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1、降阻剂专家浅谈火力发电厂防雷接地设计方案第1部分：降阻设计此处以某海边火力发电厂为例。该厂主要由给排水系统、燃料（煤场）系统、热力系统、动力系统、发电系统、变压系统、控制系统、其它设施构成。整厂可供敷设地网面积约为150000m2，土壤电阻率约为2000.m，而接地电阻要求0.5，有较大难度，同时要保证地网使用寿命30年。由于该厂处于海岸区域，土质一般为沙石，其土壤电阻率较大，同时海岸区域含盐量极高，腐蚀性强，对地网和给排水系统两道海下管道的使用寿命构成威胁，所以，选用抗腐蚀的接地材料和完善的阴极保护十分重要。11降阻思路。该项目土壤电阻率约为2000.m，要求接地电阻小于0.5欧姆，难度较大
2、。根据公式估算，常规地网只能打到2.58，若靠传统的接地材料，只加密接地网格和增打普通垂直接地极是无法达到接地要求的，必须采取高效的降阻材料，此处采用了防雷行业接地通用的防腐离子接地体，离子接地体的降阻性能优越，设计上通过降低单套离子接地体的接地电阻的方式，逐套进行优化，然后在多个区域合理布置并联，同时通过水平地网与垂直深井的综合降阻能力，达到接地要求。由于电厂接地降阻技术已日趋成熟，且应用广泛，降阻设计中包含的防雷接地，均压等详细设计此处不再赘述。 12防腐思路。1.2.1钢材：总设分析了当地土壤腐蚀的机理及防止接地网腐蚀的各种措施，对接地网采用钢导体、铜导体、锌导体和牺牲阳极的阴极保护等防
3、止腐蚀的方法进行了技术经济比较。一般接地系统由金属材料组成，由于接地材料长期埋设在土壤中，通常受到土壤的腐蚀和电气排流造成的杂散电流的影响，导致接地系统材料产生严重的腐蚀，使接地材料截面减小(薄)、穿孔甚至断开，严重影响接地系统的热稳定性和电气的连续性，给发电厂造成严重的安全隐患。据统计，应用镀锌扁钢和镀锌钢管或角钢的接地网，一般接地网运行十年，快的34年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换，使投资增数倍。传统的接地装置，大多采用圆钢、扁钢、角钢或钢管等碳素钢材。铁是一种化学性质比较活泼的元素，在常温常湿的条件下就能与多种非金属元素及盐类发生化学反应，会锈蚀和腐蚀。在一般的土壤中，碳钢的年平均腐蚀
4、厚度在02mm左右；在严重污染的环境中，最大年平均腐蚀厚度达3mm。为减缓腐蚀速度，多采用热镀锌件，锌的抗腐蚀能力比铁高，在一般土壤中，镀锌扁钢埋于地下的平均腐蚀速度为0065 mma，但是，我国的热镀锌层厚度一般只有005006mm，仅起到一年的保护作用。因此，在强腐蚀性土壤介质中，碳钢接地网仅靠镀锌层来保护是远远不够的，所以，选择钢材作为水平接地体在海边火力发电厂接地中使用是不适宜的。1.2.2铜材：与碳钢相比，多数有色金属电阻值低，且有较好的选择性抗腐蚀能力。常用的有色金属材料有铜、铝、铅、锌等，在接地材料中用得较多的是铜和锌。其中铜在低浓度的NaOH、CO2、海水等环境中有较好的抗腐蚀
5、能力；常温下年平均腐蚀厚度也不足001mm。但在该方案中，如果地网大面积使用铜材，如图：1区由牺牲阳极为管道提供保护，2区为地网，根据牺牲阳极保护法（在被保护金属上连接一个电位较负的金属作为阳极，它与被保护金属在电解液中形成一个大电池。电流由阳极经过电解液而流入金属设备，并使金属设备阴极极化而得到保护）可知，牺牲阳极为电位更负的金属为管道提供保护，但地网大面积使用铜网后，2区地网的电位更正，1区埋地钢质管道和牺牲阳极一起就变成了2区整个地网的牺牲阳极，这将加速埋地管道的腐蚀，从而违背总设对给排水埋地管道进行防腐蚀保护的要求，所以，此处不可采用电位比钢铁更正的金属材质作为大量使用的接地材料，见下
6、表1，铁的电位为-0.44，比铁电位更正的铜材不适合使用，所以，本工程不推荐采用铜材作为接地网的主材。表1:常用金属材料的电极电位（单位为V，在温度+25以及与标准氢电极比较离子活性为1时）元素 符号 电位差 元素 符号 电位差 钙 Ca -2.84 镍 Ni -0.23 镁 Mg -2.38 锡 Sn -0.14 铝 Al -1.66 铜 Cu +0.337 锰 Mn -1.05 银 Ag +0.80 锌 Zn -0.763 铅 Pb +0.80 铁 Fe -0.44 金 Au +1.42 1.2.3锌材:众所周知,锌的导电率约为钢的2倍,锌在高腐蚀地区的腐蚀率约为50微米，锌的电位为-0.
