60℃时质量变化大体为减少，而到了120℃时反而增重，说明不同温度对铜包钢造成的腐蚀效果并不同。对锌包钢则和预想的结果相似，120℃下的腐蚀程度要比60℃情况下要严重。土壤腐蚀率计算结果见表3。

表3 温度试验土壤腐蚀率

3 结论

该文通过对以上试验数据进行分析，得出如下结论。1） 在强酸强碱试验中，锌包钢的土壤腐蚀率明显高于铜包钢，而其两者各自在酸碱环境中的短期腐蚀效果差别并不明显。其中铜包钢在酸性土壤环境中表现为失重，在碱性环境中表现为增重，而锌包钢在酸碱土壤环境中多表现为增重。2） 在不同湿度土壤腐蚀试验中，铜包钢在高湿度环境下的腐蚀速率要低于低湿度环境下的腐蚀速率，锌包钢则完全相反，分析原因为两者在原电池中为不同电极，使其在不同含氧区域表现出的腐蚀效果不同。3）在不同土质环境试验中，富含有机物微生物的土壤腐蚀率明显大于沙质土壤。说明有机物以及微生物的各种氧化硫化作用对接地材料腐蚀影响显著。

试验结果与预期基本一致，和室内外腐蚀试验得出的结论相同，土壤腐蚀速率表现为碳钢＞锌包钢＞铜包钢。锌包钢接地材料较铜包钢接地材料适用于湿度较小的区域，而接近地表或土壤中水氧含量较高时则不适合采用，同时也要避免埋设在具有南方特点的富有有机物腐质土壤中。锌包钢首要影响因素为锌的活泼属性，其使用年限比铜包钢短。铜包钢由于本身不易腐蚀及原电池反应特性适合场景较多，因此更适合中性土壤环境，在实际施工时要避开周围金属建筑，可作为深埋材料如深埋地下靠近地下水的区域。而在酸性、碱性环境中锌包钢的实用性更加突出。