外加电流阴极保护技术在变电站接地网防腐中的应用研究

2015-05-06张正华贾蕗路

江西电力 2015年5期

刘欣，张正华，裴锋，贾蕗路

（1.国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096；2.国家电投江西电力有限公司景德镇发电厂，江西景德镇333000）

0 引言

外加电流阴极保护是防腐领域最常用的技术之一，在石油、船舶、桥梁等行业已广泛应用，能够抢在腐蚀发生之前杜绝隐患发生，充分证明了其有效性。但是，由于不同行业的专业关注点不同，外加电流阴极保护技术在国内电网中的应用较少。近年来，电网对材料防腐的要求日益提升，本文结合相关科研项目和示范工程，提出了此技术在变电站地网防腐中的应用方法。

1 外加电流阴极保护防腐技术原理

接地网防腐的各种方法从根本上讲都是防止或抑制Fe（扁钢）失去电子。外加电流阴极保护防腐技术的原理如图1所示。整个系统主要由外加直流电源、辅助阳极、参比电极和测试桩组成。接地网与直流电源的负极相连，辅助阳极与正极相连，形成电源-接地网-土壤-辅助阳极回路，从而向接地网供应大量电子，使之阴极极化，抑制腐蚀的发生。参比电极和测试桩用来监测阴保系统的运行参数。由于保护电流由外加电源驱动，所以只要电源的功率达标，就可以保护大面积的接地网，且仅需进行阳极和供电电缆的施工，适合变电站使用。

图1 外加电流阴极保护原理

2 参考标准和适用范围

2.1 参考标准

应用外加电流阴极保护技术可参照以下标准执行：Q/GDW1781-2013、DL/T5394-2007、DL 475-2006、DL/T621-1997、GB/T21246-2007、GB/T21448-2008、SY/T0036-2000、NACERP－0572－85、NACERP－0169－83。

2.2 技术适用范围

根据DL/T 5394-2007、Q/GDW 1781-2013规定和建议，土壤的腐蚀性为强时，接地装置防腐措施应采用阴极保护方法；接地装置面积较小时（如杆塔接地装置）宜采用牺牲阳极阴极保护，接地装置面积较大时（如变电站接地网）宜采用外加电流阴极保护。此外，变电站接地网外加电流阴极保护改造的造价与接地网整体重做的价格大体相当。因此，外加电流阴极保护技术适用于土壤腐蚀性强且接地网腐蚀速度过快的变电站。

2.3 变电站土壤腐蚀性评价方法

在电网生产工作中，运维人员可从接地网腐蚀情况和土壤腐蚀性评价结果两个方面判断变电站是否适合采用此技术。

接地网常年埋在地下，难以直接观察其腐蚀情况。现有的导通测试手段往往只能在接地网已发生断裂的情况下发现问题。根据电化学腐蚀理论，接地引下线埋地部分是整个接地网最容易腐蚀的地方，可从一定程度上反映接地网的腐蚀趋势。变电站运维人员在巡检过程中，可重点查看接地引下线埋地部分的腐蚀情况，适当的扒开表层土壤对引下线进行检查。若发现腐蚀严重的情况，需结合引下线运行年限初步判断其腐蚀速度，若运行年限较短就出现严重腐蚀甚至断裂的情况，则应取变电站土壤样品进行土壤腐蚀性评价。土壤腐蚀性评价可按DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013、DL/T248-2012、SY/T0087.1-2006、SY/T 0087.3-2010进行。若发现土壤腐蚀性评级为强的变电站，且现场腐蚀情况严重，可考虑采用外加电流阴极保护技术对接地网进行防腐改造。

3 设计计算

3.1 资料收集和现场勘查

在变电站外加电流阴极保护设计工作开始之前，应先进行资料收集和现场勘查工作。所需的资料包括但不限于变电站接地网设计图纸、接地网材料规格和用量、变电站现有电缆沟分布情况等；现场勘查需确定变电站土壤电阻率、地面是否可挖电缆沟、变电站接地网外沿是否具有吊车施工的条件、控制室是否可安置阴保恒电位仪控制柜等。

3.2 工程设计计算

外加电流阴极保护系统主要由直流电源（恒电位仪）、辅助阳极、参比电极、监控设备和电缆组成，其设计计算主要包括保护电流、恒电位仪选型、辅助阳极选型、辅助阳极接地电阻估算、辅助阳极井数量设计、辅助阳极井数量、辅助阳极寿命、外加电流方案、监测方案设计等。

