张 翔 ，孙祺智， 王 霖

(国网江苏省电力有限公司 镇江供电分公司，江苏 镇江 212000)

输电设备接地材料使用最多的还是金属材料，钢、镀锌铜为使用最多的材料之一。铜虽然耐腐蚀性较好，但成本较高。金属接地材料的腐蚀问题是杆塔接地的一大难题，市场上针对腐蚀性问题也做出了调整，出现了一些非金属性的接地材料，具有导电防腐功能；但在实际使用中各有利弊。复合材料的接地模块进入水分和空气后，会出现内部金属腐蚀，且导电防腐涂料施工困难。基于金属接地材料在实际使用中存在的腐蚀性高问题，对一种新型接地体——改性硅酸盐复合接地材料进行探讨，分析该复合接地材料在导电与防腐上的优势，以帮助输电线杆塔接地起到更好的防腐降阻效果。

1 输电线杆塔接地装置现状

1.1 架空线路接地电阻值的控制

架空线路的接地装置要充分满足接地规范的要求，保证接地装置的接地电阻值偏小，才可以起到更好的防雷效果。不同区域的输电线路有着不同的土壤环境，在进行接地电阻值的设计时，当季节干燥，需要将每一个带有接地线的塔架从接地线断开，且工频接地电阻不应超过表1中的值[1]。

表1 接地电阻大小Tab.1 Grounding resistance size

由于接地电阻的电感效应关系，在扩展射线长度时，如果接地电阻无法得到有效改善，则会限制接地装置的功能发挥。因此在实际操作中，每条射线都有最大的长度要求，具体如表2所示[2]。

表2 最大长度限制Tab.2 Maximum length restrictions

1.2 杆塔接地装置现状

架空线路的接地装置材料以钢为主，架空线路在长期的运行中极易受到自然界的侵蚀，使接地装置出现断裂。对于运行年限久远的地网，在检查时会发现腐蚀的方式是垂直进入土壤，接地装置的地下受到酸碱腐蚀后，雷电流减弱就会导致电阻增加，从而严重影响到线路的稳定运行。

1.3 接地电阻值超标的原因

综合而言，杆塔接地装置的接地电阻超标原因有：接地装置设计选型不合适；土壤影响[3]。

2 不同环境下优化降阻方案

2.1 接地网外延降阻

通过接地网外延方式进行降阻，改变外延体的运行方式，增加其长度，以达到降低电阻的目的。在具体的输电线接地网工程中，将接地网埋深设定为0.8 m，复合材料等效半径设定为0.01 m，电阻率设定为100 Ω·m，得到不同外延体的分布情况，如图1所示[4]。

图1 接地网外延分布Fig.1 Epitaxy distribution of grounding grid

对于不同的外延体分布情况，可以通过现场测量的方式，测试土壤电阻率，当土壤电阻率分布均匀时，得到的测试结果如表3所示。

表3 不同外延体分布工频电阻值[5]Tab.3 Power frequency resistance values of different epitaxial bodies

2.2 垂直接地体降阻

图2为现代输电系统地网垂直接地降阻方式，面积为15 m×15 m，埋深0.8 m[6]。

图2 垂直接地降阻网络图Fig.2 Vertical grounding resistance reduction network diagram

垂直的接地体长度与数量之间有着相互联系，如果长度值较短，则无法得到较大的降阻效果。当接地体的数量逐渐增加，则降阻率趋向于稳定状态[11]。综合考虑后，要想让接地网中的降阻率达到理想值，需要将垂直接地体的数量设定为8，以满足降阻率的使用需求。说明垂直接地体的长度与水平地网的等值半径相同，单位长度的利用率才可以获得更好的效果，从而实现低造价成效[7]。

根据现场情况，对不同垂直接地体降阻情况进行实验，根据实验的条件，将接地网的埋深设置为1 m，垂直接地体的长度设置为2 m，得到电阻降阻率的测试结果，具体如表4所示。可以得到，随着垂直接地体的数量不断增加，电阻率得到下降。

表4 试验测试结果与垂直接地体的数量关系[8]Tab.4 The relationship between the test results and the number of vertical grounding bodies

2.3 降阻剂降阻

降阻剂的降阻原理主要通过提升接地体的截面起到消除接触电阻，并改善周围土壤的电阻率目的，利用其吸水与保水性优势提升并保持土壤的导电特性。工频电阻随着降阻剂的厚度发生变化，具体结果如表5所示[9]。

表5 工频电阻与降阻剂厚度之间的关系Tab.5 Relationship between power frequency resistance and thickness of resistance reducing agent

由表5可知，降阻剂的剂量与降阻率具有一定关系，当剂量达到设定值时，降阻效果会发生饱和。在各类面积地网中，相互之间的降阻效果差异较大，降阻剂对于集中接地体的工频降阻效果明显，极限降阻率达到30%以上[10]。

3 改性硅酸盐复合接地材料的特点及腐蚀性能对比

3.1 改性硅酸盐复合接地材料特点

自制的改性硅酸盐材料组成成分质量分数，具体如表6所示。

表6 改性硅酸盐材料组成成分质量分数[11-12]Tab.6 Composition of modified silicate materials

改性硅酸盐材料对于金属具有良好的腐蚀保护效果，硅酸盐具有抗氯离子渗透功能，水泥中添加活性矿物材料粉末，可以形成水硬凝胶材料，与矿渣粉、粉煤灰等矿物材料相结合，可以起到微细填充作用。让水泥的水化产物得到优化，对氯离子可以起到一定的物理吸附作用。

