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变电站接地装置防腐措施研究

时间:2014-05-27 09:15来源:未知 作者:admin 点击:

1 变电站接地装置事故的危害
  变电站接地装置在变电站的整个投资中所占的比例虽然很小,但它所引发的事故却极其惊人,真可谓是“电网杀手”,它能很快摧毁电网中的二次设备,像直流、保护、通信等设备,接着引发事故扩大,有的造成一次设备损坏和着火,有的造成发电厂、变电站全停,有的甚至发展成严重的系统事故。例如,1994年1月,四川华莹山电厂因变压器中性点接地线严重腐蚀处放电,将高电位引入主控室,造成多处击穿、短路,总保险熔断使故障不能自动切除,导致2号主变、2号发电机着火,3号、4号发电机损坏,全厂停电。

2 变电站接地装置事故的主要原因
   网内外多起接地装置扩大事故的主要原因是:(1)接地装置热容量严重不足,有的因腐蚀造成,有的因设计、施工不当造成;(2)接地装置事故持续时间长,保护不能快速切除,给事故提供了时间条件。
  变电站接地装置事故统计表明,接地装置腐蚀是事故的主要原因之一。为此,国内很多单位都在开展这方面的研究,并提出了许多防腐蚀措施。华北网变电站接地装置腐蚀情况还是比较严重的,像房山、北郊、大同二电厂等大型500 kV变电站投运10年左右,均投巨资重新更换了地网。钢体在土壤中的腐蚀以电化学腐蚀为主,即阳极溶解。主要腐蚀形式如下:

     (1)钢材表面的微观不均匀性会引起不同部位的电位差,形成腐蚀微电池;
   (2)两种不同金属电气连接后形成电偶腐蚀作用,电位较负的金属发生溶解而腐蚀,有的变电站新敷设的接地装置比原来的老接地装置腐蚀得快,其中的原因之一就是新老接地装置之间的电位差形成电偶腐蚀,新地网成为阳极被腐蚀,旧地网作为阴极获得保护;
  (3)土壤的不均匀性引起金属不同区域间产生电位差,形成客观腐蚀电池,如变电站土壤压实程度不一致,就会引起接地装置的腐蚀;
  (4)土壤中存在的微生物腐蚀。

3 变电站接地装置的防腐措施分析
  变电站接地装置一般都采取防腐措施,但方法并不一致,本文对这些防腐蚀措施进行比较分析,从而推荐出最佳防腐措施。
  为了便于比较分析,用一个220 kV变电站接地装置例子加以说明。设流过接地引下线的短路电流为31 kA,短路持续时间取0.65 s,引下线采用全电流,地网与引下线分流系数取75%。

3.1 
  采用热镀锌扁钢是多数变电站接地装置采用的防腐措施,它主要利用高温热浸时所形成的锌合金层本身的防腐特征。满足热稳定要求的扁钢截面最小为31×103×√0.65/70=357mm2,可以选取60×6的扁钢,再考虑每年平均腐蚀0.1mm,截面还应增加50%,变电站接地装置大约需要钢材24 t,材料费约为12万元。

3.2 
  美国等很多国家都用铜做变电站接地装置,这主要是考虑到变电站接地装置的重要性和铜的耐腐蚀性和稳定性。我国解放前,也曾大量采用铜作为接地体,像天津塘沽110 kV变电站(解放前建)的接地网用的是铜材,至今仍合格。
  据资料介绍,铜腐蚀不存在点蚀,属表面均匀腐蚀,铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的(1/5)~(1/10)。从出土的几千年前的青铜器来看,铜的确具有很高的稳定性和抗腐蚀性。
    铜接地引下线的最小截面为31×103×√0.65/210=119mm2,考虑一定裕度,最终可选取30×5铜带,变电站接地装置约需9.5 t铜材,按1999年市场价,如果选取黄铜,材料费约为21万元,如果选取紫铜,材料费为26万元。

3.3 
   变电站中采用埋入电位更负的活泼金属与被保护金属偶接,从而具有减缓或阻止腐蚀的作用。根据提供保护电流方式的不同,阴极保护法又可分为牺牲阳极和外加电流两种。国内有的单位又将牺牲阳极法加以改进,钢体上涂上导电涂料,虽然具体实施上略有差异,但基本原理是相同的,造价也差不多。
  上述220 kV变电站接地装置需不镀锌裸钢16 t,钢材费约为4.8万元,防腐费约15万元,两项主材费约为19.8万元。

3.4 
  目前,国内许多单位正在研制用于变电站接地装置的导电防腐材料。目前有两种材料在国内已有应用,一种是近年来用于地网防腐的KV导电防腐涂料,它是一种涂料,直接涂刷于裸钢上;另一种是降阻防蚀化学剂,主要用于岩石地区接地装置的降阻和散流,但也有单位只是将它用于防腐蚀,由于这种用途应用单位较少,加之本身有一定腐蚀性,故本文暂不讨论。
  采用导电防腐涂料时,该变电站钢材费加涂料费共需12万元左右。