3.2.1 保护电流设计

保护电流即为外加电源供给接地网的直流电流，为使接地网得到充分的阴极保护，并指导设备和材料选型，首先要估算保护电流的大小。

依据DL/T 5394-2007，变电站接地网所需保护电流大小为：

其中：

i—保护电流密度，mA/m2（依据DL/T 5394-2007相关经验值，及现场试验情况选取，此值选取有一定难度且非常关键，有时需根据现场试验结果反复修正，建议咨询有经验的设计单位）；

S—保护面积，m2（地网材料总表面积+裕量，注意此值非地网占地面积，而是根据设计图纸和接地材料规格用量估算出的接地网材料总的外表面积）。

3.2.2 恒电位仪选型

依据计算得出的保护电流值，结合恒电位仪的最大输出电流和最大输出电压，可进行恒电位仪选型。此外，恒电位仪宜置于变电站控制室，尺寸应尽量接近原有控制柜的规格以方便安装。常用的恒电位仪技术参数如下：输入电源AC380/50 Hz；最大输出电流DC50 A，最大输出电压60 V；保护电位-0.30～-3.00 V连续可调。当单台恒电位仪功率难以满足需求时，可购置多台恒电位仪并联使用。

3.2.3 辅助阳极选型

根据DL/T 5394-2007、Q/GDW1781-2013的建议，辅助阳极应采用性能稳定、使用寿命长、消耗率低的成熟产品；对于腐蚀性较高的土壤区域，宜采用贵金属氧化物阳极或含铬高硅铸铁阳极。现市场上的阳极多为预组装成套装置，可根据后面的阳极接地电阻估算、阳极数量设计和阳极寿命估算情况综合推敲后选用。

3.2.4 辅助阳极接地电阻估算

由于大多数变电站接地网的接地电阻值较低，因此阳极接地电阻是整个阴保回路中最重要的组成部分，预估单口阳极井的接地电阻可指导阳极和恒电位仪的选型。依据DL/T 5394-2007垂直辅助阳极接地电阻公式，单口阳极井的接地电阻：

其中：

R1—单口阳极井接地电阻，Ω；

ρ—土壤电阻率，现场实测值，Ω·m；

L—阳极长度（含填料），m；

D——阳极直径（含填料），m。

3.2.5 辅助阳极井数量设计

为尽量使阴保电流沿地网均匀分布，辅助阳极井应沿变电站地网四周尽量均匀布置，因此为方便设计调整阳极井数量：

其中：

N—辅助阳极数量；

R1—单口阳极井接地电阻，Ω；

U—恒电位仪最大输出电压，由恒电位仪选型结果而定，V；

I—保护电流设计值，A；

R0——接地网接地电阻，实测值，Ω；

一般而言，阳极井数量在3～4口为宜，当上式计算结果不理想时，可调整辅助阳极或恒电位仪的选型，以得到理想的阳极井数量。

3.2.6 辅助阳极寿命计算

当地网得到充分保护时，扁钢几乎不会发生腐蚀，因此只需考虑辅助阳极的使用寿命即可较大程度的反映整个接地系统的寿命。根据DL/T 5394-2007中公式，阳极寿命：

其中：

T—阳极使用寿命，a；

G—阳极重量，kg；

K—阳极利用系数，取0.7～0.85；

g—阳极消耗率，商品参数或实测值，kg/（A·a）；

IW——单阳极电流，保护电流分摊至单阳极，A。

3.2.7 外加电流方案设计

在司法实践中，一些职务犯罪的被指控人声称在调查阶段受到了各种非法强迫手段，逼取口供。监察机关办理的职务犯罪案件，被调查人处于留置状态时，身处办案场所，缺乏第三方参与，在实践中不能排除受到各种手段逼供的可能性。根据《监察法》的规定，对讯问等取证行为进行全程录音录像，这在客观上使得调查人员在录音录像的情况下取证，可能会对取证行为进行自我约束，从而保障被调查人的权利。此外，录制完成的录音录像保留了可能存在的非法取证行为的视听资料，为被调查人日后权利救济提供了证明。

当确定了恒电位仪、辅助阳极相关参数后，即可设计外加电流的方案，包括保护电流注入点、阳极井布置、电缆布置、恒电位仪安置等。保护电流应尽量均匀的分布在地网上，并重点照顾一次设备区，一般应设3～4个以上，并偏向一次设备区；阳极井应尽量均匀的分布在地网外沿，同时应尽量安置在地下水位较高或潮湿低洼处，且应确保地下无巨石及人工构筑物、地上可进行吊车施工；电缆应尽量利用变电站原有电缆沟布置，新开挖的电缆沟不应影响电网安全运行；恒电位仪宜安装在控制室内。

