徐 松，杨漫兮，刘 凯，王 凌，查方林，吴俊杰，周 舟，袁新民

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙410007；2.武汉大学，武汉430072）

500 kV变电站接地网腐蚀分析及防护措施

徐 松1，杨漫兮2，刘 凯1，王 凌1，查方林1，吴俊杰1，周 舟1，袁新民1

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙410007；2.武汉大学，武汉430072）

采用现场照片、扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析了某500 kV变电站接地网腐蚀情况，探讨了腐蚀机理，结果表明：地网腐蚀为局部腐蚀，主要原因为1）降阻剂铺设不均匀，造成接地网局部盐浓差腐蚀；2）土壤中存在硫酸盐还原菌促进接地网腐蚀；3）石墨与扁钢之间存在电偶腐蚀，泄漏电流促进了接地网局部腐蚀。并提出了接地网的防腐措施。

接地网腐蚀；降阻剂；电偶腐蚀；硫酸盐还原菌；防腐措施

0 引言

随着我国特高压输变电的发展，电压等级越来越高，接地短路电流不断增大，对变电站接地网的安全可靠性提出了更高的要求[1-6]。由于接地网长期埋在地下，经常因为土壤腐蚀而造成变电站电气设备的“失地”，当发生接地短路故障时，将造成局部电位异常升高，从而威胁人身安全，还可能高压窜入控制室，使监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故，造成一次设备的着火、损坏、变电站全停，甚至发展成严重的系统事故，给国家带来巨大的经济损失和不良的社会影响[7-16]。近日，运行人员在某500 kV变电站进行接地导通试验时，发现一处导通电阻异常升高，挖开土壤检查发现接地网已经腐蚀断裂。笔者对该500 kV变电站接地网腐蚀原因进行了分析，并提出了一些防腐措施。

1 接地网腐蚀检测

1.1 现场挖土检查

现场挖开湖南某500 kV变电站500 kV侧1号主变C相避雷器附近水平接地网，如图1所示：引下线未腐蚀，该处水平地网被黑色降阻剂包裹，部分区域接地扁铁厚度减薄达30%～80%（见图1（a））；部分区域接地网已经腐蚀断裂（见图1（b））；部分区域降阻剂厚薄分布不均匀，且可见降阻剂的包装塑料袋，该区域接地扁铁相对完好（见图1（c））；部分无降阻剂区域接地扁铁腐蚀相对较轻，腐蚀产物呈黑褐色（见图1（d））；一处已经锈蚀断裂的接地扁铁表面腐蚀剧烈，出现向河流一样平行排列的沟槽（见图1（e））。

图1 500 kV侧1号主变高压侧C相避雷器附近接地网腐蚀照片Fig.1 The typical corrosion photograph of the grounding grid in the near phase C surge arresters of the No.1 primary transformer in the region of 500 kV

1.2 变电站改造及降阻剂使用情况

通过查阅资料，该变电站在1995年基建时，曾使用过降阻剂，敷设的位置位于变电站中心地段，和此次腐蚀位置较为吻合，此外该变电站在2010年进行过地网改造，当时的改造方式是对500 kV变电站地网改“川”字型结构为“田”字形结构，改造时，在站内并未采用降阻剂，而在站门口出口处敷设了降阻剂。

1.3 土壤及降阻剂理化分析

通过检测土壤及降阻剂的理化参数，可以判断其腐蚀影响因素，表1为两处土壤和两处降阻剂的理化参数，表2为土壤及降阻剂（1：1）过滤液中阴阳离子含量。

表1 土壤理化参数Table 1 The parameter of the soil around of the grounding grid

从表1和2可看出，土壤含水量为26%左右，呈中性，SO42-含量相对较高，说明可能存在硫酸盐还原菌腐蚀。取不同位置降阻剂，分析结果表明：降阻剂呈碱性，电导率很大，说明吸水性很强；导通实验表明，该降阻剂电子导电性极强；氧化还原电位均约为100 mV，说明容易发生厌氧微生物腐蚀，此外，不同位置的降阻剂电导率以及pH值有差异，说明降阻剂与土壤混合不均匀，从而会导致局部腐蚀。

表2 土壤及降阻剂（1：1）过滤液离子含量Table 2 The filtrate ion concentration of the soil andresistance reducing agent（1∶1） μg/L

