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變電站接地裝置防腐措施研究

時間:2014-05-27 09:15來源:未知 作者:admin 點擊:

1 變電站接地裝置事故的危害
  變電站接地裝置在變電站的整個投資中所占的比例雖然很小,但它所引發的事故卻極其驚人,真可謂是“電網殺手”,它能很快摧毀電網中的二次設備,像直流、保護、通信等設備,接著引發事故擴大,有的造成一次設備損壞和著火,有的造成發電廠、變電站全停,有的甚至發展成嚴重的系統事故。例如,1994年1月,四川華瑩山電廠因變壓器中性點接地線嚴重腐蝕處放電,將高電位引入主控室,造成多處擊穿、短路,總保險熔斷使故障不能自動切除,導致2號主變、2號發電機著火,3號、4號發電機損壞,全廠停電。

2 變電站接地裝置事故的主要原因
   網內外多起接地裝置擴大事故的主要原因是:(1)接地裝置熱容量嚴重不足,有的因腐蝕造成,有的因設計、施工不當造成;(2)接地裝置事故持續時間長,保護不能快速切除,給事故提供了時間條件。
  變電站接地裝置事故統計表明,接地裝置腐蝕是事故的主要原因之一。為此,國內很多單位都在開展這方面的研究,并提出了許多防腐蝕措施。華北網變電站接地裝置腐蝕情況還是比較嚴重的,像房山、北郊、大同二電廠等大型500 kV變電站投運10年左右,均投巨資重新更換了地網。鋼體在土壤中的腐蝕以電化學腐蝕為主,即陽極溶解。主要腐蝕形式如下:

     (1)鋼材表面的微觀不均勻性會引起不同部位的電位差,形成腐蝕微電池;
   (2)兩種不同金屬電氣連接后形成電偶腐蝕作用,電位較負的金屬發生溶解而腐蝕,有的變電站新敷設的接地裝置比原來的老接地裝置腐蝕得快,其中的原因之一就是新老接地裝置之間的電位差形成電偶腐蝕,新地網成為陽極被腐蝕,舊地網作為陰極獲得保護;
  (3)土壤的不均勻性引起金屬不同區域間產生電位差,形成客觀腐蝕電池,如變電站土壤壓實程度不一致,就會引起接地裝置的腐蝕;
  (4)土壤中存在的微生物腐蝕。

3 變電站接地裝置的防腐措施分析
  變電站接地裝置一般都采取防腐措施,但方法并不一致,本文對這些防腐蝕措施進行比較分析,從而推薦出最佳防腐措施。
  為了便于比較分析,用一個220 kV變電站接地裝置例子加以說明。設流過接地引下線的短路電流為31 kA,短路持續時間取0.65 s,引下線采用全電流,地網與引下線分流系數取75%。

3.1 
  采用熱鍍鋅扁鋼是多數變電站接地裝置采用的防腐措施,它主要利用高溫熱浸時所形成的鋅合金層本身的防腐特征。滿足熱穩定要求的扁鋼截面最小為31×103×√0.65/70=357mm2,可以選取60×6的扁鋼,再考慮每年平均腐蝕0.1mm,截面還應增加50%,變電站接地裝置大約需要鋼材24 t,材料費約為12萬元。

3.2 
  美國等很多國家都用銅做變電站接地裝置,這主要是考慮到變電站接地裝置的重要性和銅的耐腐蝕性和穩定性。我國解放前,也曾大量采用銅作為接地體,像天津塘沽110 kV變電站(解放前建)的接地網用的是銅材,至今仍合格。
  據資料介紹,銅腐蝕不存在點蝕,屬表面均勻腐蝕,銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的(1/5)~(1/10)。從出土的幾千年前的青銅器來看,銅的確具有很高的穩定性和抗腐蝕性。
    銅接地引下線的最小截面為31×103×√0.65/210=119mm2,考慮一定裕度,最終可選取30×5銅帶,變電站接地裝置約需9.5 t銅材,按1999年市場價,如果選取黃銅,材料費約為21萬元,如果選取紫銅,材料費為26萬元。

3.3 
   變電站中采用埋入電位更負的活潑金屬與被保護金屬偶接,從而具有減緩或阻止腐蝕的作用。根據提供保護電流方式的不同,陰極保護法又可分為犧牲陽極和外加電流兩種。國內有的單位又將犧牲陽極法加以改進,鋼體上涂上導電涂料,雖然具體實施上略有差異,但基本原理是相同的,造價也差不多。
  上述220 kV變電站接地裝置需不鍍鋅裸鋼16 t,鋼材費約為4.8萬元,防腐費約15萬元,兩項主材費約為19.8萬元。

3.4 
  目前,國內許多單位正在研制用于變電站接地裝置的導電防腐材料。目前有兩種材料在國內已有應用,一種是近年來用于地網防腐的KV導電防腐涂料,它是一種涂料,直接涂刷于裸鋼上;另一種是降阻防蝕化學劑,主要用于巖石地區接地裝置的降阻和散流,但也有單位只是將它用于防腐蝕,由于這種用途應用單位較少,加之本身有一定腐蝕性,故本文暫不討論。
  采用導電防腐涂料時,該變電站鋼材費加涂料費共需12萬元左右。

