1 接地网的电化学腐蚀形式



　　(1) 点腐蚀。构成接地网的碳钢可以看作是由碳微粒和铁微粒构成的无数个微小原电池。在潮湿的土壤环境中，接地网碳钢发生微观原电池腐蚀，这种电化学腐蚀是接地网发生点腐蚀的主要原因。

　　(2) 宏观腐蚀。在低电阻率土壤环境中，整个接地网与土壤存在电势差而形成腐蚀原电池，接地网的电势比土壤低而被腐蚀。在盐碱地区或使用降阻剂的地方，这种宏观原电池腐蚀尤其严重。

　　(3) 局部腐蚀。当接地网各部位所处的电解质浓度有差异（即土壤电阻率不同）或氧气浓度有差异时，接地网各部位也会产生电势差而形成腐蚀原电池。局部原电池腐蚀是接地网发生断裂的主要原因。

　　(4) 电解腐蚀。电气火车、城市电车，以及高压直流输电都是以大地为回路，附近的交流接地网会在直流电流的作用下发生严重的电解腐蚀。

　　(5) 微弱的交流腐蚀。交流电流通过地网时，会导致地网发生微弱的电解腐蚀，且频率越低，电解腐蚀越严重，超低频谐波电流加速地网腐蚀。   

2 接地网的电化学腐蚀因素



2.1 土壤的腐蚀环境特点

　　土壤腐蚀环境与大气腐蚀环境和水腐蚀环境不同。土壤是由固相、液相和气相这三相组成的不均匀多相体，腐蚀因素复杂。由于接地网在土壤中的腐蚀是电化学腐蚀，因此凡能形成腐蚀原电池的土壤理化指标均为接地网腐蚀因素，它们分别是土壤电阻率、含水量、含氧量和微生物等。

2.2 接地网腐蚀与土壤电阻率的关系

　　土壤电阻率是表征土壤导电性的指标。在防腐工程中，它是判断土壤腐蚀性的基本参数。英国曼彻斯特腐蚀中心提供的一份研究报告表明，土壤电阻率越低，腐蚀性越强。土壤电阻率与土壤腐蚀性的关系如表1所示。

表1 土壤电阻率与土壤腐蚀性的关系


土壤电阻率/Ω·cm^-1
土壤腐蚀性

＜9
极强   

9～23
强    

23～50
中等   

50～100
弱    

＞100
很弱   

2.3 接地网腐蚀与土壤含水量的关系

　　接地网的腐蚀速率随着土壤的湿度增加而变大，当土壤的湿度超过临界湿度后，接地网的腐蚀速率反而变小。土壤含水量与土壤腐蚀性的关系如表2所示。

　　因此，变电站常常建在海滨、江滩、潮湿低凹处。如果条件有限，变电站只能建在干燥的高地，那么在埋设地网时，常用膨润土、强电解质和水构成的“降阻剂”数十吨置换干燥的、不保水的、电阻率较大的沙石土，以满足接地网接地电阻的设计要求。不论是潮湿的地质还是用“降阻剂”改良的土质，接地网都会遭受到严重的电化学腐蚀。

表2 土壤含水量与土壤腐蚀性的关系 



土壤含水量/%
土壤含水量特征
土壤腐蚀性

  0
  土壤不含水
  土壤无腐蚀性

  10～12
  土壤含水量接近临界值
  土壤腐蚀性递增

  12～25
  土壤含水量保持临界值
  土壤腐蚀性最大

  25～40
  土壤有不连续水层
  土壤腐蚀性递减

  ＞40
  土壤有连续水层
  较低的恒定腐蚀速率

2.4 接地网腐蚀与土壤含氧量的关系

　　接地网发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。土壤含氧量由以下2个因素决定：①土壤的松密度；②土壤所含的地表水和地下水的交换量。密实的土壤含氧量少，接地网的腐蚀速率小。在接地网施工回填土方时，一定要把回填土夯实，就是这个道理。

