牺牲阳极法在风电接地工程中的设计及应用

2018-04-26孙红雨陈亮亮

西北水电 2018年1期

韩源,靖峰,孙红雨,孙静,陈亮亮

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前言

作为风电项目重要环节，接地工程质量受土壤条件影响巨大。长期处于各种恶劣土壤环境的接地材料会受到不同程度散杂电流、化学、电化学等腐蚀，此种情况在盐壳地貌或海上等类型风电场更为显著。因此防腐是接地工程设计中最为关注的问题之一。

目前接地工程的防腐措施有[1-3]：① 采用覆盖层保护(如采用防腐导电涂料、镀锌钢/镀铜钢等)；② 采用耐腐蚀度更高材质(如铜材)；③ 采用电化学保护(牺牲阳极法/外加电流法)等。采用覆盖层保护防腐措施投资最少，但其对运输、施工工艺要求较高，若覆盖层被破坏则接地体点腐蚀速度更快；采用铜材等耐腐蚀性更好，但成本会增加很多，这是由于中国铜资源相对匮乏所致。因此近几年通过电化学保护对接地网进行防腐的方式在风电工程中越来越多的被提及。

1 防腐工程需求和牺牲阳极法原理

1.1 各种防腐措施存在的问题

(1) 通过覆盖层保护

采用防腐导电涂料、镀锌/镀铜材料本质是利用覆盖层保护。覆盖层的作用在于使导体与外界隔离，以阻碍金属表面的微电池腐蚀作用[4]。但无论非金属覆盖层或金属覆盖层，实际工程中均存在局部被破坏的可能。此时被保护体在覆盖层破损处表现为阳极状态，而被保护体在覆盖层完好处表现为阴极状态。整个被保护体表面会存在大阴极、小阳极，使被保护体在小阳极处被集中腐蚀，这类电化学腐蚀甚至比没有覆盖层保护的金属构件表面均匀腐蚀更具破坏性[5]。此外，防腐导电涂料存在无法量化防腐效果的问题，一般只做辅助防腐措施。

(2) 选择更耐腐蚀材质的接地体

与钢相比，铜在土壤中的腐蚀速率更低，且具有更低的渗透性、更高的电导性和更好的热稳定性，在强腐蚀地区常用铜材代替钢材做接地材料。但铜材会带来如下问题：

1) 增加与之相连金属构筑物的电化学腐蚀。由于大量自然接地体的利用，接地网不可避免与金属构筑物相连，作为较正电位的金属(铜)将作为阴极而受到保护，具有较负电位的金属(钢)将作为阳极而受到强烈的电化学腐蚀。

2) 对酸性介质的防腐性能更差。DL/T 5394-2007《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》(简称“DL/T5394”)有要求：在PH<4.5的酸性土壤地区，不宜采用铜材作为接地体。而在国家电网公司《十八项电网重大反事故措施(修订版)及编制说明》也有类似要求：对于110 kV及以上新建、改建变电站，在中性或酸性土壤地区，接地装置选用热镀锌钢为宜。

3) 价格更高。铜材较钢材成本增加了5～6倍[6]。

此外，理论上可通过增大接地导体截面，以满足设计年限内考虑腐蚀后导体仍满足导流及热稳定的要求。但实际工程中，由于接地导体与土壤接触的不均匀、土壤离子分布的不均匀等原因，导体存在点蚀现象，而点蚀速度随环境的不同而变化，且比规范、手册[7-8]要求的年平均腐蚀率高很多，增加了量化防腐设计难度。同时过大截面的接地导体，无论从经济性还是施工难度都有明显劣势。

1.2 牺牲阳极法在规范中的要求

牺牲阳极法作为防腐领域中常用技术，已在地下/水下构筑物、化工及石化设备的腐蚀防护中被广泛应用[9]，近些年也已逐步应用在发电厂和变电站这种被保护面积较小、土壤电阻率较低且分布均匀的接地网的防腐中。各种牺牲阳极适用范围见表1。

表1 牺牲阳极法适用范围表

考虑到地处盐壳地、海上等类型风电工程单个接地系统保护面积较小、土壤电阻率过低，本文主要分析牺牲阳极法的设计和应用。

1.3 牺牲阳极法的原理

原电池是不同电势差的两级在介质中产生定向电子流动的过程。牺牲阳极法本质上运用了原电池原理：将接地材料与比其更活泼、更易失电子的金属埋地后通过导体连接，形成了原电池(见图1)。在原电池外部，被称为牺牲阳极的更活泼金属(负极)失去的电子，通过导体流向接地材料(正极)，即导体中会形成从接地材料流向牺牲阳极的腐蚀电流；在原电池内部，牺牲阳极会因为失电子而逐渐溶解，在此过程中产生的正离子通过土壤流向接地材料。这就为接地材料提供了一个持续循环的阴极保护电流，使作为阴极的接地材料阴极极化到保护电位，表面富集电子而不再产生离子，从而免遭腐蚀[10]。

图1 牺牲阳极法原理示意图

与同属阴极保护的外加电流法相比，牺牲阳极法无需外部电源。同时兼具保护电流分布均匀、施工安装简单、适用于小规模接地网、对其他金属构筑物影响小等优点，在风电接地工程中具有实用价值。