3.5 
  设不同防腐措施下的地网埋设深度、地网面积、形式和土壤电阻率均相同。
3.5.1 散流特征
  采用热镀锌钢材防腐措施时,由于钢材截面最大,工频接地电阻最小,散流特性最好。
    阴极保护法和防腐导电涂料法散流特性居中。
  由于铜材截面最小,因此,工频接地电阻略有提高。由于地网接地电阻主要取决于地网面积和土壤电阻率,对大型的、腐蚀较严重的变电站来说,这一影响因素完全可以忽略不计。
   综合以上分析,对于大型的、腐蚀较严重的变电站,以上防腐措施的散流特性相差无几,均能满足工程要求。

3.5.2 可靠性
  由于热镀锌钢存在点蚀,而点蚀速度比年平均腐蚀值高几倍,因此,地网7~8年便腐蚀断。虽然可以抽样开挖检查,但由于地网大,引下线数量多,很难保证及时检查到。网内外多次接地装置事故也说明,镀锌钢接地装置不可靠。
  铜材不存在点蚀,属于缓慢的均匀腐蚀,只要坚持定期抽样开挖检查,完全可以避免由接地装置锈断或热稳定能力不够所造成的事故。
  阴极保护法的可靠性与技术方案、施工质量密切相关,可通过定期开挖检查确定接地装置状况。
  防腐导电涂料法的可靠性与涂料的粘结力、涂刷均匀性、施工中有无碰伤、钢材清洁度及有无毛刺密切相关,但实际运行经验不多。
  综上所述,铜接地装置最可靠,阴极保护法居中,防腐导电涂料法和热镀锌钢法最不可靠。

3.5.3 寿命价格比
  按照平均年腐蚀率0.1 mm/a,热镀锌钢接地装置寿命可达30年,但实际上,由于钢材存在点蚀,而点蚀速度比年平均腐蚀率高几倍,因此,热镀锌钢接地装置10年便有可能腐蚀断,网内有的变电站的接地装置确实如此,这跟实际情况差不多,因此,热镀锌钢接地装置在平均年腐蚀率0.1 mm/a情况下,寿命最多15年,寿命价格比为15/12=1.25。
  铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢的(1/5)~(1/10)。铜的年腐蚀率可取为0.02 mm/a,按照上面铜材厚度1 mm裕度计,铜接地装置的寿命可达50年,寿命价格比为50/26=1.9。
  阴极保护法寿命按设计值30年计,寿命价格比为30/19.8=1.5。
  防腐导电涂料法寿命按厂家给出值30年计,寿命价格比为30/12=2.5。
  综上所述,防腐导电涂料法和铜接地装置寿命价格比最高,阴极保护法居中,热镀锌钢法寿命价格比最低,即最不经济,尽管一次性投资最低。


3.5.4 综合比较分析
   热镀锌钢法、铜接地装置法、阴极保护法和防腐导电涂料法4种防腐措施的电气性能基本相同;从可靠性角度看,铜网最可靠,阴极保护法次之,热镀锌钢法和防腐导电涂料法明显较差;从经济效益方面看,防腐导电涂料法和铜网最好,阴极保护法次之,热镀锌钢法最不经济。
  综上所述,对于腐蚀较严重的变电站,建议考虑防腐措施时,应优先选取铜网,阴极保护法次之,不应采用热镀锌钢法,防腐导电涂料法待运行一段时间后再考虑是否采用。

4 结论
   (1)对于腐蚀较严重的变电站应选取铜材,不仅可靠性高,寿命价格比也合理,阴极保护法次之,不能采用传统的热镀锌钢法,防腐导电涂料法需进一步考验。
  (2)对于腐蚀轻微的变电站宜选用钢材,这是因为腐蚀轻微变电站的土壤电阻率往往也很高,工频接地电阻降不下来,可以充分利用钢材截面大、散流特性好这一优点。另外,造价也便宜。
   (3)今后新建变电站接地装置的设计寿命应提高到50~60年,现在的设计寿命25~30年太短,这是因为变电站接地装置的改造费用要数倍于新建时的费用。接地装置设计寿命提高到50~60年后,从长远看,一方面节省了投资费用,另一方面也提高了可靠性。
   (4)什么样的变电站需要选用铜网,必须具体问题具体分析,也需要尽快制定相应的判断标准。对于已投运变电站来说,完全可以根据开挖情况,探明地网的实际腐蚀情况,从而指导改造中的材料选取。对于新建变电站,最好提前在站里埋入钢体,实际测取钢体腐蚀数据。另外,也可以根据变电站土壤电阻率大小来判断腐蚀情况,根据网内外经验,当土壤电阻率小于100Ω/m时,腐蚀性一般较严重。
  (5)变电站的土壤情况不同时,接地装置也应该选取不同的铜材。紫铜、黄铜、青铜在不同腐蚀液中,腐蚀速度是不同的。比如,在试验溶液pH为5.8时,紫铜的腐蚀速度较快,是黄铜的1.6倍;但在pH为8.7的试验溶液中,紫铜的腐蚀速度比黄铜慢,大约是黄铜的48%。

(责任编辑:mastersh)
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