广东电网有限责任公司东莞供电局 523000
摘要：送电线路接地网腐蚀机理分析及其防护是影响电网安全运行的基础环节，本文采用现场照片、电化学分析的方法，研究了输电线路杆塔镀锌接地引下线腐蚀情况，结果表明：接地引下线腐蚀最严重部位均位于空气/土壤交界-20 cm～10 cm 处；土壤上部（0～10 cm）的腐蚀是由薄液膜下的大气腐蚀造成的，主要影响因素是周围空气湿度和酸性气体；土壤下部（-20 cm～0）的腐蚀是由氧浓度差引起的电化学腐蚀造成的，主要影响因素是土壤含水量、电导率、土壤中硫酸根离子；接地引下线镀锌层太厚度容易造成龟裂，从而加速接地引下线的腐蚀；并提出相应的防腐措施，保证送电线路安全可靠的运行。
关键词：输电线路；接地引下线；腐蚀；电化学
1、前言
接地网是架空送电线路的“保护神”，其防雷保护的全过程就是渲泄雷电荷的过程，接地网的好坏直接影响到防雷的效果。当整条线路的某一段地网导体出现腐蚀直至到断裂时会使整个杆塔的接地电阻发生变化，从原来符合设计值变为超出原设计值的几倍或者几十倍。随着接地电阻的增大，其泄流性能必然大大降低，对送电线路的运行防雷造成了隐患。
目前，本文对所管辖投产超过10年东莞地区水乡地带的输电线路接地网进行周期性的测量，发现30%的地网接地电阻不合格，远远偏大于设计值，经过对该线路不合格的地网进行检查，发现地网严重的腐蚀，部分的杆塔地网引下线与地面连接地方锈断，不得不重新铺设地网。最终我班决定对所管辖水乡地带6条线路按10：1的比例进行开挖检查及其它线路杆塔接地网进行电阻的测量。对抽查的接地网锈蚀情况进行分析，提出防护措施。
2、接地网运行情况
（1）110kV麻新线、110kV万麻线、110kV万望线、110kV中糖甲线、110kV中糖乙线、110kV中麻线6条线路抽18基杆塔进行开挖检查。地处都是水田地带，土壤中含水分比较大，对杆塔的接地引下线及土壤中的接地网都会造成一定的损伤。对上述的6条线路18基接地引下线表面检查，发现该杆塔接地引下线锌皮部分脱落，严重的锈蚀到原截面积的1/2，基本上都是锈蚀为0.5mm，有的锈蚀到只剩下2mm，有的地网腐蚀为“肝肠寸断”。其中锈蚀非常严重的8基，占抽查的45%。同时我们通过抽查发现不同的土质其腐蚀程度大小有所不同，如排水性，通气性差而保持水分能力大的粘土和淤泥的细粒土壤比排水性和通气性良好的粗粒土壤锈蚀严重。
图1 接地引下线表面腐蚀
图2 是接地引下线扫描电镜微观腐蚀形貌图，由图2（a）可见，断口凸凹不平，表面覆盖大量的腐蚀产物（图2（b）），有的腐蚀产物呈针状（图2（c）），有的腐蚀产物呈球或片状（图2（d）、2（e）），并且腐蚀产物疏松，有大量裂纹（图2（f）），腐蚀产物无保护性。
表1是图2（c）位置和图2（e）位置区域腐蚀产物成分能谱分析结果，可见，针状腐蚀产物主要元素为Fe 和O 元素；而片状腐蚀产物主要元素为Fe、O 和Zn 元素。
（2）接地网腐蚀特点
圆钢在土壤的腐蚀是以锈层形成发展的，成层状，树皮状，圆钢呈层状分离，即剥蚀，严重情况下会大块地完全连续地锈层脱离圆钢本体，清除表面的锈皮后，可以看到圆钢表面个别或小面积区域内有大小不一的麻面形状，出现小孔状腐蚀坑，呈点状弥散分布，即形成点腐蚀或孔蚀，如110kV糖中甲线N8塔、110kV万望线N17杆、110kV麻新线N26塔等，其采用直径为 10mm的圆钢来做接地网，经开挖出来的已被腐蚀只剩 4mm粗，用小小的力都能将把接地网折断。