3.5 
  設不同防腐措施下的地網埋設深度、地網面積、形式和土壤電阻率均相同。
3.5.1 散流特征
  采用熱鍍鋅鋼材防腐措施時,由于鋼材截面最大,工頻接地電阻最小,散流特性最好。
    陰極保護法和防腐導電涂料法散流特性居中。
  由于銅材截面最小,因此,工頻接地電阻略有提高。由于地網接地電阻主要取決于地網面積和土壤電阻率,對大型的、腐蝕較嚴重的變電站來說,這一影響因素完全可以忽略不計。
   綜合以上分析,對于大型的、腐蝕較嚴重的變電站,以上防腐措施的散流特性相差無幾,均能滿足工程要求。

3.5.2 可靠性
  由于熱鍍鋅鋼存在點蝕,而點蝕速度比年平均腐蝕值高幾倍,因此,地網7~8年便腐蝕斷。雖然可以抽樣開挖檢查,但由于地網大,引下線數量多,很難保證及時檢查到。網內外多次接地裝置事故也說明,鍍鋅鋼接地裝置不可靠。
  銅材不存在點蝕,屬于緩慢的均勻腐蝕,只要堅持定期抽樣開挖檢查,完全可以避免由接地裝置銹斷或熱穩定能力不夠所造成的事故。
  陰極保護法的可靠性與技術方案、施工質量密切相關,可通過定期開挖檢查確定接地裝置狀況。
  防腐導電涂料法的可靠性與涂料的粘結力、涂刷均勻性、施工中有無碰傷、鋼材清潔度及有無毛刺密切相關,但實際運行經驗不多。
  綜上所述,銅接地裝置最可靠,陰極保護法居中,防腐導電涂料法和熱鍍鋅鋼法最不可靠。

3.5.3 壽命價格比
  按照平均年腐蝕率0.1 mm/a,熱鍍鋅鋼接地裝置壽命可達30年,但實際上,由于鋼材存在點蝕,而點蝕速度比年平均腐蝕率高幾倍,因此,熱鍍鋅鋼接地裝置10年便有可能腐蝕斷,網內有的變電站的接地裝置確實如此,這跟實際情況差不多,因此,熱鍍鋅鋼接地裝置在平均年腐蝕率0.1 mm/a情況下,壽命最多15年,壽命價格比為15/12=1.25。
  銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼的(1/5)~(1/10)。銅的年腐蝕率可取為0.02 mm/a,按照上面銅材厚度1 mm裕度計,銅接地裝置的壽命可達50年,壽命價格比為50/26=1.9。
  陰極保護法壽命按設計值30年計,壽命價格比為30/19.8=1.5。
  防腐導電涂料法壽命按廠家給出值30年計,壽命價格比為30/12=2.5。
  綜上所述,防腐導電涂料法和銅接地裝置壽命價格比最高,陰極保護法居中,熱鍍鋅鋼法壽命價格比最低,即最不經濟,盡管一次性投資最低。


3.5.4 綜合比較分析
   熱鍍鋅鋼法、銅接地裝置法、陰極保護法和防腐導電涂料法4種防腐措施的電氣性能基本相同;從可靠性角度看,銅網最可靠,陰極保護法次之,熱鍍鋅鋼法和防腐導電涂料法明顯較差;從經濟效益方面看,防腐導電涂料法和銅網最好,陰極保護法次之,熱鍍鋅鋼法最不經濟。
  綜上所述,對于腐蝕較嚴重的變電站,建議考慮防腐措施時,應優先選取銅網,陰極保護法次之,不應采用熱鍍鋅鋼法,防腐導電涂料法待運行一段時間后再考慮是否采用。

4 結論
   (1)對于腐蝕較嚴重的變電站應選取銅材,不僅可靠性高,壽命價格比也合理,陰極保護法次之,不能采用傳統的熱鍍鋅鋼法,防腐導電涂料法需進一步考驗。
  (2)對于腐蝕輕微的變電站宜選用鋼材,這是因為腐蝕輕微變電站的土壤電阻率往往也很高,工頻接地電阻降不下來,可以充分利用鋼材截面大、散流特性好這一優點。另外,造價也便宜。
   (3)今后新建變電站接地裝置的設計壽命應提高到50~60年,現在的設計壽命25~30年太短,這是因為變電站接地裝置的改造費用要數倍于新建時的費用。接地裝置設計壽命提高到50~60年后,從長遠看,一方面節省了投資費用,另一方面也提高了可靠性。
   (4)什么樣的變電站需要選用銅網,必須具體問題具體分析,也需要盡快制定相應的判斷標準。對于已投運變電站來說,完全可以根據開挖情況,探明地網的實際腐蝕情況,從而指導改造中的材料選取。對于新建變電站,最好提前在站里埋入鋼體,實際測取鋼體腐蝕數據。另外,也可以根據變電站土壤電阻率大小來判斷腐蝕情況,根據網內外經驗,當土壤電阻率小于100Ω/m時,腐蝕性一般較嚴重。
  (5)變電站的土壤情況不同時,接地裝置也應該選取不同的銅材。紫銅、黃銅、青銅在不同腐蝕液中,腐蝕速度是不同的。比如,在試驗溶液pH為5.8時,紫銅的腐蝕速度較快,是黃銅的1.6倍;但在pH為8.7的試驗溶液中,紫銅的腐蝕速度比黃銅慢,大約是黃銅的48%。

(責任編輯:mastersh)
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