变电站接地网的腐蚀机理及牺牲阳极防护研究

摘要

接地网在变电站中起着防雷电、工作接地、泄流均压等作用,是保证变电站安全运行的关键设施之一。它长期埋藏在物理化学性质错综复杂的土壤环境中,且受感应电流和故障电流泄流的影响,引起的腐蚀非常严重。接地网腐蚀导致其厚度减薄甚至断裂,使接地性能劣化。一旦发生电力系统短路故障,短路电流来不及在土壤中充分扩散,造成地电位异常升高,使接地设备外壳带电而危及人身安全,可能损毁二次保护装置,发生误动或拒动而扩大事故,导致大面积停电,造成巨大的经济损失和严重的社会影响。为此,本论文依托陕西省电力公司2011年科研项目《变电站接地网腐蚀规律及预测预防控制关键技术研究》,调查分析陕西省境内变电站接地网的腐蚀现状,建立腐蚀数据库;研究土壤因素对接地网腐蚀的影响规律及腐蚀机理;预测接地网腐蚀程度;提出有效的接地网防腐方法。旨在为接地网防腐蚀设计、运维提供理论依据和技术支持。
　　本研究首先取样分析了65个变电站接地网样本和208个变电站土壤样品;其次在实验室采用强化介质的单因素分析法,研究了6种土壤因素对接地网的腐蚀影响规律;再次采用电化学方法研究了接地网腐蚀模型和机理,提出了土壤中接地网腐蚀的三电层模型和类 PN结结构,较好的解释了腐蚀的微观机理;然后利用神经网络系统、支持向量基、模糊数学等方法建立了接地网腐蚀的预测模型,编制了预测软件,提高了接地网腐蚀预测的准确度;最后利用稀土钇添加方法,改进镁牺牲阳极晶粒细度,改善镁阳极第二相组织形态,制备出保护电位低、电流效率高、抗直流泄流效果好的镁钇牺牲阳极。
　　陕西省独有地理位置以及自然条件导致土壤腐蚀性差异巨大,同时受变电站感应电流和故障电流的影响,接地网周围土壤中有较强的杂散电流干扰,且直流电位梯度绝大多数已达到中等腐蚀程度以上水平,所造成的腐蚀不容忽视;依据土壤腐蚀性评价体系,对30个330kV变电站接地网的统计表明,高腐蚀等级以上占到了总数的83.33％。
　　研究了土壤中6种因素对接地网材料的腐蚀影响,采用相关系数法进行分析,结果显示,影响程度由大到小依次为:总含盐量> SO42->pH> Cl->孔隙率>含水率。交、直流泄流对接地网材料腐蚀有强烈的促进作用。实验室室温试验254天后,与空白相比,外加直流1VDC泄流情况下,腐蚀电位正移了0.0564V,腐蚀速率增大了7.70倍;外加交流20VAC泄流情况下,腐蚀电位正移了0.0430V,腐蚀速率增大了2.99倍。
　　实验室研究了在沙土、红土、黄土和盐渍土四种土壤中接地网材料的腐蚀。无外加电流条件下,腐蚀过程主要为阴阳极共同控制,腐蚀电位随含水量升高而降低,腐蚀性由大到小顺序为盐渍土>黄土>红土>沙土。腐蚀过程表现为双容抗弧的阻抗谱或双容抗弧和扩散过程控制的Warburg阻抗特征谱。四种土壤中,外加交直流电对接地网材料腐蚀有严重影响:电极电流密度随外加直流电压升高而升高,沙土、红土和黄土升高缓慢,而盐渍土升高最为显著;外加交流电压时,在电极上产生了直流分量,对腐蚀有促进作用,但其程度远低于外加直流电流带来的影响。
　　提出了土壤中接地网材料腐蚀的三电层模型:认为电极/溶液界面形成的是双电层的紧密层,其中电极侧吸附有电子,而溶液侧吸附的是金属阳离子,金属阳离子向溶液及溶液/土壤扩散,在扩散层外受氧的还原反应生成的阴离子的作用形成次紧密层,由紧密层、扩散层和次紧密层组成了三电层结构。由于该腐蚀体系中,阴阳极反应均为自发反应,推导出在金属与溶液之间的相界面形成了类PN结结构。当正直流电加载在金属电极时,电极腐蚀过程顺利进行;加载正弦交流电时,总的正向电流大于总的负向电流,表现为电位正偏,有正的直流电流出电极,促进腐蚀。该模型较好的解释了土壤中接地网材料腐蚀的电化学过程以及交直流电泄流对腐蚀的促进现象。
　　土壤各种因素之间相互影响,相互制约,对接地网材料腐蚀影响规律呈现多种复杂的函数关系,具有模糊数学的理论特征。基于BP神经网络的腐蚀预测模型,受初始权值和阈值的影响,随机性大,会严重影响预测精度;支撑向量机预测模型克服了神经网络的初值随机选取问题,但预测贫信息的接地网腐蚀程度时,可能出现较大的误差;模糊数学建模具有充分反映经验数据的优势,模型简单而“鲁棒”性强,预测结果准确度高。
　　本论文进一步在实验室研究了稀土元素钇在不同添加量时的镁合金牺牲阳极性能,结果表明,添加0.1%钇时,打破了镁阳极中β-Mg17Al12相的连续状环,细化了晶粒,消除了保护时的块体剥落,降低了腐蚀速率,提高了电流效率,与空白组相比,提高了大约20%,达到62%。并且显著阻滞了外加正向直流泄流对体系的腐蚀作用,与其他添加量相比,保护电位负移最大,腐蚀电流增加程度最高。保护效率较空白组显著提高,可达到96%。采用0.1%钇添加的镁钇合金牺牲阳极对张东110kV变电站接地网实施保护后,腐蚀电位降低至均值-1.0230V,达到了保护电位不小于-0.8500V的要求,效果良好。

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1. 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究进展

1.3 研究的目的意义和研究内容

2. 变电站接地网腐蚀现状及腐蚀数据库建立

2.1 陕西省土壤概况及取样分析

2.2 土壤腐蚀性评价方法

2.3 变电站接地网腐蚀调查与分析

2.4 陕西省变电站土壤腐蚀性评价

2.5 陕西省变电站土壤腐蚀数据库的建立

2.6 本章小结

3. 土壤因素及交直流泄流对接地网材料腐蚀规律研究

3.1 实验方法与步骤

3.2 土壤因素对变电站接地网材料腐蚀结果与分析

3.3 交直流泄流对接地网材料的腐蚀影响研究

3.4 土壤各因素腐蚀影响的比较

3.4 小结

4 接地网材料电化学腐蚀模型及机理研究

4.1 试验材料与方法

4.2 接地网材料的电化学腐蚀行为研究

4.3 接地网材料土壤腐蚀机理研究

4.4 本章小结

5. 变电站接地网腐蚀速度预测

5.1 BP神经网络建模

5.2 支持向量机法（SVM）建模

5.3 模糊预测建模

5.4 三种预测模型方法比较

5.5 接地网腐蚀预测软件

5.6 本章小结

6. 接地网的牺牲阳极保护

6.1 接地网专用的镁合金牺牲阳极的制备及测试方法

6.2 镁钇合金牺牲阳极的防护效果及分析

6.3 镁钇合金牺牲阳极对接地网材料防护试验研究

6.4 直流泄流对镁钇合金牺牲阳极性能的影响

6.5 张东110kV变电站接地网牺牲阳极工程试验

6.6 本章小节

7. 结论

附表1陕西省接地网腐蚀样品分析

参考文献

本论文的创新点

博士期间取得的成果

致谢