在开挖检查中，发现所有锈蚀的接地网中，其锈蚀最严重的部位都是在接地引下线与土壤连接处，特别是垂直体入土处至水平体弯曲处最严重。接地网都是用的圆钢，进入土时表面受到外界环境的影响造成圆钢表面会被空气中的氧发生化学反应，形成接地网被氧化现象。
接地引下锈断如万麻线N29塔，断裂形成针状，既有剥蚀，又有孔蚀。
通过上述几条线路接地网锈蚀的相关问题，直接影响到送电线路的防雷效果。接地网严重的腐蚀，造成接地引下线断裂及接地网严重腐蚀，接触不良等现象。因此，为了全面分析接地网腐蚀的成因，必须采取相应预防和防护及改进措施，以防患于末然，确保送电线路有良好的防雷性能，保证电网的安全可靠的运行。
3、接地网腐蚀的机理
送电线路接地网均埋没于离地面0.6-0.8m深的土壤中，接地引下线腐蚀最为严重的部位均处于空气/土壤交界-20cm～10cm 范围内，即土壤上10cm 和土壤下20cm 区域，土壤上部区域位于空气中，而土壤下部区域位于土壤中，两者所处环境不同，其腐蚀机理也不同。
（1）土壤上部（0～10cm）腐蚀机理
图3为接地引下线腐蚀机理图。接地引下线的土壤上部区域位于空气中，其腐蚀必然受到周围空气的影响。调研发现，该输电线路区域植被茂密，空气的湿度较大，使得引下线上容易上积聚水珠，水珠由于重力作用从上向下流到引下线根部，即在引下线上空气/土壤交界处汇聚，形成一层薄薄的液膜，从而产生薄液膜下的电化学腐蚀[4]。此外，在天气晴朗的时候，地面温度升高，土壤中的水分开始蒸发，水蒸气由地底下向上流动至土壤表面，由于土壤和空气温度的差异，在空气/土壤界面处部分水蒸气凝结成水，从而造成空气/土壤界面湿度较大，加速了此处引下线的电化学腐蚀。
图3 接地引下线腐蚀机理示意图
此外，输电线路区域空气中常年含有大量酸性气体，研究表明[5]，酸性气体对锌有强烈的破坏性，其能够将Zn 表面原有的富保护性的ZnO膜转快速失去保护性，使基体金属在薄液膜下很快腐蚀，且酸性气体气体污染越重，湿度越太，锌腐蚀越重。
（2）土壤下部（-20 cm～0）腐蚀机理
土壤下部区域（-20 cm～0）位于土壤中，其腐蚀最为严重。土壤是由固、液、气三相物质构成的电解质，空气中的氧气扩散到土壤中，土壤中的部分氧气溶解在水中，与接地引下线构成一个氧化还原电池。
阳极（接地引下线）逐渐失去电子，开始溶解，从而引起了接地引下线的腐蚀，电极反应如：阳极：Fe-2e=Fe2+，阴极：2H2O+O2+4e-=4OH－。
由于土壤的阻挡作用，随着土壤深度的增加，氧气扩算速度逐渐减弱，因此土壤中的氧气从空气/土壤界面开始，浓度从大到小分布，界面处氧气浓度最大，此处氧气浓度差也最大，因此电化学腐蚀反应最强烈，处在空气中的引下线作为阴极受到保护，而土壤/空气界面下引下线作阳极被腐蚀，因此腐蚀最严重部位一般在界面下20 cm 左右，而随着土壤深度的增加，氧分布逐渐均匀，局部氧气浓度差值变小，因此电化学腐蚀也较弱。而界面处氧浓度差一直存在，腐蚀就不断进行，因此接地引下线位于空气/土壤交界土壤侧腐蚀最为严重。
4、影响接地网腐蚀的因素
与地面腐蚀有关的土壤性质主要有：孔隙度（透水性）、含水量、电阻率、酸度与含盐量。而这些影响因素又是相互联系的，共同作用的。
（1）孔隙度（透气性）的影响
透气性较好的石渣土、风化石等粗粒无粘性土壤中的接地网腐蚀程度较轻，接地网腐蚀直径可减少为1mm左右。而在密不透气的粘土中，地网却发生了严重的腐蚀，粘性越大，腐蚀越严重。这是因为在氧与圆钢化学反应的作用下，透气性差的区域将成为阳极而发生严重腐蚀。而在透气性良好的土壤中也更容易生成具有保护能力的腐蚀产物层阻碍金属的阳极溶解，使圆钢腐蚀速度减慢下来。
