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        技術答疑

        變電站接地網防腐蝕治理措施有哪些?

        變電站接地網是用于工作接地、防雷接地、保護接地的重要設施,是確保人身、設備、系統及變電站安全運行的重要環節。在設備運行的壽命期內,接地裝置除接地電阻值滿足要求外,還必須保證接地系統能可靠穩定的工作。從運行安全的需要考慮,對接地系統的具體要求:一是電氣連通,網絡完整,在正常工作和事故時能形成良好的導電通道,起到均壓和泄流的作用;二是接地導體具有必要的機械強度,能承受在機械外力作用和土壤受氣候影響時,對接地體產生的各種環境應力;三是能滿足短路時的熱穩定要求;四是接地電阻要穩定。這些方面都離不開接地材料的使用壽命要求。
         隨著電網技術的不斷發展,電網安全穩定的重要性不斷提高,解決接地網腐蝕,保證接地性能的穩定性,延長接地網使用壽命,是電力系統安全經濟生產所迫切需要解決的課題。為了抑制地網的進一步腐蝕,對變電站接地網采取陰極保護措施,由于接地網面積較大,為達到期望的保護效果,傳統犧牲陽極陰極保護年限達不到,且變電站接地網二次改造,大面積開挖難度大,而外加電流的陰極保護技術開挖面積小,保護范圍廣,特別適合于已建地網的陰極保護建設,所以從技術性和經濟性綜合考慮,確定采用外加電流深井陽極地床的陰極保護,能有效抑制地網的進一步腐蝕,確保護變電站接地網長期有效,減少了地網二次開挖改造的費用及改造的難度,同時也對新建變電站的接地網防腐提供了新的方法。
         
               關鍵詞:變電站,接地網,陰極保護,深井陽極
         
        引言
         
        近年來國內因為接地網存在缺陷引起的變電設備大面積燒毀事故時有發生,按照國家電力公司關于《防止發生電力生產設備事故的二十五項反事故措施》的要求,對運行1 0年以上的110kV~220kV變電站進行開挖檢測及腐蝕情況調查,在調查中發現部分變電站接地網存在大量嚴重缺陷,其中部分接地網腐蝕嚴重,甚至設備接地引線斷裂。由于接地網缺陷造成事故發生,導致系統停運,設備損壞。因此,要求對接地裝置的可靠性和使用壽命給予足夠的重視。通常,影響接地裝置腐蝕的因素有:土壤含水、含鹽量不同、含氧量差異、pH值、土壤電阻率大小、微生物細菌活動等電化學不均勻性,構成腐蝕原電池,以及地下的交、直流雜散電流造成的電解電池腐蝕等,這些都加速了埋地鋼質接地網的腐蝕。
         
        我國由于資源、經濟等原因,前些年接地網所用的材質主要為普通碳鋼或鍍鋅碳鋼。接地網因源于普通碳鋼在腐蝕性土壤環境中的電化學腐蝕以及輸變電設備運行中的泄流電流造成的電解腐蝕,使其銹蝕甚至斷裂,造成接地性能不良,危及設備及人身安全,帶來巨大的損失。
         
        由于接地網埋設在地下,對接地網的檢查、維護及翻修改造需耗費大量的人力物力,操作困難,費用巨大。目前一般是每1年左右對接地網抽樣開挖檢查一次,這種方法帶有盲目性,工作量大、速度慢,并受現場運行條件的限制。因此,解決接地網腐蝕的診斷和防護問題,提高接地網材料自身的耐腐蝕性能,保證接地性能的穩定性,延長接地網的使用壽命,降低設備運營成本,是電力系統安全經濟生產所迫切需要解決的課題。
         
        本文以西北格爾木地區某110kV變電站接地網防腐蝕改造設計、施工及測試過程為代表案例作相關論述。
         
        1、工程概況
         
         
        1.1現場勘測
         
        1.1.1 現場測試數據
         
        (1)土壤電阻率測試
         
        平均土壤電阻率,則為25.6Ω·m。
         
        (2)接地電阻
         
        設備區主地網接地電阻
         
        R =1.5Ω
         
        (3)現場地網開檢測
         
        注:最大點腐蝕腐蝕深度=原扁鋼厚度-扁鋼實測厚度(平均)+實測最大點腐蝕深度
         
            CSE — 飽和硫酸銅參比電極
         
        1.1.2 土壤腐蝕性綜合測試
         
        在地網附近開挖進行土壤取樣,在實驗室進行分析測試(根據德國DIN50929),
         
         
        1.2 地網腐蝕評估
         
        1.2.1腐蝕評估依據
         
        依據DIN50929和DL/T 5394進行。
         
        1.2.2現場測試評估依據
         
              1.2.3 土壤腐蝕性評估依據
         
        1.3地網及環境腐蝕性分析
         
        1.3.1現場腐蝕測試結果分析
         
         
        現場測試:由上表可知該區域土壤腐蝕性屬于強腐蝕性狀態;雜散電流對接地網的腐蝕處于中等;接地網的平均腐蝕深度(9年)已達3.24mm;最大點腐蝕深度為7.92mm,由此可見,局部地網已瀕臨穿孔。
         