2.5 接地网腐蚀与土壤微生物的关系

　　如果在不透气的土壤里有厌氧微生物活动，接地网将发生微生物腐蚀。土壤中厌氧微生物的新陈代谢产物可改变土壤的氧浓度、电解质浓度和土壤pH值，能促进电化学腐蚀的阴极去极化过程而加速接地网腐蚀。经研究发现，厌氧微生物不能在青膏泥、白膏泥和木炭里生存。

3 我国接地网防腐措施及其效果分析



3.1 热镀锌和加大截面

　　接地装置施工及验收规范GB 50169—1992中规定：大中型发电厂、110kV及以上变电站或腐蚀性较强场所的接地装置应采用热镀锌钢材，或适当加大截面。由于锌的标准还原电极电势（－0.7630V）比铁的标准还原电极电势（－0.0360V）低，在锌和铁构成的腐蚀原电池中，锌作为牺牲阳极保护了接地网。由于镀锌层的厚度极其有限，因此接地网运行的寿命也有限。前文叙及，碳钢在低电阻率土壤中发生腐蚀的速率很大，即使成倍增大扁钢截面积，接地网寿命也不可能成倍增加。因此，热镀锌和加大截面的效果不尽人意。

3.2 导电水泥

　　有观点认为导电水泥可作“永久性接地网”，缺乏理论依据。水泥不防水是众所周知的，因而接地网的电化学腐蚀依然存在。一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击，被水泥固定的扁钢会被强大的热应力击断。

3.3 牺牲阳极保护地网

　　根据牺牲阳极的发电量和碳钢在特定土壤腐蚀环境中的最佳保护电流密度，可方便地计算出接地网被保护的年限。该工艺广泛应用于石油管道、钢桩码头和大坝闸门等重要防腐工程。其缺点是电流密度的在线监测难度较大。保护电流密度太小，接地网腐蚀依然存在；保护电流密度太大（即所谓过保护），接地网在过电流作用下将发生电解腐蚀。其他阴极保护法存在同样的问题。

3.4 防腐导电涂料

　　防腐导电涂料用于接地网防腐已有十余年的运行经验，它具有设计简单和施工方便等特点。国内用于接地网防腐的涂料，按导电添加剂分类有镍粉型、石墨型和纳米碳型等3种类型。采用防腐导电涂料简便易行，但对斜料的导电性、防腐性和热稳定性要求较高。

4 JR纳米碳防腐导电涂料的制备、性能及应用

4.1 JR纳米碳防腐导电涂料的制备

　　在氮气保护下，烃类气体与氢气发生氧化还原反应，得到导电性很好的纳米碳和微米碳混合物。该混合物在静电场中被极化，并在电场力的作用下发生电泳。粒径越小，极化程度越大，其电泳速度也就越快，从而达到分级目的。用JEM-100CXⅡ透射电子显微镜可观测到纳米碳的粒径绝大多数在15nm左右，少数在70nm左右。纳米碳与无机-有机高分子材料复配，即得JR纳米碳防腐导电涂料。

4.2 JR纳米碳防腐导电涂料的导电性

　　JR纳米碳防腐导电涂料是在镍粉和石墨粉防腐导电涂料挂网运行经验的基础上，研制的新一代防腐导电涂料。纳米碳作为导电添加剂，比石墨粉和镍粉赋予涂料更好的导电性。镍粉、石墨粉和纳米碳的物质结构与导电性如表3所示。

表3 镍粉、石墨和纳米碳的物质结构与导电性   


导电材料
物质结构
导 电 性

镍粉  
金属晶体
  易氧化，氧化后不导电

石墨粉 
层状晶体
  层间导电，导电有方向性

纳米碳 
纳米结构
  不氧化，导电无方向性

4.3 JR纳米碳防腐导电涂料的防腐性

　　当导电材料的粒径Φ＞100nm时，它与成膜物质之间只是一种简单的物理混合，界面分明，补强性和封闭性差；当导电材料的粒径Φ＜100nm时，其表面积很大，表面能也很大，具备纳米材料的共性。此时，纳米导电材料与成膜材料以几乎同一数量级的粒径相互渗透，彼此无明显的界面。纳米涂料封闭功能好，电解质溶液无法渗透到涂层内部。由于采用纳米技术，JR纳米碳防腐导电涂料的防腐性比一般涂料更好。