（2）含水量的影响
土壤中含水量对腐蚀的影响很大，土壤中的水分对于金属溶解的离子化过程及土壤电解质的离子化都必要的。首先由于土壤中电解质溶液的存在，使得引下线腐蚀的电化学过程得以进行；此外，含水量变化显著影响土壤的理化性质，进而影响材料在土壤中的腐蚀行为。含水量变化对土壤腐蚀性的影响十分复杂，一般情况下认为：在中碱性土壤中，含水量较低（0～10%）时腐蚀速度随含水量增加而增大，当含水量达到某一个临界值（10%～25%）时腐蚀速度最大，再增加含水量（25%～35%），腐蚀速度反而下降[6]，文献[7]研究表明：含水量决定了腐蚀过程中的电导率和氧扩散速度，低含水量时，电导率是决定腐蚀速度的主要因素，而在高含水量时，中碱性土壤中的腐蚀速度主要受氧扩散过程控制，可见接地引下线腐蚀速度受氧扩散过程控制。
由于土壤水分的蒸发，引下线根部潮湿，而界面10 cm 之上相对干燥，因而在界面处形成干湿交替区，此处含水量充足，氧气浓度高，其腐蚀最为激烈。引下线周围土壤含有酸性离子，该离子主要随雨水渗透到土壤中，一般认为酸性可以加速接地材料的腐蚀，其首先破坏镀锌层，然后与基体Fe 反应生成疏松、保护性差的腐蚀产物附着于基体表面，造成这部分金属表面的阳极电流密度和阴极电流密度不平衡，从而引起局部腐蚀的催化作用，使接地引下线的腐蚀速率增大。
此外，当土壤含水量很高时，饱和度大于95%，氧的扩散渗透受到阻碍，腐蚀减轻。如110kV万望线N17塔位于水田，腐蚀量为0.8mm。随着含水量的减少，饱和度为10%-90%，氧的极化容易，腐蚀速度增加。如110kV万麻线N35塔、110kV万望线N11塔腐蚀较严重，有的锈断。当湿度降到10%以下，由于水分的短缺，阳极极化和土壤电阻加大，腐蚀速度急速降低，如110kV中麻线N20塔、110kV麻新线N4塔腐蚀很轻。
（3）电阻率的影响
粘性电阻率为1000-10000Ω.cm，地网处于此种土质中腐蚀较大，而石渣土等土质的电阻率为10000Ω.cm以上，腐蚀较轻。所以，土壤电阻率越小，土壤腐蚀也越严重。
（4）镀锌层厚度
目前接地引下线防腐主要采用热浸镀锌，镀锌层一方面屏蔽外界水分子，另一方面作为牺牲阳极材料保护底层金属免受腐蚀，因此镀锌层的致密性和厚度直接影响防腐效果。本文所抽检输电线路接地引下线镀锌层厚度较薄30-50 μm，按照重污染区镀锌层的腐蚀速率6.4 μm/a 计算[7]，镀锌层的理论保护寿命为5～10 年，这也是引下线腐蚀严重的重要原因之一。引下线镀锌层需要足够厚，保护寿命才能长久，但是镀锌层达到一定厚度，受力弯曲时就容易龟裂，因此对于受力部位的镀锌层不宜太厚。
（4）其他因素对地网腐蚀的影响
土壤酸碱度的影响：土壤酸碱度大也是地网腐蚀的一个原因，应对腐蚀严重的土壤进行酸度测定。
含盐量的影响：含盐量越大，土壤的电导率就越大，其腐蚀性也越强。
微生物对地网腐蚀的影响：在缺氧的土壤条件下，如潮湿的粘土深处，有处于某些微生物的生长，它们的活动能引起很强的腐蚀。
泄漏电流的影响：导地线对杆塔的泄漏电流对接地引下线有影响，从我们开挖的情况来看，其腐蚀程度比拉线拉棒更为严重。
但是，以上影响地网腐蚀的因素并不符合所有的情况，更有一此相反的实例，如110kV万望线N10塔在水田中锈蚀比较严重，而万麻线N15塔腐蚀较轻。在土壤对地网的腐蚀作出合理的估计。同时，由于我们对土壤的分类，性质缺乏全面的深刻认识，也由于没有条件进行深入的研究，因此，所作的分析有一定的局限性和表象性，只能是一种近似的定性估计。