        1.3.2 實驗室土壤分析測試評估
         
        實驗室測試:根據標準DIN50929判斷土壤腐蝕性為強腐蝕。
         
        1.4地網技術改造必要性
         
        1.4.1勘察結論
         
        (1)該接地區域土壤腐蝕屬于強等級,對金屬有強腐蝕性。
         
        (2)該接地網材料的平均腐蝕速率0.18mm/a,目前扁鋼平均厚度(9年)已不到5mm,局部地方已出現腐蝕穿孔。
         
        1.4.2技術改造必要性分析
         
        1.4.2.1最小截面驗算
         
        DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》對接地線的最小截面進行驗算,其驗算公式為:
         
        接地線的最小截面積應符合下式要求:
         
        式中:-接地線的最小截面,mm2
         
              -流過接地線的短路電流穩定值,根據經驗110kV變電站在20000A左右。
         
              -短路的等效持續時間,為0.5s~2s,一般取0.5s(發生短路故障時根據開關柜保護斷路時間確定);
         
              -接地線材料的熱穩定系數;(鋼為70)
         
        則需要最小截面為:=202 mm2。
         
        本接地網扁鋼規格為60×8,即截面為480 mm2,本區域地網腐蝕率為0.18mm/a,有如下計算:
         
        1.4.2.2 必要性分析
         
        (1)變電站接地網是用于工作接地、防雷接地、保護接地的重要設施,是確保人身、設備、系統及變電站安全運行的重要環節。在設備運行的壽命期內,接地裝置除接地電阻值滿足要求外,還必須保證接地系統能可靠穩定的工作。從運行安全的需要考慮,對接地系統的具體要求:一是電氣連通,網絡完整,在正常工作和事故時能形成良好的導電通道,起到均壓和泄流的作用;二是接地導體具有必要的機械強度,能承受在機械外力作用和土壤受氣候影響時,對接地體產生的各種環境應力;三是能滿足短路時的熱穩定要求;四是接地電阻要穩定。
         
        (2)標準DL/T 5394-2007  《電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則》對接地網做出了嚴格防腐規定。
         
        (3)結論
         
        a)上述“1.4.2.1”中驗算得知:當運行10年后,地網截面積基本能滿足要求,15年后已不能滿足要求了。
         
        b)綜合以上測試測試結果,該區域接地區域腐蝕性強,地網材料腐蝕嚴重,按0.23mm/a腐蝕速率(兩面腐蝕),再運行6-9年,地網將會出現大面積腐蝕斷裂。若腐蝕狀況現在不加以控制,將會嚴重影響地網泄流和熱穩定要求,一旦出現雷擊或長時間故障電流,后果將不堪設想,需盡快啟動對本變電站地網進行技術改造計劃。
         
        2、技術改造方案
         
        2.1工程概況
         
        2.2.1接地材料
         
        該110kV變電站修建于2002年4月,未經過改造。地網埋深1.5m。地網由以下材料構成:
         
        2.2.2 土壤電阻率
         
        變電站內由混凝土以及地磚鋪設,因此在變電站外區域檢測土壤電阻率。檢測結果:
         
        根據上表可以判斷該區域土壤電阻率較均勻,計算取平均土壤電阻率,則為25.6Ω·m。因勘察前一天有下雨,故季節系數取1.5.
         
        2.2設計標準
         
        GB/T 21246-2007 《埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法》
         
        GB/T 21448-2008 《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》
         
        DL 475-2006     《接地裝置工頻特性參數的測量導則》
         
        DL/T 621-1997    《交流電氣裝置的接地》
         
        DL/T 5394-2007  《電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則》
         
        NACE RP-0572-85《外加電流深井陽極地床的設計、安裝、操作和維護》
         
        2.3方案設計
         
        2.3.1保護對象
         
             變電站所有接地網
         
        2.3.2設計思路
         
        2.3.2.1陰極保護方式選擇
         
        根據提供陰極電流的方式不同,陰極保護又分為犧牲陽極和外加電流法兩種。犧牲陽極法是由一種比被保護金屬電極電位更負的金屬或合金與被保護金屬電連接所構成。犧牲陽極因較活潑而優先溶解,釋放出電流供被保護金屬構筑物陰極極化,實現保護。外加電流法是將外部交流電轉變成低壓直流電,通過輔助陽極將保護電流傳遞給被保護的金屬構筑物,使之陰極極化,達到陰極保護的目的,從而使腐蝕得到抑制,系統通過參比電極測量電位并將控制信號反饋給恒電位儀,以調節輸出電流,從而使金屬構筑物始終處于良好的保護狀態。 針對接地網改造的現場特殊性,有如下比較:
         
