高压直流接地极腐蚀特性研究

摘 要 直流接地极埋于土壤中会发生腐蚀，直接关系到其使用寿命。通过对直流接地极腐蚀特性分析，发现直流接地极导体在土壤的腐蚀主要是由电化学腐蚀引起的；并分析了土壤含水量、土壤通气性和松紧度、土壤的pH值、土壤含盐量和组成对直流接地极腐蚀率的影响规律；最后总结了直流接地极工程中常用的防腐措施。

关键词 直流接地极；电化学腐蚀；影响因素；防腐措施

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0157-02

随着直流输电技术的发展，越来越多的直流输电工程在我国兴建。直流接地极是直流输电系统中必不可少的重要设施，它在系统单级大地回线方式和双极运行时分别担任着导引入地电流和不平衡电流的重任[1]。直流接地极置于土壤或海水中，会发生腐蚀，直接关系到其使用寿命，威胁到直流输电工程的安全运行。因此分析直流接地极的腐蚀特性，对其设计和运行维护有重要的意义。

1 直流接地极腐蚀机理

土壤中的环境会对直流接地极造成不同程度的腐蚀，即电化学腐蚀。直流接地极的两端在土壤中形成回路，电流通过阳极流入土壤层，由阴极流流回电路。电流运行的载体是土壤中的导线解质。整个大地体受高压直流的作用在回路中相当于一个电解槽，高压即电化学电解的电源E，两端接地极的接地电阻分别为R1和R2。两个接地极实际上是电解槽中的两个极板，与电源正极相连的是阳极，与电源负极相连的是阴极。含碳量滴的钢材费用低，我国电网接地常用来作为阳极材料[3]。极阳断的电化学为：

1）金属材料被电解成离子态从阳极进入电解质，即

FeFe2++2e

Fe2++2OH―Fe（OH）2

2）电解的化学反应伴随着气体产生，阳极端的化学方

程为：

4OH-2H20+O2+4e

即有氧气析出，而这种气体又是强氧化剂，将进一步加剧阳极材料的腐蚀：

4Fe（OH）2+2H20+O24Fe（OH）3

在阴极附近一般为析氢反应

2H++2eH2

可知，腐蚀多发生才阳极侧，若接地极周围地下水中含有盐分，如NaCl，则阳极除生产氧气外，还会生成氯气。氯气溶解水后将使溶液呈酸性，发过来又会加快电极阳极电化学腐蚀速度。

2 直流接地极腐蚀影响因素[4]

2.1 含水量

土壤中水分的存在决定土壤的电解能力，是造成腐蚀的必要条件。土壤为一种胶体物质，它的吸收和保持水分的能力很强。

历史实验和统计表明土壤含水量是影响接地极的腐蚀程度的最大因素。当含水量达到某一值时，接地极材料的腐蚀率最大，再增大含水量，其腐蚀率反而下降。

接地极的腐蚀离不开氧化过程，土壤介质水分的含水量增加导致土壤层被空隙填满，即含氧量降低可以缓解腐蚀。土壤层中的水和氧气是对立关系，在某个节点，土壤层腐蚀性最强。

含水量不同，其对应的腐蚀程度关系如表1所示。

表1 土壤含水量与接地极腐蚀的关系

含水量，% 腐蚀程度

3～7或>40 低

7～10或30～40 中等

10～12或25～30 高

12～25 最高

2.2 土壤通气性和松紧度

土壤空气是土壤的重要组成部分，土壤空气中除了N2、O2外，还有C02、水蒸气等。

土壤通气性能同接地极的腐蚀关系不容易实验得到，氧气是腐蚀的因素之一，是电化学反应的施因。土壤中接地极的腐蚀阳极侧方式为：

2H20+O2+4e4OH-

因此，土壤中含氧量越高，接地极腐蚀率越大。

土壤松紧度对接地极导体电位和土壤导电性造成很大的差异，土壤层氧气来源于空气以及进入土壤的水所溶解的氧气。根据统计透气性好的土壤层接地腐蚀速率初始较快，随着时间增加速率下降，原因是形成的三价的Fe（OH）3，紧密沉积在接地极表面，初始的腐蚀反而形成一层氧化保护膜，但是在碱性土壤中这层氧化膜很快会被中和，即腐蚀速率不会降低。

