接地网防腐工程中的阴极保护设计

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1、接地网防腐工程中的阴极保护设计杨道武,李景禄,朱志平（长沙理工大学，长沙，410077）摘要：阴极保护是防止接地网腐蚀的有效措施，文章从土壤的腐蚀特性出发，讨论了牺牲阳极、外加电流两种阴极保护方式的设计步骤，结合具体的设计实例，进行计算、讨论。关键词：接地网、腐蚀、阴极保护、阳极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

2、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

3、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

4、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（W٠m）评定土壤腐蚀性的标准。表1：土壤电阻率（W٠m）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<205~109~23<20<20中等20~5010~2023~5020~4520~45弱>5020~10050~10045~6045~60很弱>100>100>6060~100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]。

5、土壤的氧化还原电位（一般在-300mV~+700mV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（<20W٠m）的土壤具有腐蚀

6、危险性；pH=7时，若氧化还原电位较低（<400mV，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

7、W٠m(或20W٠m)时,选用锌基阳极；土壤电阻率<100W٠m时，选用镁基阳极；土壤电阻率>100W٠m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-MnMg-Al-Zn-MnZn、Zn合金密度g/cm31.741.777.14开路电位-V(SHE)1.561.481.03理论发生电量A٠h/g2.202.210.82土壤中电流效率%40≥50≥65土壤中发生电量A٠h/g0.881.110.53土壤中

8、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：25；45；有关资料给出的数值为：10~100；4~40；35。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10~50mA/m2。（4）根据接地网所用碳钢的外形尺寸、总长计