接地网防腐工程中的阴极保护设计

1. 概述
接地装置是发电厂、变电站、通信站中确保工作接地、防雷接地、保护接地的必备设施。出于经济方面的考虑，接地装置一般采用镀锌碳钢（扁钢、圆钢）组成立体接地网；由于长期处于地下恶劣的运行环境中，土壤带来化学与电化学腐蚀不可避免，同时还要承受巨大的排流与杂散电流腐蚀，接地网的腐蚀是电网系统问题与事故的主要来源之一[1][2]。因此，确保接地网免受腐蚀是电网稳定安全运行的前提，在各种接地网防护措施中，阴极保护是一项科学、可行的方法，尤其对于业已运行的接地网的保护，有其独特的优点。
2. 阴极保护原理
通过对受保护金属设施（如变电站的接地网）进行阴极极化，使之变成一个大阴极，从而防止金属腐蚀（金属只有在阳极状态下才可能腐蚀），此即所谓的阴极保护。阴极保护可通过两种方法实现，一是牺牲阳极法；二是外加电流法。牺牲阳极法简单易行，无须维护，它是在被保护的接地网上连接电位更负、更容易腐蚀的金属或合金（如镁及镁合金阳极、锌合金阳极），靠阳极的腐蚀溶解达到保护阴极（接地网）的目的。外加电流法是利用外加直流电源，将被保护的金属与电源负极连接，使之变成阴极而达到防止金属腐蚀的目的。两种保护方式各有千秋，具体的选择是根据保护电流、土壤电阻率及现场的其他情况决定的，但它们在接地网的保护中都有成功的应用。
3. 土壤的腐蚀特性
土壤是一个由气、液、固三相物质组成的复杂体系，其三相组成随温度、气候、季节等因素的变化而改变，由此导致土壤的电阻率、氧化还原电位、pH值、含水率、透气性等特性改变；同时土壤中伴有一系列微生物的新陈代谢活动，这些都是引起接地网腐蚀的因素。因此，评定土壤的腐蚀性是非常复杂的；作为常用的参考指标，表1给出了用土壤电阻率（٠m）评定土壤腐蚀性的标准。
表1：土壤电阻率（٠m）与土壤腐蚀性[3]
腐蚀性 中国 前苏联 英国 日本 美国
极强 <5 <9
强 <20 5~10 9~23 <20 <20
中等 20~50 10~20 23~50 20~45 20~45
弱 >50 20~100 50~100 45~60 45~60
很弱 >100 >100 >60 60~100
土壤电阻率是接地网阴极保护设计中的主要考察指标之一，它一般通过交流四极法测得[4]。
土壤的氧化还原电位（一般在-300 mV ~+700 mV之间）也是评定土壤腐蚀性的指标之一，表2给出了土壤氧化还原电位（Eh）与土壤腐蚀性的关系。
表2：土壤氧化还原电位与土壤腐蚀性[3]
Eh,mV,(pH=7.0,对标准氢电极) 腐蚀性
<100 强
100~200 中
200~400 弱
>400 不腐蚀
氧化还原电位是反映微生物参与土壤腐蚀的一个参考指标，其值低时，嫌气微生物活动增强，可导致接地网的微生物腐蚀。土壤的氧化还原电位通过甘汞做参比电极、铂电极做工作电极测得[9]。
英国的研究表明[4]：低电阻率（<20٠m）的土壤具有腐蚀危险性；pH=7时，若氧化还原电位较低（<400 mV，SHE），这种土壤适合硫酸盐还原菌生长，也具有腐蚀危险性。对于这两种判据的边界情况，可以用土壤含水率判断，即含水率超过20%的土壤具有腐蚀性。
另外，土壤中的盐分（尤其是Cl-）、含气量（O2）、微生物类型、有机质、杂散电流等也会对土壤的腐蚀性产生影响。
4 .接地网阴极保护设计要点
4.1 接地网牺牲阳极式阴极保护设计
（1）接地网所在地土壤电阻率的测定
测定不同时间、气候条件下的土壤电阻率，得到电阻率的变化范围。
（2）根据土壤电阻率，决定选用牺牲阳极的类型
土壤电阻率<15٠m(或20٠m)时, 选用锌基阳极；土壤电阻率<100٠m时，选用镁基阳极；土壤电阻率>100٠m时，除特殊情况采用带状镁阳极外，一般不采用牺牲阳极（即采用外加电流）。表3给出了两种阳极的电化学性能。
表3：镁阳极、锌阳极电化学性能[3]
性能 单位 Mg、Mg-Mn Mg-Al-Zn-Mn Zn、Zn合金
密度 g/cm3 1.74 1.77 7.14
开路电位 -V(SHE) 1.56 1.48 1.03
理论发生电量 A٠h/g 2.20 2.21 0.82
土壤中电流效率 % 40 ≥50 ≥65
土壤中发生电量 A٠h/g 0.88 1.11 0.53