        根據以上描述并結合項目實際情況,本設計采用外加電流深井陽極陰極保護技術。
         
        2.3.2.2外加電流深井陽極陰極保護系統的組成
         
        外加電流深井陽極陰極保護系統由恒電位儀、深井輔助陽極、陰極接點、零位接陰點、參比電極和電源組成。恒電位儀首先將交流電流轉換為可控的直流電流,通過恒電位儀的陽極電纜,流向深井輔助陽極,由深井輔助陽極良好接地后由大地流入接地網,再由焊接在接地網上的陰極電纜流回恒電位儀構成回路,恒電位儀源源不斷的給接地網補償電子,系統通過參比電極測量電位并將控制信號反饋給恒電位儀,以調節輸出電流,從而使金屬構筑物始終處于良好的保護狀態,使接地網的陰極保護電位控制在-0.85V~-1.2V之間;或者在接地網沒施加陰極保護之前的自然點電位基礎上負偏移100毫伏。
         
        2.3.2.3輔助陽極選擇
         
        外加電流法根據輔助陽極類型不同分為:MMO預組裝輔助陽極體和高貴鑄鐵預組裝輔助陽極體。有如下比較:
         
        MMO陽極有以下特點:
         
        l 使用壽命長。陽極屬完全鈍化性質,消耗率極低。
         
        l MMO陽極電流輸出分布均勻,保護完全。
         
        l 重量輕,施工方便。
         
        根據項目實際和相關標準,本區域采用6口輔助陽極深井,內裝4組MMO材質的CPMMO-Z40預組裝陽極體。共用一陰極保護室(主控樓內),采用1臺恒電位儀控制3口陽極深井以輸出保護電流。備用一臺恒電位儀。共鉆建40米深井6座,深井間距不小于40米,處于接地網中均勻布置。
         
        2.3.3 計算方法
         
        依照電力行業標準 DL/T5394-2007相關規定。
         
        2.3.3.1保護電流密度的選取
         
        取i=40mA/m2。(標準的7.3.3中第1、第4條及考慮到老地網的嚴重腐蝕狀況)
         
        2.3.3.2保護面積計算
         
        2.3.3.4所需電流計算
         
        I=i×S=0.04×1666.8≈66.7A
         
        2.3.3.4陽極壽命計算
         
        用貴金屬氧化物時使用壽命僅考慮貴金屬氧化物涂層的使用壽命就能滿足使用年限要求。
        圖片1
         
        其中:
         
        Y — 陽極設計使用壽命,h;
         
        W — 陽極強化實驗,240h;
         
            i — 強化實驗電流密度,15000A/m2;
         
            I — 陽極工作電流密度,11.8A/m2。
         
         
             MMO陽極設計使用壽命Y=305084小時,換算為34.8年,大于30年的設計要求。
         
        2.3.3.5 陽極地床設計
         
        (1)陽極的位置、深度與土壤電阻率和保護面積多少有關。陽極地床確定的原則:土壤電阻率較低原則,陽極地床均勻布置原則,陽極垂直于地網安裝。
         
        (2)陽極地床接地電阻計算
         
        本工程綜合電阻率選取為25.6Ω.m,深井陽極深18米,直徑0.3米。
         
        依據提供土壤電阻率由接地電阻經驗公式:
         
        單口井陽極的接地電阻
         
         
        可以得出:R=1.08Ω
         
        2.3.3.6陰極保護恒電位儀設備設計
         
        1)陽極的位置、深度與土壤電阻率和保護面積多少有關。陽極地床確定的原則:土壤電阻率較低原則,陽極地床均勻布置原則,陽極垂直于地網安裝。
         
        (2)陽極地床接地電阻計算
         
        本工程綜合電阻率選取為30Ω.m,深井陽極地床深40米。
         
        依據提供土壤電阻率由接地電阻經驗公式:
         
