随着变电站容量的扩大及接地短路电流故障的 不断发生, 因接地网腐蚀导致接地材料变脆、起 层、松散, 甚至发生断裂带来的问题也越来越突 出。近年来, 变电站运行中曾多次发生因接地网缺 陷造成的事故。对广东电网运行10 年及以上的35 ～220 kV 变电站接地网进行挖土检查, 发现有60 多个变电站的接地网均有不同程度的腐蚀, 尤其运 行20 年以上的变电站, 其接地网腐蚀就更严重。 运行多年的接地网, 由于腐蚀性土壤环境中的电化 学腐蚀以及电网设备运行时泄漏造成的腐蚀会造成 接地网断裂, 使接地设备无法运行; 接地体截面积 变小或与土壤接触不良, 导致接地电阻值升高或接 地体热稳定截面积不够, 给系统的安全运行带来极 大的隐患。 沿海地区的变电站接地网腐蚀现象更为严重, 尤其接地网的引下线更易遭受腐蚀, 而发现问题后 对接地网的翻修改造难度很大。因此, 防止接地网 腐蚀, 保证接地设备性能的稳定性, 延长接地网的 使用寿命的目的, 对提高电网工作稳定性具有重要 的现实意义。 1 接地网腐蚀机理 目前接地网大多采用扁钢、角钢或钢管焊接而 成, 这样, 接地网的腐蚀实际上就是金属铁在土壤 中的腐蚀。 111 腐蚀形式 金属铁在土壤中的腐蚀有3 种形式(按机理不 同来划分) 。 11111 化学腐蚀 化学腐蚀属于自然腐蚀的范畴, 是接地体与周 围环境接触介质直接进行化学反应而引起的一种自 发腐蚀, 如铁物质被氧化生成氧化铁, 其化学反应 第23 卷第1 期广东电力Vol123 No11 2010 年1 月GUANGDONG ELECTRIC POWER J an12010 式为2 Fe + O2 = 2 FeO 或4 Fe + 3O2 = 2 Fe2 O3 。 沿海地区输变电的接地引下线表面上往往附上 1 层水膜, 更加快了接地体的腐蚀进程。 11112 电化学腐蚀 土壤是由固态、液态和气态3 种物质构成的复 杂混合物。土壤胶体带有电荷, 并吸附一定数量的 阴离子, 当土壤存在少量水分时, 土壤水即成为一 种电解质溶液, 土壤中的部分氧气溶解在水中, 与 接地体构成1 个氧化还原电池。接地网产生阳极, 其化学方程式是Fe - 2e = Fe2 + ; 土壤产生阴极, 其化学方程式是O2 + 2 H2 O + 4e = 4O H - (中碱性) 和2 H + + 2e = H2 (酸性) 。 阳极接地体逐渐失去电子, 变成铁锈, 引起接 地网的腐蚀。沿海地区空气潮湿, 空气中的水分夹 带一定数量的溶解盐类, 这些水分依附在接地体时 就是电解质溶液, 电解质溶液会快速腐蚀钢铁组件。 11113 微生物腐蚀 如果土壤严重缺氧, 接地网就难以产生上述电 化学腐蚀, 但土壤中存在各种细菌, 如硫酸盐还原 菌、铁细菌等, 这些细菌依靠腐蚀反应所释放的能 量进行繁殖, 其中引起铁腐蚀的主要是硫酸盐还原 菌, 腐蚀的化学反应式为4 Fe + H2SO4 + 2 H2 O = FeS + 3 Fe (O H) 2 , 腐蚀的结果是接地体的局部被 损坏, 造成孔腐蚀。 112 与腐蚀有关的土壤因素 以上3 种腐蚀形式中, 以电化学腐蚀最为严 重。与接地网腐蚀有关的土壤因素主要有孔隙度、 含水量、电阻率、酸度及含盐量。这些因素相互影 响、相互联系、共同作用。 2 接地网防腐蚀的常用方法 目前解决接地网腐蚀的主要方法有以下3 种: 第一, 加大接地体的截面积; 第二, 采用铜或其它 耐蚀性能优良而且经济性好的导电材料; 第三, 碳 钢镀锌。以上3 种方法都存在投资大的问题, 或者 增大了接地体的接触电阻。 在土壤腐蚀性较严重的地区, 常用镀锌钢代替 普通碳钢达到防腐延寿的目的。由于锌的腐蚀电位 较普通碳钢的低, 在土壤介质中, 锌先被腐蚀掉而 保护了普通碳钢, 达到延长碳钢的使用寿命的目 的。实际上, 镀锌钢用作接地网材料时, 其耐蚀性 能较普通碳钢没有多大提高, 与接地网连接的镀锌 钢材料在不到1 年时间里, 其表面镀锌层就已经被 电解腐蚀掉, 而未与接地网连接的镀锌钢材料的表 面镀锌层却完好。这是因为接地网除了受到土壤自 然腐蚀的作用外, 还受到变电站接地网泄漏时的电 流电解腐蚀。在没有电流作用的情况下, 镀锌钢的 使用寿命的确较长, 但是作为接地材料, 由于受到 接地电流的作用, 镀锌钢表面的镀锌层很快被电解 掉, 因而镀锌钢对延长接地网的使用寿命实际作用 不大[ 1 ] 。 因此, 利用材料表面防护技术, 开发一种导电 防腐涂层, 使接电网在开挖期内不受腐蚀, 将成为 解决接电网腐蚀的较佳方案。 