钟椿平
中国能源建设集团天津电力建设有限公司 天津 300000
摘要：本文主要阐述了接地网中阴极保护技术，以及接地网中阴极保护的建模，进一步分析了接地网中阴极保护的措施，供相关人员参考。
关键词：接地网；阴极保护；重要性
近些年来，我国能源建设飞速发展，成为世界上能源储运大国。电力能源与天然气石油在能源中处于核心地位，因此电力线路建设与管道运输行业发展越来越迅猛，输电线路与埋地油气管道的建设是能源运输的核心，然而电力行业与油气运输行业在最优选址原则上极为相近，输电线路与邻近处油气管道大范围的交叉并列运行现象不可避免，即形成了所谓的“公共走廊”[1]。当输电线路发生故障时，输电线路对邻近处油气管道产生巨大的电磁干扰，易造成管道过电压升高问题，当有管道检修人员接触破损涂层处金属管道时会威胁生命，而且对管道涂层也会产生危害。因此管道安全运行与管道过电压防护问题受到愈来愈多的关注。
1接地网中阴极保护技术
其中，为了降低腐蚀带来的危害，保证电站的安全运行以及工人的人身安全，人们经常采用外加电流阴极保护技术［1］。外加电流阴极保护技术可以有效地避免因雷电而引发的变电站安全事故［2］，对于减少因接地网腐蚀进行的更换，从而降低接地网的维修频率，有着不可替代的重要意义。
外加电流法保护的原理在于给需要保护的金属提供电子，使保护金属极化，从而实现保护的功能。接地网阴极保护系统［1］主要由辅助阳极、接地网、保护电源等几部分组成。接地网系统中使用外加电流法，这样设计在于可以广泛应用不同的接地金属，调节输出电压，适应于各种土壤情况，使用寿命长［2］。设计者从系统的使用时间和可靠性出发，经常采用足够大的安全系数［2］，以保证工程的质量。但是这种为了追求质量的设计，往往增加了工程费用，加大了施工的难度。如何结合实际环境，既能够合理经济地设计［3］，又能满足国家保护标准，阴极保护优化的重要难点就在于设计者如何同时满足两者要求。
2接地网的阴极保护数学模型
根据阴极保护体系所有组成部分及反映体系特性的各种参数关系建立接地网阴极保护体系数学模型。阴极保护数学模型包括问题的描述方程和边界条件。
2.1 构造描述方程
在接地网的外加电流法阴极保护系统中， 电源正极连接辅助阳极，负极连接至被保护构件。 保护电流从阳极进入土壤留至接地网， 在接地网通电点流动的电流从汇流至通电点，并沿电缆回流到电源，如图 1。针对接地网阴极保护体系的实际特点， 本文提出如下假设：（1）电解质为均匀介质。 即土壤均匀、各向同性，土壤电导率 σ 是常数。（2）电位场为稳态场。本文重点研究电位场的空间分布状况， 所以选择稳态场为研究对象。 （3）当电流经过电解质时，遵循欧姆定律。 记(→j）为电流密度 ，为电位 ，为电位梯度 ，Ω 为电解质所在区域，由电学原理可知：→j=-σΔ? （在 Ω 内）。 （4）在电解质中服从电中性原理。 电解质中任一点处的静电荷为零，电流密度的散度为零，即：Δ→j=0。 （5） 辅助阳极是以单位长度为半径的球体，其表面为等位体，可视为源点。 （6）无穷远处土壤的电位为零。
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2.2确定边界条件
上述描述方程是一个二阶偏微分方程， 需设置一些特定的边界条件来补充和限制，才能得到定解。 阴极保护系统边界示意图如图 2 所示， 记阴极保护区域 Ω的边界 C，C=C1+C2+C3+C4。 n 为法向量，C1为阳极工作面，C2为地表面边界，C3为虚设球冠边界，C4为阴极表面边界。
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阴极保护电位场 准 在以上边界满足不同的边界条件：