7、763，比铁更负。作为导电材料，锌优于钢材，导电性能好，电气性能稳定；作为防腐蚀材料，3毫米厚的锌线可以保持60年，耐腐蚀年限长；更重要的是，锌的电位比铁更负，大面积使用不会对整个电厂的埋地钢质管网的使用寿命构成威胁，是此类电厂设计中最理想的接地材料。其制造工艺为：通过特殊加热挤压工艺将纯锌（0#锌）压覆到低碳钢上形成双金属复合导体。棒体内部无任何残留物，棒体表面经过防腐蚀处理，从而克服了传统扁钢圆钢接地的腐蚀造成的使用寿命短的问题。所以，本方案选择了ZSC16（外径为16mm）锌包钢接地圆线，锌层厚度大于3毫米。垂直采用经过特殊防腐处理的厚度5mm的钢质防腐离子接地体，经防腐蚀计算,材料使用
8、年限都大于30年.1.3地网接地电阻的理论推算已知条件：土壤电阻率=2000.m；接地电阻允许值R0.5；水平接地极采用200mm2锌包钢圆线；垂直接地极采用ALG防腐离子接地体；水平接地极的接地电阻R1：: 土壤电阻率：2000mS：地网面积：约为150000m2；Lc:水平接地极总长度，4300m;a:埋设深度，0.8m;k1:比例系数，1.05；k2:比例系数，4.9；要达到0.5欧姆的接地电阻，增加垂直接地极的接地电阻为R2:：利用系数，0.95;单套防腐离子接地体的接地电阻R3：L: ALG防腐离子接地体的长度：3.0m；D：接地极等效直径：0.20m;垂直接地系统要达到0.58欧姆
9、的接地要求，需要垂直接地极的数目： n： ALG防腐离子接地体的数量: 根；：多根垂直接地体利用系数：0.85；通过理论计算,接地电阻值即可降到0.5以下，达到接地要求。由于地网建设中的诸多不可预知因素，如果实测地网接地电阻不能达到要求，则需增加垂直接地极数目或采取其他降阻措施。第2部分:阴保设计2.1阴极保护的概念:阴极保护是防止地下金属结构物腐蚀的最为有效的方法。它是通过向被保护的金属结构物表面通入足够的阴极极化电流，使金属的电位向负的方向移动，使之在电解质中难于失去电子，从而使金属的电化学腐蚀得到有效抑制。它是一种电化学防护方法，和别的防腐手段不同的是，它是通过对腐蚀反应进行积极的干预，
10、从根本上抑制电化学的腐蚀的发生，因而保护效果彻底和有效。阴极保护分为牺牲阳极和外加电流阴极保护两种。2.2阴极保护方法的选择:牺牲阳极保护法是在被保护金属上连接一个电位较负的金属作为阳极，它与被保护金属在电解液中形成一个大电池。电流由阳极经过电解液而流入金属设备，并使金属设备阴极极化而得到保护。外加电流阴极保护系统由直流电源、辅助阳极地床和参比电极等组成。依靠外加直流电源的电流来进行极化使金属腐蚀减缓。辅助阳极的作用是将电源提供的直流电经由介质传送到被保护的结构物上去。2.3牺牲阳极法与外加电流法的技术特点比较无论是外加电流法还是牺牲阳极法，均可以对被保护结构物实施完全保护，但由于提供电流的方
11、法不同，两种方法又各有其特点。目前这两种方法均已得到广泛应用。根据需要和特点，在某种场合下可能采用牺牲阳极更合适；而在另一场合则采用外加电流法更有利。所以，根据保护对象所处的环境及当地条件，进行保护方法的合理选择是很有必要的。表2列出了这两种方法的比较。表2 牺牲阳极系统及外加电流系统的比较牺牲阳极系统 外加电流系统 （1）不需外电源；（2）由于输出的电流有效，只用于覆盖层良好的结构或局部性保护；（3）安装较为简单；（4）要用手提式仪表对每个阳极或相邻两价目阳极之间进行检测；（5）要用许多阳极；（6）对邻近的结构物很少有影响；（7）电流输出不能控制但有自动调节倾向，如果条件改变使电位变正，故电