3.2.8 监测方案设计

变电站外加电流阴极保护监测一般由测试桩和参比电极组成，有条件时可设置远程无线监测装置。测试桩和参比电极的设置数量一般不应少于3个，一般安装于电流注入点附近、阳极中间点附近、重点保护区域等。参比电极可选用Cu/CuSO4电极或极化探头，测试桩应具有测量保护电位、自然电位、保护电流等参数的功能，同时为恒电位仪提供控制信号。此外，有条件时可埋设腐蚀试片对阴保效果进行验证，腐蚀试片材料应与接地网材料相同，试片应分两组，一组与受阴极保护，一组为自然腐蚀状态不受保护，定期开挖对比。

4 工程施工

4.1 工程概况

变电站外加电流阴极保护工程建设包括阳极深井钻建和阳极吊装、恒电位仪安装、测试桩和参比电极安装、电流注入点施工、配套电缆铺设等。整个施工过程不停电，不妨碍电网和现有设备正常运行。施工应严格按照事先确定的施工方案进行，施工人员需经过安全培训才可上岗，施工时须有电力公司负责人在场并执行相关规章制度。

4.2 施工步骤

4.2.1 辅助阳极井钻建和阳极吊装

阳极井钻建施工量占整个工程施工量的大半以上。具体步骤如下：

1）地上、地下障碍物都处理完毕，达到“三通一平”，施工用临时设施准备就绪；

2）按照施工图中选定的井位，现场复查确定后人工开挖1米深坑，确定无地下结构物、管道、电缆后定位开挖；

3）钻孔机就位：利用吊车安装好钻孔机和井架，确保不发生倾斜、位移。

4）钻孔：调整机架挺杆，对好桩位（用对位圈）开动机器钻进、出土，达到控制深度后停钻，提钻。

5）检查成孔质量：①钻探测定：用测深绳或手提灯测量孔深及虚土厚度，虚土厚度不超过10 cm。②孔径控制：钻进遇到有含石块较多的土层，或含水量较大的软、塑粘土层时，必须防止钻杆晃动引起孔径扩大，致使孔壁附着扰动土和孔底增加回落土。

6）井孔土清理：钻到预定的深度后，必需在孔底处进行空转清土，然后停止转动；提钻杆，不得曲转钻杆。

7）吊装阳极体：①将规定量的填料倒入井内作为基底。②将阳极体的电缆打开，吊起第一根阳极体。③吊放阳极体时，要对准孔位吊直扶稳，缓慢下沉，避免碰撞孔壁。④第一根阳极体上端到达井口时，利用悬架固定好，把第一根阳极体的电缆线穿入第二根阳极体中心的PVC管中，起吊第二根阳极体对两根阳极体进行垂直焊接，焊接必须结实焊缝必须平整。⑤当所有阳极体均安上述步骤焊接完成后，将所有电缆穿入外连PVC管中，并把PVC管和阳极体用二通连接牢靠。⑥边吊放阳极体，边加长外连PVC管，直至阳极体放到设计位置，立即固定，确保阳极体的位置正确。⑦用填料将阳极井回填至地平面下约50 cm。

8）移钻机到下一井位：填好井位施工记录，拆除钻架，移走钻机到下一井位。

9）用水泥和预制PVC框架将井口制成检查井，并盖好面板

4.2.2 恒电位仪安装

恒电位仪系统宜置于变电站主控室中，安装步骤如下：开箱就位、单机检查；按产品说明书接线，进行外线电气安装和阴极保护系统调试；调试应严格按照产品说明书进行，注意用电安全；设备内接线应做好标识牌，以备后期检修。

4.2.3 测试桩和参比电极安装

测试桩安装位置不的妨碍其他设备工作，与道路、设备、建筑物保持一定距离。测试桩地下埋设深度不小于0.5 m，安装完成后夯实。测试桩内接线应规整，且留好各参数的测试头，各电缆和测试头应有醒目标识。与测试桩配合工作的参比电极应尽量接近扁钢埋设。

4.2.4 电缆铺设

工程所需电缆铺设尽量利用变电站原有桥架和电缆沟，无法利用时则采取直埋铺设，电缆直埋时均采取穿管保护措施。所有电缆在关键位置均配置标识牌，电缆需排列整齐并留有裕量，防止发生应力破损。