吴运策等

摘要 在雷电防护中，接地相当重要，接地装置的优劣直接决定了防雷装置的避雷效果。若接地处理不好，其他的技术措施就失去了支持。本文通过对土壤中的接地装置腐蚀机理、腐蚀类型以及影响接地体腐蚀因素的探讨，提出加大接地截面和对接地极表面镀锌法、采用铜及其他耐腐蚀的金属作接地材料法、采用降阻防腐法、在接地极表面采用复合多重的防腐材料法、采用“牺牲阳极、阴极保护”法以及调节土壤的酸碱度、含盐量、换土等多种防腐措施，以减少土壤对接地装置的腐蚀。

关键词 土壤；接地装置；防腐

中图分类号 TM863 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）14-0194-02

Study on Corrosion Prevention Measures for Lightning Earth-termination System in the Soil

WU Yun-ce 1 LIU Yue-yu 1 LUO Huan-juan 2 ZHANG Yi 1

（1 Lightning Protection Center of Hunan Province，Changsha Hunan 410007； 2 Hunan Provincial Bureau of Meteorology）

Abstract Lightning earth-termination system plays an important role in lightning protection technologies，it decides the protection effectiveness of lightning protection system. If grounding is not properly handled，the other lightning protections has already lost its original effectiveness. In this paper，by analyzing the corrosion mechanism，corrosion forms and corrosion influencing factors of lightning earth-termination system，different corrosion prevention measures were proposed，such as increasing interface of the earth electrode，plating of earth electrode could be zinc，using the corrosion-resistant metals as the earth electrode such as copper，using the corrosion resistance reduction agent，using the method of cathodic protection of sacrificial anode，changing soil，and adjusting the pH and salinity of soil，which meant to reduce the corrosive action on lightning earth-termination system by the soil.

Key words soil；lightning earth-termination system；corrosion prevention

目前，接地已成为保障电力系统、建筑设施等安全运行和人身安全的重要措施。接闪器、引下线、电涌保护器只有通过良好的接地装置才能将强大的雷电流迅速泄放入地[1-3]。但是接地装置易受土壤腐蚀，翻修改造难度大，费用高，因此研究接地装置在土壤中的腐蚀机理和防护方法，是雷电防护工程亟需解决的课题。

1 土壤中接地装置腐蚀后的危害

现阶段，我国用于接地的材料主要为碳钢材料。雷电防护系统中，接地装置一是要满足一定雷电流下的热稳定和动稳定。二是雷电流入地瞬间，地电位要限制在允许的范围内。三是接地装置电位均衡。接地装置发生腐蚀后，接地碳钢材料受损，表层的腐蚀产物造成接地性能不良，无法满足泄流时对热、动稳定的要求，雷电冲击电流流经地网时，可使地网断裂，并且因为接地装置受到腐蚀后跨步电压增大，危及人身安全。此外，由于防雷的接地装置大多与设备、电源接地共用，接地装置上过大的压降，以过电压的形式侵入电源系统，对设备造成反击，引起事故[4]。

2 土壤中的接地装置腐蚀机理

金属在土壤中的腐蚀，其实就是电化学腐蚀。土壤中含有盐或其他物质的水——电解质溶液，当金属埋在土壤中时，其表面将发生原电池作用而被腐蚀。碳钢接地体在酸性土壤中的吸氢腐蚀见图1，碳钢接地体在中性或碱性溶液中的吸氧腐蚀见图2。由电极反应可以看出，铁不断把电子传导给碳，并将正离子投入电解质溶液，铁即溶解，遭受腐蚀；同时，碳仅起传递电子的作用，使其周围发生吸氢腐蚀或吸氧腐蚀而碳本身没有变化。因此，化学成分不纯、结构不均匀或状态不均匀材料是造成接地体被腐蚀的主要原因；另外，电子在阴、阳极间电位差的作用下移向阴极，将进一步促使阳极反应的进行，加速金属的腐蚀过程。在实际中，吸氧腐蚀比吸氢腐蚀更具有普遍性[5]。