（1）阳极边界条件。 本文不考虑辅助阳极材料输出电流和电位随时间的变化的情形， 即在 1 上满足第一类边界条件；由于阳极工作面 1 上电位值为已知量，所以有：?|C1=?准0，其中 ?|C1=?0为阳极工作电位，在计算中取阳极电位为恒定值。
（2）地表面边界及虚设球冠边界条件。 地表面没有电流流过，电流密度的变化为 0，在 C2上满足第二类边界条件；对于虚设球冠边界 ，电流不随时间发生变化，为常数零，在 C3上满足第二类边界条件。由于在稳态的阴极保护体系中球冠边界条件方向上电流密度的变化为 0；无穷远处电位为零，即 ?|C3=0。
（3）阴极边界条件。 对于被保护体金属结构（阴极）表面 C4上满足第三类边界条件。
3接地网材料腐蚀防护措施
3.1 应用黑色金属
近年来我国工业化进程逐步加快，各项技术的先进性不断提升，其中钢材售价较低，获取来源较广，强度较高，是当前接地网的重要应用材料，但在实际应用中受诸多因素影响，会产生不同程度的腐蚀问题，其中Fe的氢氧化物以及铁盐不具有保护作用，会加速腐蚀速率。其次，土壤基本组成、电流组成等都会影响局部腐蚀问题，在低氧状态下，各类微生物作用会加速钢材基本腐蚀速率。因此，当前用于接地的钢材通过涂层进行有效防护，使材料与土壤环境保持隔离状态。目前在接地网材料中，铸铁合金应用范围较大，比如应用于各类管道材料，目前地下土壤中铸铁结构大多采用涂层辅以牺牲阳极的防护措施[3]。
3.2 应用有色金属
Cu电阻率较低，其耐腐蚀性较强，在接地网中是常用的接地材料。在酸性土壤中Cu容易发生溶解。在氧气含量及含水率较高的环境中，Cu表面会逐步产生电阻率较高的碱式碳酸铜，受到硫化物等物质影响会导致Cu腐蚀倾向逐步加深。当土壤环境是腐蚀性较强的酸性土壤，要有针对性地选取对应的防护措施，比如常用的涂层保护、阴极保护等。Zn大多是以镀锌钢的形式应用于土壤环境中，能有效适应环境，耐腐蚀性较强。但是当土壤环境中碱性含量较高，会导致腐蚀问题加剧，所以当前技术人员在阴极保护措施中，要在材料表面建立高碱性环境。在正常情况下，在镀锌钢表层涂抹有机涂层是常用的防护措施。和常用的不锈钢材料类似，铝合金是能自钝化的应用材料，容易受到局部腐蚀作用影响。在微生物影响作用中，铝合金基本腐蚀速率会不断加快，但是目前在土壤环境中，铝合金与铝材质腐蚀作用未能得到精确化预判，所以不能在土壤环境中应用[4]。
3.3 适当扩大钢接地体截面积，强化阴极保护
在接地体应用过程中，要对其应用时间产生的腐蚀量进行分析，基于设计不断扩大接地体截面积，补充材料的抗腐蚀性。但是随意扩大截面积会消耗较大的材料应用成本，还会导致运输、施工、加工消耗成本增加。其次，当各类接地体表面产生的各类腐蚀性产物导电作用较差时，会导致接地电阻值不断增大，对接地网散流能力产生较大影响。在电化学防护措施应用过程中，阴极保护应用范围较广，常用的方法主要有牺牲阳极法与外加电流法。其中外加电流法就是通过金属进行保护，电流可调性保护范围较大
4总结
综上所述，结合接地网阴极保护体系的特点，提出了合理的假设条件，得出腐蚀场中电位应满足的描述方程及边界条件并分析了接地网材料腐蚀防护措施。
参考文献
[1]徐曼菲,吴宏超,彭俊,李晓寅.军工装备制造现场接地网智能防腐监控装置设计[J].兵工自动化,2018,37(11):38-43.
[2]李立冬.阀室接地网漏失管道阴极保护电流的处理措施[J].煤气与热力,2018,38(05):47-50.
[3]郭军科,天津地区接地网新材料及适应性防腐蚀技术.天津市,国网天津市电力公司电力科学研究院,2017-07-29.
[4]吕广宁.变电站接地网腐蚀分析及改造应用研究[D].华北电力大学(北京),2017.
[5]韩娟,杜京义.基于有限元法的变电站接地网外加电流阴极保护模型[J].现代计算机(专业版),2017(11):22-25.