3 超音速活性电弧喷油加工的原理 311 超音速活性电弧喷油加工的结构和原理 超音速活性电弧喷油加工是新发展起来的一种电弧 喷油加工方法, 其主要创新点是在电弧喷油加工所用压缩空 气的基础上, 加入了丙烷或者丙烯等活性气体。过 饱和的活性气体和压缩空气在燃烧室混合(压力均 在017 MPa 以上) , 经过电火花塞点燃, 燃烧后产 生压力, 形成高速的热气流, 通过喷嘴进入集气 室, 在集气室汇成高速射流, 离开喷抢后, 燃烧气 体迅速膨胀, 产生超音速火焰气流, 以2 倍音速以 上的速度带动电弧, 电弧将均匀送进的丝材熔化, 并经超音速的活性火焰气流, 将熔化的丝材雾化为 粒度细小、分布均匀的粒子, 喷向工件形成涂层。 超音速活性电弧喷油加工喷抢的结构如图1 所示。 图1 超音速活性电弧喷抢示意图 312 超音速活性电弧喷油加工的优势 超音速活性电弧喷油加工系统喷油加工温度高, 加上超 音速气流加速, 雾化作用可以产生颗粒细小的喷油加工 粒子, 其速度接近或超过音速, 从而获得高质量的 喷油加工层, 成为热喷油加工最新的热点技术。与常规的电 弧喷油加工相比, 该系统的优点是沉积率高, 约为 第1 期聂铭: 超音速活性电弧喷油加工技术在接地网腐蚀防护中的应用53 75 %; 涂层致密, 孔隙率约为1 %; 喷油加工射流集中, 飞行距离长, 喷油加工距离可在很大范围内调节, 提高 了工艺的适应能力; 涂层光滑、均匀, 表面精度 高; 喷油加工粒子速度高, 超过音速; 喷油加工粒子细小、 均匀; 基体过热少。 随着热喷油加工设备的更新换代, 粒子速度不断提 高, 涂层质量不断得到改善。超音速活性电弧喷油加工 是一个不断熔化—雾化—沉积的重复过程, 但在雾 化方式上, 超音速活性电弧喷油加工与普通电弧喷油加工有 差别: 普通电弧喷油加工采用亚音速雾化, 而超音速活 性电弧喷油加工采用超音速雾化。与亚音速雾化相比, 超音速活性电弧的雾化效果好, 雾化后的粒子细小 均匀、速度高, 能获得高质量的涂层。 用于喷油加工的丙烷或丙烯可调节成过饱和, 这样 在与氧气燃烧以后, 还有一部分剩余下来, 这种还 原气氛对丝材的喷油加工粒子起到气体保护作用。具体 方法是在调好燃气与空气的比例时, 适当调大燃气 的分量, 因为丙烷或丙烯等液体燃气主要是C 元 素和H 元素的化合物, 这些元素极易氧化, 在粒 子飞行时, 多余的燃气就充当还原剂, 保护了粒子 金属, 避免它们直接与空气接触发生氧化反应, 大 大减少涂层的氧化程度, 提高涂层的结合强度。多 余的燃气对粒子有保温作用, 如果没有这些多余的 燃气保温, 粒子在飞行时, 就直接与大气接触, 到 达基材时, 粒子的温度会由于大气的冷却而大大下 降, 不利于粒子的变形雾化。得到燃气的保温, 粒 子可以保持较高温度与基材接触, 有利粒子与基 体、粒子与粒子之间的结合, 从而提高涂层的结合 强度和涂层的内聚强度。 4 接地网导电防腐涂层的设计思路 运用电弧喷油加工技术在钢铁基体上制备防腐层的 方法, 在国内外已经得到广泛的应用, 但该技术在 接地网防腐方面还应用不多。内蒙古电力科学研究 院把该技术应用在包头供电局220 kV 古城变电 站、110 kV 巴盟五原变电站的接地网防腐中, 收 到了良好的效果[ 2 ] 。在实践中还发现电弧喷油加工不仅 在防腐方面功效显著, 在降低接地网接地电阻方面 也收到良好的效果。针对土壤这种特定的腐蚀环 境, 要满足接地网防腐的需要, 所制备的涂层必须 导电性能良好, 电阻率尽量低于土壤电阻率, 与被 保护金属相接近; 防腐性能良好, 有耐酸、碱、盐 腐蚀的能力; 施工工艺简单, 机械强度适当, 价格 适宜。 5 结论 a) 运用超音速活性电弧喷油加工技术对接地网实 施防腐处理, 是解决接地网腐蚀的有效途径之一。 b) 接地网防护涂层的设计必须兼顾防腐性能 和导电性能的需求, 导电防腐复合涂层的制备将成 为研究的重点。 c) 喷油加工技术应用于接地网防腐还刚起步, 必 须在实践中不断积累经验, 从防腐设计要求、施工 规范等方面不断完善。 5 结束语 随着对电网供电可靠性要求的不断提高, 220 kV 备自投装置将更加广泛地应用于500 kV 变电 站。由于500 kV 变电站的220 kV 备自投装置要 比传统220 kV 变电站中的220 kV 备自投装置的 动作逻辑复杂, 这就要求在工程准备阶段, 充分结 合变电站的特点, 完善220 kV 备自投装置的功能 和逻辑。 |