2.3 土壤的pH值

土壤层介质中，酸碱性处于一个化学平衡，pH值在4以下呈现强酸性即腐蚀性较强。

宜昌山区部分土壤的pH值介于6-6.75，基本呈显中性，pH值大于7.5则称为盐碱土。大量的有机酸存在于土壤层时，pH值即使接近中性，但腐蚀性却非常强，pH值对接地极电位的影响是比较复杂的，pH值与土壤导电性也有一定关系。土壤pH值与接地极腐蚀的对应关系如表2。

表2 土壤pH值与接地极腐蚀的关系

pH值 接地极腐蚀程度

>8.5 极低

7.0～8.0 低

5.5～7.0 中等

4.5～5.5 高

2.4 土壤层土质构成以及含盐量

土壤层土质构成以及含盐量影响电化学反应进程，即酸碱性以及腐蚀性的体现。土壤层含盐量介于2%-5%之间，盐分是主要的电解质，可溶性盐量影响土壤层的导电性能。氯化物对接地极导体的绝缘性破坏较大，从而加快接地极化学腐蚀过程。Cl―是土壤层中腐蚀性能最优离子，所以海水接地极和海岸接地极更容易遭受腐蚀。

同氯化物一样，硫酸盐不仅能破坏接地极表明的氧化膜，还会加快金属的腐蚀率，金属和硫离子结合生产硫化物是腐蚀的主要成因。

碳酸盐对接地极腐蚀具有重要的作用，CaCO3与土壤中的砂砾结合成坚硬的“混凝土”层，使腐蚀产物不宜脱落，抑制了接地极电化学反应的阳极过程，对腐蚀起阻碍作用。

3 接地极防腐措施

3.1 电极材料的选取

为了延长接地极的使用寿命，对材料的选用提出了更高的要求。目前直流接地极工程中运用的接地极材料主要有碳钢和高硅铬铁（高硅铸铁）。碳钢造价相对较低，在土壤中的平均电腐蚀率为9kg/（A・a）；但土壤含水量增加时腐蚀率也增大，尤其是当地地下水中富含NaCl、Ca2+、Mg2+等时，碳钢的腐蚀率将大大增大。

高硅铸铁硅含量为14.5%，锰含量为0.7，该金属材质接地极腐蚀后，表面形成氧化膜可以推迟金属的腐蚀。在金属中加入铬元素（4.25%）形成的高硅铬铁合金耐腐蚀性则比较强，所以在直流接地极工程中得到广泛应用[3]，高硅铁合金的电腐蚀率会随溢流密度的增加而增大；当溢流密度为5mA/cm2时，其电腐蚀率只有0.16 kg/（A・a），约为碳钢的1/57；但溢流密度增至80mA/cm2，接地极腐蚀率为3 kg / （ A・a），小于碳钢。因此在高硅铁接地极工程中要严格控制其溢流密度。

3.2 焦炭的保护作用

直流接地极工程中往往在电极周围布置一定量焦炭，焦炭截面在0.45 m-0.9 m之间，来减缓电极腐蚀。焦炭是一种非离子晶体，将金属与土壤间的离子导电转换为金属与焦炭之间的电子导电，从而减缓了电极阳极的电解腐蚀[5]。同时，埋于土壤中的焦炭有一定的湿度，在焦炭中也会出现离子导电，导致电极与焦炭界面发生电化学反应。

4 总结

1）直流接地极腐蚀主要是有电化学腐蚀引起的，电极阳极Fe首先被电解出Fe2+，然后被土壤中O2氧化成Fe3+。

2）影响接地极腐蚀率的因素有土壤含水量、土壤通气性和松紧度、土壤的pH值、土壤含盐量和组成；其中土壤含水量在12%～25%、pH值

土壤中不同成分的盐对电极腐蚀性的影响不同，氯化物和硫酸盐促进电极腐蚀，碳酸盐抑制电极腐蚀。

3）工程中常用的防腐措施有两种，一是采用耐腐蚀材料的电极，二是在电极周围布置焦炭，减缓其腐蚀。

参考文献

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.

[3]祝志祥，韩钰，惠娜等.高压直流输电接地极材料应用现状与发展[J].华东电力，2010，2，4（2）：0265-0269.

[4]陈坤汉，杨道武，朱志平，等.接地网在土壤中的腐蚀特性研究[J].电瓷避雷器，2008，8（4）：39-43.

[5]齐文平，饶翔，马涛.直流接地极的腐蚀及防护[J].科技创业，2009（9）：148-150.