12、动势增大，因而电流增大，涂层不易损坏；（8）大块阳极会阻碍水流，引起湍流，对循环水造成阻力；（9）可用螺栓或焊接方法直接固定在被保护表面上而不必开孔；（10）铁脚受阴极保护；（11）不可能接错，所以极性不会变换。（12）适用于简单的（单一的）地下结构物阴极保护； （1）需要外电源（2）输出的电流较大，可用于大型的无覆盖层结构（3）设计要小心，虽然电流输出容易调节；（4）检测点较少，仪表安装在电源处，易于观察；（5 ）所需的阳极数量一般很少；（6）对邻近的结构物有影响但容易排除；（7）不论外界条件如何变化，均可自动控制电位；（8）可用小型的阳极，阻力可忽略；（9）在被保护结构物上要开孔；（10）
13、至电源正极的导线必需很好绝缘，否则会遭受土壤或水的腐蚀；（11）使用时要核对极性，因为接错后极性变换能加速腐蚀；（12）适用于地下结构复杂的区域性保护；从上面分析可以得出，牺牲阳极阴极保护适合于保护碳钢接地系统。而且牺牲阳极法与外加电流法比较，牺牲阳极法一次性投资较大，运行维护工作量小。外加电流法一次性投资较小，运行维护工作量较大，运行时需要用电，后期投入较大。综上所述，对该电厂工程采用牺牲阳极阴极保护方案。2.4牺牲阳极材料的选择:2.4.1作为牺牲阳极材料，应该具备下列条件： 阳极的电位要负，即它与被保护金属之间的有效电位差（即驱动电位）要大；电位比铁负而适合做牺牲阳极的材料有锌基（包括纯
14、锌和锌合金）、铝基及镁基三大类合金。 在使用过程中电位要稳定，阳极极化要小，表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。 单位重量阳极产生的电量大，即产生1A时电量损失的阳极重量要小。三种阳极材料的理论消耗量为：镁为0.453g/A?h，铝为0.335g/A?h，锌为1.225g/A?h。 阳极的自溶量小，电流效率高。由于阳极本身的局部腐蚀，产生的电流并不能全部用于保护作用。有效电量的理论发生电量中所占的百分数称为电流效率。三种牺牲阳极材料的电流效率为：镁5055；铝8085；锌9095。 价格低廉，来源充分，无公害，加工方便。下面分别对锌基、铝基及镁基三大类合金牺牲阳极作简单介绍，其性能对比见表3。阳
15、极种类性能锌阳极ZnAlCd 铝阳极AlZnInCd 铝阳极AlZnSnCd 镁阳极MgAlZn 成分/ Al 0.30.6Zn 0.0250.1Fe0.005 Zn 2.5In 0.02Cd 0.1 Zn 5Sn 0.5Cd 0.1 Al 6Zn 3 比重/g?cm3 7.13 2.91 3.02 1.99 理论发生电量/A?g1 0.82 2.93 2.87 2.21 海水中1mA/cm2 电流效率/ 90 85 80 60 开路电位（SCE）/V -1.12 -1.2 -1.2 -1.6 实际发生电量/A?g1 0.74 2.49 2.30 1.19 消耗率/kg?A1 11.8 3.8
16、 3.8 7.2 土壤中0.03mA/cm2 电流效率/ 75 65 - 45 实际发生电量A?g1 0.62 1.90 - 1.00 2.4.2锌基、率基、镁基牺牲阳极的性能比较2.4.2.1锌与锌合金阳极锌与铁的有效电位差较小，如果钢铁在海水、纯水、土壤中的保护电位为0.85V，则锌与铁的有效电位差只有0.2V左右。如果纯锌中的杂质铁含量0.0014，在使用过程中阳极表面上就会形成高电阻的、坚硬的、不脱落的腐蚀产物，使纯锌阳极失去保护效能。这是因为锌中含铁量增加会形成FeZn相，而使其电化学性能明显变劣。在锌中加入少量铝和镉可以在很大程度上降低铁的不利影响。这时锌中的铁不再形成FeZn相，而优先形成铁和铝等的金属间化合物，这种铁、铝等金属化合物不参与阳极溶解过程，使阳极性能