3 接地装置土壤腐蚀的类型

3.1 微电池腐蚀和宏观电池腐蚀

比较短小的金属构件的腐蚀，主要是由金属组织不均匀性引起的微电池腐蚀。对于长的金属构件而言，因不同位置氧渗透率、黏土和砂土等结构及埋设深度不同，使金属表面不同部分散布着不同的电位，引起氧浓差电池和盐分浓差电池腐蚀，在阳极部位产生较深的腐蚀孔，使金属接地体遭受严重破坏。水平接地体在不同的土壤中形成的氧浓差电池见图3。endprint

3.2 杂散电流引起腐蚀

由原定的正常电路漏失而流入大地的杂散电流引起地下埋设的金属构筑物、接地体、管道等腐蚀。图4为用电设备漏失电流流入大地处成为腐蚀电池的阴极，而附近的接地体成为腐蚀电池的阳极区，即可遭到腐蚀破坏。腐蚀破坏程度与杂散电流的强度成正比，电流强度愈大，腐蚀就愈严重。一般来说杂散电流造成的腐蚀损失相当严重，计算表明：1 A直流电流经过1年就可以造成9 kg的铁发生电化学溶解而被腐蚀掉；分散电流比较严重的区域，8～9 mm厚的钢管，只要2～3个月就会腐蚀穿孔[6]。

3.3 微生物引起的腐蚀

硫酸盐还原菌（厌氧菌）、硫杆菌（有排硫杆菌和氧化硫杆菌2种，最适宜存在的温度为25～30℃）等细菌的活动能引起金属的强烈腐蚀。这些细菌有可能引起土壤物理化学性质的不均匀性，从而造成氧浓差电池腐蚀，同时细菌在生命活动中产生硫化氢、二氧化碳和酸能够腐蚀金属，另外细菌还可能参与腐蚀的电化学过程，硫酸盐还原菌能消耗氢原子，使去极化反应顺利进行。

4 接地体腐蚀速率的主要影响因素

4.1 土壤电阻率

当腐蚀电池形成后，作为回路介质，土壤的电阻率小，腐蚀电流变大，腐蚀越严重，因而土壤电阻率是评价腐蚀性的重要指标。土壤电阻率与腐蚀速度的关系见表1。

4.2 土壤含氧量

在中性或酸性土壤中，土壤中的含氧量对腐蚀过程有很大的影响。将金属导体埋设在含氧量不同的土壤中，就可能形成不均匀的氧浓差腐蚀电池。

4.3 土壤含水量

土壤含水量除影响透气性外，对土壤中的溶盐量及导电性也有很大的影响。当土壤含水量很低时，土壤电阻大，腐蚀很小；在达到临界值以前，腐蚀速度随着含水量增加而提高；达到临界值以后，腐蚀性随着含水量再增大而减小。以黏土和砂质黏土为例，含水量为0时，没有腐蚀；含水量为12%～25%时，保持最大腐蚀速度；含水量为25%～40%时，腐蚀速度降低；含水量>40%时，则出现较低恒定的腐蚀速度。

4.4 土壤含盐量

土壤含盐量高，土壤电阻率小，腐蚀速度就大。

4.5 土壤的pH值

大部分土壤pH值为6.00～6.75，盐碱土、酸性土的pH值分别为7.5～9.5、3.0～6.0。一般土壤pH值低，其腐蚀性大。

5 土壤中的接地装置防腐措施

通过对接地装置腐蚀机理、腐蚀类型和影响腐蚀速率因素分析，在实际防雷工程设计施工中，可对接地装置采取如下防腐措施。

5.1 加大接地装置截面或对接地装置表面镀锌

此法可对接地装置腐蚀起减缓作用，对于未采取防腐措施的接地装置，当腐蚀速度不大于0.1 mm/年时，圆钢接地体直径不小于12 mm，钢管接地体厚度应当不小于5 mm，扁钢接地体厚度应不小于5 mm；若腐蚀速度超过0.1 mm/年时，则接地体的直径和厚度应相应增加；对于采用碳钢上镀锌的防腐措施，主要依靠表面层上锌的腐蚀保护地网金属，但锌只在温和的环境下有较好的耐蚀性，一般土壤环境中，平均腐蚀速率为0.065 mm/年。但对防腐严重的地区无法从根本解决问题，而且造成大量金属材料的不必要消耗。