1.4 牺牲阳极材料需满足的要求

为使牺牲阳极能够释放稳定电流，实现对被保护金属的保护，除上述提到的需具备比被保护金属更易发生氧化反应的特点外，牺牲阳极还应该具备以下特征：

(1) 提供充足且稳定的负电位。在牺牲阳极和被保护金属之间总有电阻存在，需要充足的电压克服回路中电阻，为被保护金属提供足够大的阴极保护电流。同时需考虑牺牲阳极的工作寿命满足设计年限要求，它的负电位应长时间保持稳定。

(2) 提供高效而稳定的电流。由于局部电池作用，牺牲阳极有部分电量消耗于自腐蚀中，选择效率高、自腐蚀电流小的牺牲阳极，可有效提高其使用寿命。

(3) 土壤电阻率或阳极填包料电阻率足够低。

(4) 表面溶解应均匀，腐蚀产物松软易脱落，不致形成高阻层。

(5) 来源充足、价格低廉、制作简易。

考虑到风电工程易腐蚀的接地材料一般为碳钢，镁合金和锌合金作为相较于碳钢还原性更强、电位更低，且比镁、锌单位重量的阳极材料发电量大的牺牲阳极，在风电工程推荐使用。

2 牺牲阳极法在工程设计中的应用

2.1 牺牲阳极法的计算流程

分析归纳DL/T5394的附录C和GB/T21448-2008

《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(简称GB/T21448)的附录A，牺牲阳极法计算可按下列公式计算。

(1) 保护电流计算

I=i×S

(1)

式中：i为保护电流密度，A/m2；S为保护面积，m2。

(2) 单支牺牲阳极接地电阻计算

单支水平式牺牲阳极接地电阻：

(2)

单支立式牺牲阳极接地电阻：

(3)

式中：Rh为单支牺牲阳极接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；lg为裸牺牲阳极长度，m，lg≫dg；Dg为预包装牺牲阳极直径，m；tg为牺牲阳极中心至地面的距离，m，tg≫lg/4；ρg为填包料电阻率，Ω·m；dg为裸牺牲阳极等效直径，m，dg=C/π(C为周长,m)。

(3) 每支阳极的发生电流计算

(4)

式中：If为每只阳极的发生电流，A；ΔE为阳极驱动电位，V(锌合金阳极取ΔE=0.25 V，镁合金阳极取ΔE=0.65 V)。

(4) 所需牺牲阳极支数

(5)

式中：n为阳极支数；B为备用系数，取2～3；I为保护电流，A。

(5) 牺牲阳极工作寿命计算

(6)

式中：Tg为牺牲阳极工作寿命，a；Wg为牺牲阳极组净质量，kg；ωg为牺牲阳极消耗率，kg/(A·a)。

(6) 多支牺牲阳极接地电阻计算

(7)

式中：Rg为多支组合牺牲阳极接地电阻，Ω；f为牺牲阳极电阻修正系数；n为阳极支数。

牺牲阳极法计算流程如图2所示。

2.2 牺牲阳极法的工程实例

某风电场配套升压站位于新疆罗布泊，场地地表分布有田垅状盐壳，地基土体电阻率值取7 Ω·m。本工程采用自然接地体和人工接地体相结合的接地布置方式，人工接地体埋深1 m。原有接地系统已满足相关设计要求。根据地质勘查报告，本工程地基土对钢结构有强腐蚀性，需要采取防腐措施，同时结合表1结论，本工程采取锌合金牺牲阳极法。

图2 牺牲阳极法计算流程图

2.2.1 计算保护面积

本工程人工接地体包括作为水平接地极、规格为60 mm×8 mm的热镀锌扁钢2 500 m和作为垂直接地极、长度为3 m、直径为0.025 m的热镀锌圆钢59个。保护面积取所有人工接地体的表面积，即353.9 m2。

2.2.2 计算保护电流

钢在不同介质中保护电流密度见表2。

表2 钢在不同介质中的最小保护电流密度表

保护电流密度取35 mA/m2，保护电流为12.39 A。

2.2.3 计算单支牺牲阳极接地电阻

根据DL/T5394所列常用埋地阳极的规格型号，结合本站地电阻率，本项目选用规格：1000 mm×(78+88) mm×85 mm、重量为50 kg的锌阳极。同时该规范要求：牺牲阳极顶部埋深距地面不小于1 m或与水平接地体埋深设在同一标高，考虑到水平式布置，牺牲阳极中心至地面的距离由冻土层厚度、阳极的1/2边长、填包料厚度(为确保填包料的厚度应在各个方向均保持5～10 cm[11]。本工程最终取填包料厚度为10 cm)3部分组成；考虑到填包料的电阻率应比土壤电阻率小，咨询相关厂家后，本工程填包料电阻率取5 Ω·m。根据式(2)本工程单支水平式牺牲阳极接地电阻为3.25 Ω。

2.2.4 计算单支牺牲阳极发生电流

根据式(4)，单支牺牲阳极发生电流为0.077 A。

2.2.5 计算所需牺牲阳极数量

根据式(5)，所需牺牲阳极数量为322个。

2.2.6 复核是否满足设计年限

GB/T21448要求：在土壤0.03 mA/cm2条件下，锌合金牺牲阳极的消耗率ωg≤ 17.25kg/(A·a)，为保守起见，本工程取ωg=17.25kg/(A·a)，因此：

满足本工程设计年限30 a。

2.2.7 多支牺牲阳极接地电阻计算

GB/T21448要求：成组布置时，阳极间距以2～3 m为宜。本工程取阳极间距为3 m。牺牲阳极电阻修正系数参见图3[12]。