1.4 腐蚀产物及降阻剂成分分析

扫描电子显微镜（SEM）可以观察样品表面腐蚀产物形貌，电子能谱（EDS）可以分析腐蚀产物的组成元素，X射线衍射（XRD）可以分析腐蚀产物的物相，测试腐蚀产物的含量。取图1（e）中样品对腐蚀产物进行能谱和X射线分析，图2为腐蚀扁钢横截面和表面扫描电镜及能谱分析，可见腐蚀产物很厚，其主要元素为Fe、O、Si、S等，用X射线进一步分析，发现腐蚀产物的主要成分为SiO2、FeOOH、Fe2O3、Fe3O4、FeS2（见图3）。其中SiO2为土壤成分，其余为腐蚀产物，FeS2的存在说明有硫酸盐还原菌参与了腐蚀过程。图4为降阻剂的X射线物相分析，由图可见，降阻剂主要成分为石墨、CaCO3、KAl2（Si3Al）O10（OH，F）2。表3为降阻剂物相定量分析，由表3可知，石墨含量高达63.2%，考虑到石墨吸附土壤中的离子（Ca，K，Al，Si），且降阻剂呈碱性，可以推断此降阻剂为石墨+钝化剂型物理降阻剂，该降阻剂利用石墨的强导电性和吸水性达到接地降阻的目的。

图2 接地扁钢横截面/表面产物扫描电镜及能谱分析Fig.2 The cross section of grounding flat steel and the SEM，EDS for the surface corrosion products

表3 降阻剂物相定量分析Table 3 The quantitative analysis of the resistance reducing agent

1.5 腐蚀电化学试验

为了进一步研究石墨型降阻剂对接地网材料的腐蚀行为，在实验室进行了电化学实验，以测试样品在4种土壤中的腐蚀速率。实验采用表2中的土壤，进行Tafel极化，电位范围：-200～200 mV，扫描速率为1mV/s。

图3 表面腐蚀产物X射线物相分析Fig.3 The XRD analysis of the surface corrosion products

图4 降阻剂X射线物相分析Fig.4 The XRD analysis of the resistance reducing agent

图5为碳钢材料在土壤和降阻剂饱和液中Tafel曲线和线性极化曲线，表4为图5曲线拟合得到4种溶液中碳钢的腐蚀速率，由腐蚀电化学测试结果可知，碳钢在C（纯降阻剂）和D（降阻剂和土1：1混合）样中的腐蚀速率明显大于A（断路器土壤）和B（变压器土壤）样，尤其在降阻剂中，虽然降阻剂呈碱性，对碳钢有钝化作用，但是钝化电流较大，所以碳钢腐蚀速率仍然高达0.802 mm/a，远超过《接地降阻材料技术条件》（DL/T 380—2010）规范要求扁钢在纯降阻剂中的平均腐蚀速率应在0.03 mm/a。

图5 Tafel曲线和线性极化曲线Fig.5 Tafel curve and linear polarization curve

表4 由图5曲线拟合得到4种溶液中碳钢的腐蚀速率Table 4 Corrosion rate of carbon steel in the four liquid fitting from fig.5

由图1（e）中的沟槽腐蚀形貌特征及石墨自腐蚀电位大于碳钢，推测碳钢和石墨降阻剂存在电偶腐蚀[17]，因此测试了石墨棒与碳钢的电偶腐蚀，结果表明:两者在土壤中的电位差值高达1 089 mV，见图6和表5，碳钢/石墨电偶腐蚀剧烈，理论腐蚀速率高达2.179 mm/a，由于实际降阻剂并非纯石墨，且周围土壤温度，湿度等影响，因此实际腐蚀速率比理论测试值小。

1.6 埋片腐蚀试验

表6为埋片腐蚀速率，实验采用表2中的土壤，两个平行试样，周期为20天。

由表6所示，由于埋片时间较短，腐蚀速率比电化学腐蚀速率低，但趋势一致，即碳钢在纯降阻剂中的腐蚀速率最大，这与电化学实验结果相吻合。从腐蚀20天后的表面形貌可以看出（图7），在土壤中碳钢主要为均匀腐蚀（见图7的A和B），而在纯降阻剂中，局部腐蚀明显（见图7的C和D），说明降阻剂促进了碳钢的局部腐蚀。

图6 电偶腐蚀电流密度随时间变化曲线Fig.6 The curve of current density with time for galvanic corrosion

表5 电偶腐蚀参数Table 5 The parameter of galvanic corrosion

表6 埋片腐蚀速率Table 6 The corrosion rate of grounding sample

2 腐蚀原因分析

从开挖的情况看，该500 kV变电站接地网为严重的局部腐蚀（见图1），实验结果表明腐蚀原因主要有以下几点：

1）降阻剂铺设不均匀（见图1），导致了接地网盐浓度差腐蚀。由于降阻剂具有较强的吸附性，其吸附了大量土壤中的Ca，K，Al，Si离子（见表3），在降阻剂铺设厚实区域，离子浓度高，在降阻剂铺设稀薄区域，离子浓度低，降阻剂厚实区域为阴极，而降阻剂稀薄区域为阳极形成盐浓度差腐蚀电池，导致降阻剂稀薄区域接地扁钢腐蚀，此外由于只有少数区域降阻剂稀薄，大部分区域降阻剂厚实，从而形成大阴极小阳极现象，进一步加速了接地扁钢的电化学腐蚀。对于有塑料袋包裹的降阻剂处地网腐蚀相对较轻微（图1（c）），主要是由于塑料袋隔离了土壤，使得此处地网降阻剂含水量相对较少，氧浓度低（扩散受阻），减缓了地网的腐蚀。