土壤中消耗率 kg/(A٠a) 10.0 ≤7.92 ≤17.25
（3）确定接地网最小保护电流密度(mA/ m2)：两家实施接地网阴极保护的变电站选择的保护电流密度分别为[5][6]：25；45；有关资料给出的数值为：10~100[3]；4~40[7]；35[8]。接地网最小保护电流密度应该土壤腐蚀性（土壤电阻率、氧化还原电位）确定，一般在10~50 mA/ m2。
（4）根据接地网所用碳钢的外形尺寸、总长计算受保护的总面积（m2），按选定的保护电流密度计算所需的阴极保护总电流（A）。
（5）确定接地网阴极保护电位：地网的阴极电位至少为-850mV(相对Cu/CuSO4饱和电极)，或者使接地网的自然腐蚀电位负移250-300mV（至少100 mV）。对于牺牲阳极式阴极保护，在保证达到最小保护电流密度前提下，不需考虑过保护问题[10]。
（6）按公式计算阳极接地电阻与输出电流[3]、按阴极保护设计年限（一般为25—30年）计算所需的阳极质量，再根据单个阳极质量计算出需布置的阳极个数。
（7）选择牺牲阳极填包料、确定阳极埋设方式（立式或卧式）
（8）确定阴极保护的测试系统
4.2 接地网外加电流式阴极保护设计
除按接地网保护总电流选择恒电位仪、辅助阳极外，其余基本与3.1同。由于接地网碳钢一般无涂层，不需考虑因达到析氢电位而出现的涂层脱落问题，不过，出于经济性考虑，一般实测保护电位应不小于-1.15V（相对Cu/CuSO4饱和电极）为宜。
5．设计实例
×××变电站接地网采用Φ50×3.5钢管180m，70×7扁钢680m，40×6扁钢520m；变电站所在地土壤为粘土，其电阻率为20~35٠m，阴极保护设计寿命30年。
5.1 按牺牲阳极方式设计
（1） 因土壤电阻率为20~35٠m，故选用镁基阳极。
（2） 选定接地网最小保护电流密度25 mA/ m2。
（3） 受保护的总面积为205 m2。
（4） 阴极保护总电流IA为5.125A，考虑变化因素，IA取值5.5A。
（5） 用130×145×545的镁合金阳极（质量为15.2kg），埋设深度0.8m，填料电阻率为15٠m，牺牲阳极距接地网1.5~.2.0m处水平埋设，阳极与接地网用电缆连接。
a. 单只阳极接地电阻计算[3]
RH=/(2πL)(ln(2L/D)+ln(L/2t)+ a/ln(D/d))
式中，、a分别为土壤、填包料电阻率，其值为30、15٠m；
L为阳极长度，其值为0.545m；
D为填包层直径，其值为0.35m；
d为阳极等效直径， d=C/π=0.55/π=0.175
t 为阳极中心至地面距离，其值为0.865m；
由此计算RH=2.87
b. 单只阳极输出电流计算（忽略回路电阻、阴极过渡电阻）
Ia=△E/R=0.3/2.87=0.105A
c. 保护所需的阳极数量计算
N=f×IA/ Ia=2.0×5.5/0.105=104.76=105支
阳极总质量W=105×15.2=1596kg
d. 阳极工作寿命计算
T=0.85W/（٠I）=0.85×1596/(7.92×5.5)=31年
（6） 牺牲阳极（与填包料一起）按接地网走向均匀布置，并布置电位监测装置。
（7） 实地检测保护电位，检查保护效果。
5.2 按外加电流方式设计
根据上述阴极保护总电流IA为5.5A的计算结果，选择36V×7.5A的恒电位仪。如果选择YJD流线型高硅铸铁辅助阳极（Φ75×160，5.4kg,0.046 m2）,当辅助阳极工作电流为25A/m2时，所需的辅助阳极数量为：
N=5.5/（0.046×25）=4.78=5支
辅助阳极的工作寿命：T=KG/gI=0.8×5×5.4/（0.1×5.5）=39.27=39年
根据接地网的地理分布情况，埋设5支辅助阳极（与回填料一起）。
6. 结论
（1） 接地网的阴极保护简单可行，对防止接地网的腐蚀、保证接地装置的安全运行意义重大。
（2） 对于已经投入运行的接地网，为防止其进一步腐蚀，最简单的方法就是实施阴极保护。
（3） 对地下钢铁设施实施阴极保护是一项成熟、安全的技术，国内许多接地网的阴极保护技术的成功运用说明了这一点。

本文来自防雷搜索客 http://www.spdbiz.com