5.2 采用铜及其他耐腐蚀的金属作接地材料

美国等西方国家采用此方法，但由于此方法一次性投资大，铜的价格昂贵，刚性不够，施工困难，还易造成与其他钢结构形成原电池，使钢结构受到腐蚀影响其他钢结构的安全，所以难以大面积推广。

5.3 采用降阻防腐

许多试验说明，降阻剂对接地体腐蚀有很好的保护作用，且价格适中，可以大量推广。防腐剂中比原土中的腐蚀率小的原因：一是降阻防腐剂为弱碱性，pH值为10，可极大地抑制硫杆菌的生长，所以铁的析氢腐蚀作用和微生物腐蚀作用都很难存在。二是降阻防腐剂中的OH-数量多，它与铁之间的“标准电极电位差”较小，减小腐蚀作用。三是降阻防腐剂中含有大量钙、钠、镁和铝的金属氧化物，有一定的阴极保护作用。四是胶黏状的降阻防腐剂，可以将铁包围紧密，阻隔空气中的氧气，可防止氧化腐蚀作用。五是降阻防腐剂与铁表面发生化学反应形成一层氧化膜，故不易腐蚀。六是铁的氧化物属于碱性氧化物，仅能与酸反应，因此，铁埋在具有弱碱性的降阻防腐剂中，可以避免二次腐蚀。

5.4 接地极表面采用复合多种的防腐材料

在以铜或钢为基体的接地体的表面上复合一层厚度为不小于0.5 mm的铜、铅、锌等有色金属，此法可以适应不同的酸碱等腐蚀介质的防腐，减缓接地体腐蚀。

5.5 采用“牺牲阳极，阴极保护”

此法不仅对接地体进行防腐保护，延长接地体使用年限，一般可达40年以上，而且能进一步降低地网接地电阻。该法就是把作为阳极遭受腐蚀的地网设法变为阴极，使其由失去电子变为获取电子，氧化反应变为还原反应，遭受腐蚀变得没有腐蚀。实现阴极保护的手段一般有2种：一是外加电源法（图5）；二是牺牲阳极法（图6）。

5.5.1 外加电源法。利用石墨等作阳极，被保护的接地极作阴极，两者之间加以直流电源，电源的正极接在阳极上，负极接在被保护的接地极或地下金属物上。直流电源可采用降压变压器和整流器。一般对电源容易解决，工程规模较大的，宜采用外加电源法。

5.5.2 牺牲阳极法。将被保护的接地极或地下金属物作为阴极，利用镁合金、铝合金、锌合金等金属作阳极，将阴、阳两极相连，作为阳极的保护物不断消蚀。牺牲阳极不需外接电源，且无需维修，阳极消耗很小，由于电池作用产生的电流小，只用于对电流量需要不太大的地方。在沿海地区和土质、土壤腐蚀性较强的规模大的工程宜采用此方法。

5.6 其他方法

可以通过调节土壤的酸碱度、含盐量、换土等方法减缓接地体的腐蚀速度。

6 结论

接地体金属腐蚀分为吸氢腐蚀和吸氧腐蚀。接地体土壤腐蚀的速率与土壤电阻率、土壤中的含水量、含氧量、含盐量、土壤的酸度等有关。减缓接地体的腐蚀速度，可以通过加大接地极截面和对接地极表面镀锌；或采用铜及其他耐腐蚀的金属做接地材料；或采用降阻防腐；或在接地极表面采用复合多种的防腐材料；或采用“牺牲阳极，阴极保护”；或调节土壤的酸碱度、含盐量、换土等多种措施。

7 参考文献

[1] 黄中强.金属的电化学腐蚀和金属的电化学保护[J].玉林师专学报，1998，19（3）：62-64.

[2] 阴极保护手册：电化学保护的理论与实践[M]. 胡士信，王向农，译.北京：化学工业出版社，2005：113-128.

[3] 李景禄.实用电力接地技术[M].北京：中国电力出版社，2002：187-203.

[4] 建筑物防雷设计规范：GB50057-94[S].北京：中国计划出版社，2001：24-25.

[5] 许雅周，刘开明.工程化学[M].北京：机械工业出版社，2005：91-95.

[6] 林玉珍，杨德均.腐蚀和腐蚀控制原理[M].北京：中国石化出版社，2007：206-213.endprint