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摘要：随着国民经济的快速发展，我国对电力的需求也在快速增长。为了减少长途输电线路因传输电流过大而造成的电力损耗，国家电网提出了以特高压为骨干的电网结构，这对地面系统的导电性能提出了更高的要求。长期以来，我国的接地网主要采用镀锌钢、扁钢、铜包钢等金属材料。由于接地网长期埋在地下，通常使用3~7年后因腐蚀问题需要更换。如果接地网腐蚀严重，不能及时更换接地网，此时，接地网不能满足热稳定性，腐蚀问题会导致接地网整体电阻增大。当电源线遭受雷击或发生短路故障时，电源线所建立的接地网不能迅速释放雷击电流或故障电流。当故障电流值较大时，甚至会烧毁连接在电力线路上的电力设备，不能保证电力系统的安全可靠运行。
关键词：电力工程；金属接地；引下线；腐蚀行为
1试验
1.1电化学腐蚀试验材料及土壤介质
在材料的电化学测试中，选择测试材料并加工成40mm×10mm样品。然后用切割机对环氧树脂板进行切割，将环氧树脂板切割成生长程度适中、宽度为15mm的环氧树脂条。将加工后的试验样品放置在环氧树脂条上，试验材料的背面与铜片可靠连接，然后用热熔胶进行密封处理，仅露出1cm²工作区接触模拟土壤。然后用600 #水砂纸打磨金属样品，暴露金属表面。除油后用丙酮、水洗、无水乙醇清洗、干燥后，放入烘干机中使用。
由于我国地质环境复杂，不同地区的土壤条件也有很大差异。为了保证电化学腐蚀试验结果的准确性，本文选择的基础试验土壤为华北平原土壤，根据土壤中所含的基本物质和比例进行配置。基本物质的类型和比例在华北平原的土壤（参见GBW07401作为土壤成分分析）的参考材料是二氧化硅（65%）、氧化铁（12%）和氧化铝（5%），剩下的18%的其他物质按比例来分配的三个主要元素。然后在土壤中加入适量的氯化钠，配制氯离子质量分数分别为0、0.5%、1%、1.5%和2%的试验土壤。
1.2腐蚀试验所需材料及土壤介质
在对材料进行腐蚀试验时采用的镀锌钢、304不锈钢、铜包钢、石墨基柔性降阻布（发明专利号：ZL201811190534X）均来自输电线路中常用的工程接地材料。在对材料进行腐蚀试验前，用显微镜观察到的材料的微观形貌，如图1所示。
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图1实验前试样的宏观形貌
1.3试验方法
1.3.1电化学测试
电化学测试采用上海辰华仪器有限公司生产的电化学工作站在室温下进行。极化曲线测试采取三电极测试体系，工作电极（绿色接头）为研究的镀锌钢、304不锈钢、紫铜、石墨基柔性降阻布等试样，碳棒为辅助电极（红色接头），饱和甘汞电极（SCE）为参比电极（白色接头）。将待测试品放置在模拟土壤介质中静置30min后进行极化曲线的测试。测量试验电路图如图2所示。测量镀锌钢、304不锈钢、紫铜极化曲线电位扫描范围是相对于开路电位-0.4～+0.4V的范围，扫描速度为1.0mV·s-1。测量石墨布极化电位扫描范围是相对于开路电位-1.5～+1.5V的范围，扫描速率为1mV·s-1，每秒取2个点。
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图2极化曲线测量接线图
1.3.2腐蚀速率试验
对材料的腐蚀速率进行试验时，在土壤中加入氯化钠和纯净水，配置出Cl-质量分数为0.5%、含水率为15%的试验土壤，同时设置对照组的土壤中不含有氯离子。在实际的工程结构中（如图3所示），金属引下线与石墨基柔性接地带的面积比为1∶5。在试验结束后，首先用流动的纯净水轻轻刷洗3种金属表面的泥土，其次用高倍显微镜观察试样腐蚀宏观形貌。最后，采用《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》（GB/T16545—2015）标准规定的方法对上述3种金属表面上的腐蚀产物进行清除处理，用去离子水清洗干净后干燥并称重。在对镀锌钢、304不锈钢、铜包钢的腐蚀速率进行计算时，采用的方法是失重法，其计算公式如下：