4.4 JR纳米碳防腐导电涂料的热稳定性

　　JR纳米碳防腐导电涂料的热稳定试验在武汉高压研究所动热稳定实验室进行。在50mm×5mm×1000mm的扁钢上均匀涂刷JR纳米碳防腐导电涂料（涂层长850mm，两端各预留75mm打孔安装），涂层实干后开始试验，并记录了通电（30kA，3s）前后涂层的变化及直流电阻值。通电前涂层的直流电阻为0.15Ω；通电时扁钢被烧红，在第2.3s时扁钢被30kA大电流击断；扁钢冷却后，可观察到涂层未被烧失，测得涂层直流电阻为0.03Ω。在扁钢被烧红的同时，涂层发生了烧结，纳米碳变得更致密，因此，涂层的电阻率变得更小。

　　在中性点直接接地的交流输电系统中，故障时会有数十千安的短路电流经地网入地。热稳定试验说明，一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击时，JR纳米碳防腐导电涂料不会被烧毁。

4.5 JR纳米碳防腐导电涂料的成果鉴定与企业标准

　　JR纳米碳防腐导电涂料经过用户试用后，于2003年6月通过了湖北省科技厅主持的科技成果鉴定。该项成果的鉴定证书号为：鄂科鉴字［2003］第22273130号，成果登记号为：EK030559。该产品的企业标准号为Q/WHRY01-2003，企业标准备案号为QB420111/1417-2003。JR纳米碳防腐导电涂料企业标准如表4所示。

表4 JR纳米碳防腐导电涂料企业标准

（Q/WHRY01-2003）



项 目
指 标

在容器中的状态
搅拌后均匀，无结块

固含量
55～60

表干燥时间/h
≤1  

实干燥时间/h
≤12  

耐冲击强度/cm
不小于50

附着力/级
1

耐盐碱性(10%NaCl)
720h不起泡、不生锈

电阻率/Ω·cm
10^-3

大电流冲击（30kA/3s）
涂层不烧失

4.6 JR纳米碳防腐导电涂料的应用情况



　　JR纳米碳防腐导电涂料项目在完成湖北省科技厅组织的成果鉴定后，陆续在省内外部分电力接地网防腐工程中得到应用。2004年采用JR纳米碳防腐导电涂料的用户单位如表5所示。

　　部分用户单位对涂有JR纳米碳防腐导电涂料的接地网开挖检查，发现涂膜完好、表面接触电阻无变化。JR纳米碳防腐导电涂料的挂网运行年限虽短，但其适用性已开始受到接地网设计专家的关注。

表5 2004年JR纳米碳防腐导电涂料的用户单位


地 网 名 称
地 点
时 间

  丹江铝业110kV四期技改
湖北丹江
2004-01

  大冶兴成110kV变电站
湖北大冶
2004-04

  武钢五氧110kV变电站
武汉武钢
2004-07

  武钢二冷轧110kV变电站
武汉武钢
2004-11

  齐鲁石化电厂煤代油技改项目
山东齐鲁
2004-02

  华泰2×135MW热电项目
山东华泰
2004-12

  戈阳220kV变电站
江西戈阳
2004-07

鄂豫Ⅲ回路500kV线
鄂输变电
2004-03

5 结束语



　　电力系统交流接地网的腐蚀与防护研究关于电力工业安全生产，高电压工作者在这方面做了很多有意义的尝试，并取得了很多有益经验。由于接地网的防腐涉及多学科，因此有必要将地网设计专家、化工防腐专家组织起来，共同研究和制定符合我国国情的交流系统接地网的防腐设计与施工规范。