5 防腐措施
接地引下线腐蚀严重部位均位于空气/土壤交界-20cm～10cm 范围，因此需针对此部位重点防腐，根据其腐蚀特点，采取的防腐措施建议如下。
（1）耐蚀材料
镀锌钢本身的不耐腐蚀性决定了其使用寿命，因此可以采用耐蚀材料代替镀锌钢，可以从根本上解决引下线的腐蚀问题，但必须满足接地引下线防雷接地的要求，即引下线需要具备良好的导电性、热稳定性、耐腐蚀性，满足此条件的耐蚀材料有纯铜棒、镀铜棒、铜绞线，性能优异，耐蚀性好，是理想的接地引下线材料，但考虑到铜价格昂贵，不适合大规模应用，因此可以将引下线空气/土壤交界±30 cm 处使用铜代替镀锌钢，需要注意的是焊接部分必须用防锈漆保护起来，以免产生铜的电偶腐蚀。
（2）防腐涂料
将防腐涂料涂覆在引下线空气/土壤交界±30 cm处，避免引下线与土壤中的水和氧气接触，从而起到物理屏蔽作用，使得引下线免受腐蚀。常见的耐土壤腐蚀的涂料主要有沥青涂料，但使用寿命有限，近年来开发的导电涂料[9]，使用寿命更长，应用前景广阔。此外，也可以采用PVC 套管保护空气/土壤交界±30cm 处，两端用水泥密封[9]。
（3）表面处理
表面改性是提高材料耐蚀性常用方法，利用最新的超音速喷涂、冷喷涂、电镀镀、化学镀等手段在接地引下线材料表面镀上一层耐蚀又导电的合金涂层，例如热喷涂ZnAl 合金、电镀铜等均可以显著提高接地材料的耐蚀性。对接地引下线，从地面入土处直到水平接地体间进行沥青处理，以避免因腐蚀电位不同而引起电化学腐蚀。
（4）新型焊接工艺
采取两根引下线与地网的不同点可靠地焊接在一起，实行“双焊接”，焊口的长度大于圆钢直径的6倍，放弃使用并钩线夹。
6 结论
（1）输电线路接地网腐蚀问题直接影响线路的防雷效果，威胁线路的安全运行，为了使接地网充分发挥防雷的作用，将强大的雷电流或高电位的束缚电荷能很快地引入大地并很快地泄放减少直击雷或感应雷造成线路的安全运行，须采取对接地网做好有效的防护措施，才能使接网的腐蚀减轻，接地电阻得到有效的下降，保证送电线路安全可靠运行。
（2）接地引下线腐蚀最严重部位均位于空气/土壤交界-20cm～10cm 处。
（3）土壤上部（0～10cm）空气湿度大、氧浓度大，形成了干湿交替区域，其腐蚀是由薄液膜下的大气腐蚀造成的，主要影响因素是周围空气湿度和SO2气体。
（4）土壤下部（-20cm～0）的腐蚀是由氧浓度差引起的电化学腐蚀造成的，主要影响因素是土壤含水量、电导率、土壤中硫酸根离子，此处持续的氧浓度差存在，使得界面处腐蚀最严重。
（5）接地引下线镀锌层太厚度容易造成龟裂，加速接地引下线的腐蚀。接地引下线腐蚀最严重部位可以采用耐蚀金属材料、防腐涂料、表面处理进行重点防腐处理。
7 致谢
感谢输电管理所夏云峰博士主任助理对本论文提出指导意见，广东电网责任有限公司东莞供电局输电管理所提供的送电线路接地网相关分析数据。
参考文献
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论文作者:郭伟明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/20
标签：土壤论文; 线路论文; 镀锌论文; 含水量论文; 杆塔论文; 空气论文; 圆钢论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;