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式中：ν—试样腐蚀速率，g·（mm2·a）-1；
S—试样曝露面积，mm2；
t—埋设时间，a；
m—试验前试片的质量，g；
m0—试验后试片的质量（清除腐蚀产物后），g。
2结果与讨论
2.1极化曲线
图4分别为镀锌钢、304不锈钢、铜金属在不同质量分数的氯离子模拟土壤中测得的动电位极化曲线，Tafel区拟合结果见表1。
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图4不同Cl-质量分数土壤介质中试样与石墨布的极化曲线
由图4可知，在模拟土壤介质中，随着Cl-质量分数的增加，石墨布的极化曲线变化不大，镀锌钢和紫铜的极化曲线发生了负向移动，自腐蚀电位逐渐降低，自腐蚀电流增大，阴极极化曲线比阳极极化曲线变化更为明显，说明在所测质量分数范围内，Cl-的质量分数越大，镀锌钢和紫铜的腐蚀越严重。随着模拟土壤介质中Cl-质量分数的增加，304不锈钢的自腐蚀电位先降低，到1.5%Cl-质量分数下，304不锈钢自腐蚀电位最小，增大Cl-质量分数到2%时，自腐蚀电位略有升高。
随着反应的进行，镀锌钢阳极极化曲线与石墨布的阴极极化曲线相交于石墨布的阴极氧极限扩散区，电偶交点位于镀锌钢阳极区，镀锌钢电位较负，处于活性溶解状态，镀锌钢会优先发生腐蚀，由于镀锌钢的电位较负，镀锌钢腐蚀的速度较快。由于土壤介质整体呈中性，腐蚀体系的阳极反应过程会受到土壤氧气含量的控制，氧含量间接反映腐蚀的严重程度，氧含量较高则腐蚀情况较为严重。
表13种不同金属材料在不同Cl-质量分数的土壤介质中自腐蚀和电偶腐蚀相关数据表
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根据表1可知，3种金属电偶腐蚀电位低于自腐蚀电位的数值，由于土壤是一种导电的电解质，当异种电子导体材料同时在土壤中暴露并相互接触时，由于腐蚀电位的不同，异种材料之间的电位差会驱动电子从腐蚀电位较低的材料（电偶对阳极）流向电位较高的材料（电偶对阴极），造成电偶对阳极材料腐蚀加速。并且，根据数据表1可知，金属材料和石墨材料偶接后的电偶腐蚀电流密度大于材料的自腐蚀电流密度。因此，对于金属试样和石墨电偶对，金属作为活泼材料的腐蚀速度会加快。而在腐蚀介质中，材料的腐蚀电位越低则材料越容易发生腐蚀，但是，电偶腐蚀电位高于材料的自腐蚀电位，电偶电流密度却大于自腐蚀电流密度的原因是材料在形成电偶腐蚀后，加快了电子的移动速度，造成了电偶腐蚀速度快于材料自腐蚀速度的结果。
2.2材料形貌观察及腐蚀速率
对材料进行180天的埋片试验后，利用显微镜观察3种金属材料与石墨材料偶接后的宏观形貌。
结束语
1）在相同的Cl-质量分数下，镀锌钢的耐腐蚀性能最差，304不锈钢的耐腐蚀性能最好。当Cl-在土壤中的质量分数小于2%时，3种金属材料的腐蚀速率随着Cl-在土壤中的质量分数的增加而加快。
2）当土壤含水量20%，土壤中氯的质量分数小于2%，土壤中有足够的氧气维持氧气吸收反应阴极材料，阳极金属材料的钝化行为不会造成的阴极反应缓慢。
3）当当土壤介质中Cl的质量分数较大时，不宜采用镀锌钢作为石墨基柔性接地装置的接地引线。对接系统电导率较低时，可采用304不锈钢金属作为接地引线。对接系统电导率高时，可采用铜金属作为接地引线。
参考文献：
［1］邱波，赵勇，夏清.我国中长期电力需求增长趋势研究[J].中国能源，2018，40（11）：21-27.
［2］马志豪.不同接地材料引下线部分的试验及仿真研究[D].郑州：郑州大学，2018.