3.2 几种接地材料的腐蚀性能对比

3.2.1土壤取样腐蚀试验

(1)不同pH值环境下：选取3种不同的pH值土壤环境，分别为pH=2、pH=4、pH=6[13]；将其分别对不锈钢、铜、铜覆钢、镀锌钢、碳钢和改性硅酸盐材料等6种样品进行腐蚀试验。环境温度45 ℃，试验周期1个月，试验结束后其清洗前后对比结果如图3所示。

(a)清洗前

(b)清洗后图3 试品清洗前后对比Fig.3 Comparison of samples before and after cleaning

不同pH值土壤下的腐蚀速度如表7所示[14]。

表7 1个月不同pH值土壤的腐蚀速度Tab.7 Corrosion rate of soil with different pH in one month g/(m2·h)

由表7可知，碳钢不管在哪一种土壤环境下，腐蚀速度和分值都最高；改性硅酸盐在排序中位列中等，排名第4，防腐效果低于镀锌铜，说明在不同的土壤环境下，可以对碳钢起到一定的保护作用；

(2)不同地区土壤取样：为了更好地获取改性硅酸盐的腐蚀情况，比较在不同地区6种样品的腐蚀情况，选择了沿海盐碱地区江苏南通、酸性红壤地区江西南昌、内陆低阻地区山东济南作为代表，各样品的规格、温度、时间均与pH值腐蚀对比试验相同，实验后的清洗效果如图4所示；实验结果如表8所示[15]。

(a)清洗前

(b)清洗后图4 试品清洗前后对比Fig.4 Comparison of test products before and after cleaning

表8 1个月不同地区土壤腐蚀速度Tab.8 Soil corrosion rate in different regions in one month g/(m2·h)

由表8可知，改性硅酸盐材料在不同地区的土壤环境中，腐蚀速度排名位居第2，仅次于不锈钢；碳钢与改性硅酸盐材料相比较，在山东济南土壤中的腐蚀速度最高；在盐碱成分较高的江苏南通以及酸性较高的江西南昌的红土壤中，碳钢与改性硅酸盐的腐蚀速度相对较低，说明改性硅酸盐材料在两者中可以起到对碳钢有较好的腐蚀作用。

3.2.2溶液加速腐蚀试验

(1)腐蚀时间的影响：由表9可知，改性材料的综合耐久性较好；不锈钢与改性材料的腐蚀速率较低，适用于在酸性土壤环境中。其中，不锈钢溶液的加速腐蚀速度随着腐蚀时间的长短而发生变化，可以判断不锈钢接地材料在酸性土壤环境中使用时间较长；而碳钢的腐蚀速度较快，且耐腐蚀性较差。

表9 不同接地材料在质量分数15%HCI溶液中的腐蚀速率Tab.9 Corrosion rates of different grounding materials in 15%HCI solution g/(dm2·d)

(2)温度变化的影响：当实验的温度发生变化后，不锈钢的腐蚀速度也大大增加，改性材料的腐蚀速度也大大增加，说明不锈钢与改性材料的腐蚀速率非常容易受到温度变化的影响。因此，这2种材料在温差较大的环境中，耐腐蚀性需要提高。

4 具体应用

改性硅酸盐接地棒如图5和图6所示，集导电性能与腐蚀性能于一体的改性硅酸盐材料，形状为圆棒性与方板形2种。以改性硅酸盐接地板为主，对某220 kV线路工程进行改造。该地区位于酸性红壤地区的江西南昌，属于典型的酸性红壤土，采用普通的金属材料极其容易发生腐蚀，因此对其进行杆塔接地装置的改造十分重要。

图5 改性硅酸盐接地棒Fig.5 Modified silicate ground rod

图6 改性硅酸盐接地板Fig.6 Modified silicate ground plane

对该地区的杆塔接地装置进行改性硅酸盐接地板的改进，应用公式：

(1)

式中：R为单个接地电阻；L为长度；W为宽度；ρ为土壤电阻率；h为深度；N为数量；K为调整系数；Rn为电阻要求值。

通过式(1)得出，当接地板的尺寸为长1 m宽0.2 m电阻率90 Ω·m、深度0.9 m时，地板数量为8；在施工过程中，将4块接地板放在方框中心，让接地板之间的导线进行连接，施工示意图如图7所示。

图7 输电杆塔接地的改性硅酸盐接地板施工示意图Fig.7 Schematic diagram of the construction of the modified silicate grounding plate for the grounding of the transmission tower

5 结语

根据pH值腐蚀实验，得出改性硅酸盐材料可以在不同pH值的土壤中起到对碳钢的保护作用；在不同地区土壤腐蚀实验中，得出改性硅酸盐材料的防腐效果优于铜、铜覆钢以及镀锌铜，在盐碱地区和酸性红土壤地区中可以起到对碳钢的腐蚀保护作用。通过实例证明，改性硅酸盐复合接地材料应用在具体的输电线路杆塔接地工程中，可以满足工程需求。