图7 20天后的试片形貌Fig.7 The photograph of the sample for during after 20 days

2）硫酸盐还原菌加速了接地扁钢的腐蚀。证据有：降阻剂氧化还原电位约为100 mV满足硫酸盐还原菌腐蚀发生充分条件（见表1）；土壤中含有较高硫酸根离子（见表2）；接地扁钢腐蚀产物呈黑褐色（见图1（d））；能谱及X射线衍射确认腐蚀产物中含有硫化铁（见图3）；这些证据说明存在较严重的硫酸盐还原菌腐蚀。硫酸盐还原菌和降阻剂联合作用导致了接地扁钢的腐蚀。

3）石墨型降阻剂与接地扁钢形成电偶腐蚀。能谱及X射线衍射分析可知降阻剂主要成分为石墨和碳酸钙（见表3），其离子电导和电子电导率较普通土壤成数量级增加，也将大大加快扁钢的腐蚀速率，只是由于降阻剂呈碱性，对碳钢有钝化作用才降低其电化学腐蚀速率。石墨包裹扁钢，而石墨在土壤中的腐蚀电位远高于扁钢，两者电位差大约为1 089 mV（见表5），从而使得两者形成强电偶对，在合适条件下如形成离子电流或电子电流通路时将由电偶腐蚀主导腐蚀进程。实验表明：在1：1面积比下，纯石墨与扁钢电偶对的引起扁钢电偶腐蚀（见图6），其速率是土壤腐蚀速率的10倍。

4）此次锈蚀断裂地网刚好位于两避雷器中间，不能排除可能存在泄漏电流，加速了扁铁和降阻剂之间的电偶腐蚀，沟槽状的腐蚀形貌也佐证了存在强烈的电流腐蚀（见图1（e））。

3 结论及建议

3.1 结论

文中地网腐蚀为局部腐蚀，主要原因：1）降阻剂铺设不均匀，导致了接地网盐浓度差腐蚀；2）土壤硫酸盐还原菌和石墨+钝化剂型降阻剂联合作用加剧了接地扁钢局部腐蚀；3）石墨与扁钢的电偶腐蚀在泄漏电流作用下快速腐蚀。

3.2 建议

1）加强日常的接地电阻和导通测试，重点检查避雷器以及地势低洼处地网，发现异常应立即挖土检查，更换腐蚀断裂的地网，已经腐蚀的地网降阻剂要全部清除换土。

2）结合停电检修，运行单位应对使用降阻剂的变电站进行全面检查，无一反三，排除隐患；

3）按照DL/T 380-2010要求，加强降阻剂的入网质量抽查，石墨型降阻剂存在电偶腐蚀风险，建议谨慎使用。.

[1]徐松，冯兵，何铁祥.输电杆塔镀锌接地引下线腐蚀分析[J].电瓷避雷器，2014（4）:121-126.XU Song，FENG Bin，HE Tiexiang.The Investigation of the corrosion for the transmission tower galvanized ground⁃ing lead[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）：121-126.

[2]朱志平，马骁，荆玲玲，等.变电站土壤腐蚀性评价及接地网金属腐蚀特性分析[J].电瓷避雷器，2009（4）：18-22.ZHU Zhiping，MA Xiao，JING Lingling，et al.Soil corro⁃sion evaluation of substation and metal corrosion character⁃istics analysis for grounding grid[J].Insulators and Surge Arresters，2009（4）:18-22.

[3]万欣，李景禄.接地装置的腐蚀及防腐蚀措施的研究[J].电瓷避雷器，2006（4）：37-40.WAN Xin，LI Jinglu.Study on corrosion of grounding de⁃vice and anticorrosion measures[J].Insulators and Surge Arresters，2006（4）:37-40.

[4]陈坤汉，杨道武，朱志平，等.接地网在土壤中的腐蚀特性研究[J].电瓷避雷器，2008（4）：39-42.CHEN Kunhan，YANG Daowu，ZHU Zhiping，et al.Cor⁃rosion characteristic of grounding grid in soil[J].Insulators and Surge Arresters，2008（4）:39-42.

[5]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.