        單口井陽極的接地電阻
         
         
        可以得出:R=1.5Ω,
         
        3口井并聯
         
         
                                        =0.6Ω
         
        K為接地電阻屏蔽系數,取1.2
         
        2.3.4 陰極保護恒電位儀設備功率選型
         
        恒電位儀就是能給被保護的金屬結構物提供一個受控制的直流電流,使被保護的金屬結構物始終穩定在一個保護電位范圍內。影響恒電位儀的主要因素:保護埋地金屬構筑物需要的電流,整個回路的電阻,所控制井的發散電流量。同時考慮陰極保護設計年限及考慮設備余量為1.5倍左右。
         
        總保護電流需要66.7A,總共設計為6口井,每臺恒電位儀控制3口深井,共設計2臺恒電位儀
         
        根據電器設備要求,在外加電流陰極保護中:
         
        a額定電流=保護電流×1.5(保險系數)
         
        b額定電壓=陽極地床的接地電阻×額定電流×1.2(回路電阻)
         
        根據以上要求計算,考慮恒電位儀運行狀況,本工程中選用50V/70A恒電位儀。
         
        安裝CPH-1恒電位儀2臺(50V/70A),每臺恒電位儀控制2口井的電流輸出。
         
        恒電位儀技術性能指標:
         
        ①規格型號: CPH-1數顯式高效節能恒電位儀
         
        ②輸入電源:AC380/50Hz
         
        ③輸出參數:最大輸出電流DC50A,最大輸出電壓50V
         
        ④參比電位:-0.30~-3.00V連續可調
         
        ⑤控制精度:≤5mV
         
        ⑥輸入阻抗≥1010Ω
         
        ⑦適用環境:-15℃~45℃
         
        ⑧抗交流干擾能力:不小于30V
         
        ⑨紋波系數:≤5%
         
        ⑩凈重:≤90Kg
         
        ⑾誤差報警:-30 mV~100 mV 
         
        2.3.5 陰極保護站
         
        陰極保護站用來放置系統主要設備恒電位儀,位置定在距離電源較近的地方建設,暫考慮設在主控樓,同時要考慮靠近陽極地床旁,降低成本,陰保間電源要求380V/50Hz >2.5KW。
         
        2.3.6 測試樁的設計
         
        為便于檢測保護電位的情況,全廠設立電位測試點7個,兼輸入恒電位儀5個。材料統計為:CPC-G2測試樁7套,CPCC-M硫酸銅參比電極7套。
         
        2.3.7電纜
         
        設計陰極陽極電纜型號VV22-0.6/1 1×16mm2電纜;參比電纜和零位接陰電纜1型號VV22-0.6/1 2×6mm2(具體電纜的數量以現場定陽極地床位置和恒電位儀取電源位置確定)。
         
        3、測試結果
         
         
        3.1數據記錄分類
         
        1)保護電位比自然電位偏移100 mV保護時的數據輸出記錄
         
        2)保護電位達到-0.85V要求時的數據輸出記錄
         
        3)陰極保護電位記錄
         
        4)陰極保護前后接地電阻測量數據(陰極保護3個月后進行測量)
         
        3.2陰極保護腐蝕掛片保護度(陰極保護3個月后進行開挖)
         
        3.2.1腐蝕速率比較
         
        失重法計算保護度
         
        P=
         
         
        P——保護度
         
        W0——未保護試片原始重量,g;
         
        W1——清除腐蝕產物后未保護試片重量,g;
         
        S0——未保護試片裸露面積,cm2;
         
        W0’——保護試片原始重量,g;
         
        W1’——清除腐蝕產物后保護試片重量,g;
         
        S1——保護試片裸露面積,cm2
         
        圖中:受陰極保護的鋼片表面生成了一層致密的鈣鎂離子沉積物,鋼片變厚,但無任何銹蝕,未受保護的鋼片銹蝕比較明顯,同時鋼片變薄。
         
        4、結論
         
         
        4.1采用綜合指標法對接地區域土壤的腐蝕性進行診斷,可以作為新建接地網選材依據和改建接地網使用壽命判斷。
         
        4.2通過現場測試結果可以得出:對已地網的防腐蝕改造從技術、施工及保護效果上是可行,也是比較經濟的。但還需研究臨近構筑物對保護效果的影響。
         
        4.3本工程采用了一控制多方式進行陰極保護,實際運行表明這樣從技術上是可行,同時可以減少工程投資。
         
        4.4深井陽極地床陰極保護在變電站接地網防腐蝕改造中有如下優點:
         
        (1)改造不妨礙、不破壞現有設備實施運行,最大限度滿足民生需求,不停電;
         
        (2)改造要滿足接地電阻和接地網安全結構方面的要求;
         
        (3)技術成熟、可靠并有相關標準可遵循;
         
        (4)改造系統經濟合理性、易施工。
         
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