[6]彭向阳，王锐，毛先胤，等.输电线路架空地线电能损耗特性测量及仿真[J].广东电力，2016，29（3）：120-126.PENG Xiangyang,WANG Rui,MAO Xianyin，et al.Mea⁃surement and Simulation on Electric Power Loss Character⁃istic of Overhead Ground Wires of Power Transmission Lines[J].Guangdong Electric Power，2016，29（3）：120-126.

[7]周佩朋，王森，李志忠，等.耐蚀性金属接地材料研究综述[J].电力建设，2010，31（8）：50-54.ZHOU Peipeng，WANG Sen，LI Zhizhong，et al.Reviewof corrosion resistant metals for grounding[J].Electric Pow⁃er Construction，2010，31（8）:50-54.

[8]PAPAVINASAM S，ATARD M，ARSENAL B，et al.State of the art of thermal spray coatings for corrosion protection[J].Corrosion Reviews，2008（26）:105-146.

[9]WENG D，JOKIEL P，UEBLEIS A，et al.Corrosion and protection characteristics of Zinc and Manganese phos⁃phate coatings[J].Surface&Coatings Technology，1997，88（1/3）:147-156.

[10]银耀德.全国土壤腐蚀试验网站资料选编，第二集[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[11]魏巍，吴欣强，柯伟，等.接地网材料腐蚀与防护研究现状与进展[J].腐蚀科学与防护技术，2015（27）:273-277.WEI Wei，WU Xinqiang，KE Wei，et al.A review of the investigation of corrosion and protection for grounding materials[J].Corrosion Science and Protection Technolo⁃gy，2015（27）:273-277.

[12]WU Xinqiang，XU Jian，KE Wei，et al.Effects of pH val⁃ue on corrosion behavior of Thermal-Sprayed Al-Si coated Q235 steel in simulated Soil solutions[J].Journal of Materi⁃als Engineering and Performance，2014，23（6）:2265-2273.

[13]WEI Wei，WU Xinqiang，KE Wei，et al.Electrochemical corrosion behavior of Thermal-Sprayed stainless Steel-Coated 0235 steel in simulated Soil solutions[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2016，25（2）:518-529.

[14]徐松，冯兵，何铁祥，等.几种合金涂层在变电站土壤中的腐蚀行为研究[J].装备环境工程，2015（4）：54-59.XU Song，FENG Bing，HE Tiexiang，et al.Investigation of corrosion behaviors of different alloy coatings in the Soil of transformer substation[J].Equipment Environmental En⁃gineering，2015（4）:54-59.

[15]QIN Yi，SONG Xu，LI Xuzhi，et al.Corrosion characteris⁃tics of grounding grid in resistance-reducing agents[J].Ad⁃vanced Materials Research，2014（888）:947-950.

[16]徐松，冯兵，何铁祥.4种涂层钢在变电站土壤中的腐蚀行为研究[J].湖南电力，2015，36（4）：36-40.XU Song，FENG Bing，HE Tiexiang.Investigation of cor⁃rosion property of four kinds of coating in the transformer substation soil[J].Hunan Electric Power，2015，36（4）:36-40.

[17]章小鸽，邢安庆，徐乃欣.镀锌钢的电偶作用——基本理论和实际应用[J].腐蚀与防护，2007，28（3）：143-146.ZHANG Xiaoge，XING Anqing，XU Naixin.Galvanic ac⁃tion of Zinc coated steel[J].Corrosion and Protection，2007，28（3）:143-146.

Corrosion Investigation and Protection Measures for the 500 kV Substation Grounding Grid

XUSong1，YANGManxi2，LIUKai1，WANGLin1，ZHAFanglin1，WUJunjie1，ZHOUZhou1，YUANXinming1
（1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The corrosion condition of the 500 kV substation grounding grid is investigated by the analysis live photograph，scanning electron microscopy（SEM），electron diffraction spectra（EDS）and X-ray diffraction（XRD）.The result shows that the most severely corrosion is appeared on the local re⁃gion.The local corrosion of the grounding grid，the main reason is，1）the resistance reducing agent laid uniformly，which lead to the salt concentration cell corrosion of grounding grid;2）the existence of sul⁃fate reducing bacteria in soil promoted the corrosion of grounding grid;3）galvanic corrosion of carbon steel/graphite and leakage current facilitated the corrosion of grounding grid.The corresponding protec⁃tion measures are suggested finally.

grounding grid corrosion；resistance reducing agent；galvanic corrosion；sulfate reduc⁃ing bacteria；protection measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.012

2016-11-23

徐松（1981—），男，高级工程师，博士，主要从事电力系统化学、腐蚀与防护技术等工作。

国家电网公司总部科技项目（编号：KG12K16004）；国网湖南省电力公司科技项目（编号：5116AA110005）。