CN107764730B - 一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属电力系统领域，具体涉及一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，在设计接地网腐蚀裕量时解决了以往设计人员只能通过查表或估算确定材料的这个关键参数。该方法包含两种金属材料在电力接地环境中主要的腐蚀类型：土壤对金属材料的电化学腐蚀和电气环境中工频入地电流对接地材料的电腐蚀，以及包含对这两种腐蚀类型的金属接地材料腐蚀裕量设计公式。本发明涉及的腐蚀裕量设计方法简单易行，不需要大量计算。而且，本发明在设计环节考虑到接地网由于工频入地电流导致的材料工频电流腐蚀，这在以往的接地设计中是没有的，该设计方法可以广泛应用于电力行业内发电、输变电、弱电控制以及其他需要接地的领域。
Description
技术领域
本发明属电力系统领域，具体涉及一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法。
背景技术
腐蚀裕量在工程设计中的基本含义是：在设备(容器、管道、法兰、阀门及泵等)正常寿命期，因环境介质的腐蚀作用而导致设备失效时的最大允许腐蚀深度，电力领域中对接地网的作用是用于泄流、均压、保障电网和电气设备安全运行，接地材料的失效会造成接地性能变坏，地网均压导体之间或接地引线与均压导体之间存在电气连接不良的故障点。若遇到电力系统发生接地短路故障，短路电流无法在土壤中充分扩散，造成接地网本身局部电位差和地网电位异常升高，使接地设备的金属外壳带高电压而危及人身安全，除给运行人员的安全带来威胁外，还可能因反击或电缆皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，击穿二次保护装置绝缘，使高压进入控制室，将监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故，甚至损坏设备，扩大事故，破坏电网系统稳定，带来巨大的经济损失和不良的社会影响。
随着变电站容量的不断扩大，接地网安全运行的要求越来越严格，对接地网的热稳定性、耐腐蚀性的要求也就越高。接地材料处于输变电地下，除本身受到土壤环境的腐蚀、侵蚀，还长期受到电场环境中感性、阻性入地电流的作用。最近针对接地网材料腐蚀的研究结果发现，这种入地电流对接地网材料的影响非常大，由于接地网入地电流的存在，导致接地网材料的腐蚀速度大大增加，甚至导致接地网阴极保护系统失效。因此，必须保证接地网材料具有一定的腐蚀裕量，使其在设计寿命期内为电力设备提供有效、安全的保障。
腐蚀裕量一般可根据金属材料在环境介质中的均匀腐蚀速率和材料的设计寿命确定，现有的对金属接地材料腐蚀裕量设计只能查有关设计手册，无法根据接地材料实际的应用环境、腐蚀因素的变化具体设计材料的腐蚀裕量。在绝大多数的情况下，这种查表得到的腐蚀裕量设计与接地材料的实际应用效果差别相当大，一方面可能导致接地网在设计寿命期内提前失效，另一方面由于腐蚀裕量设计过大导致材料重量和厚度增加，造成不必要的浪费。随着电力技术的发展，对接地系统的要求越来越高，目前这种查表式的设计越来越不适应电力接地的技术发展，需要一种能够精确表征金属接地材料腐蚀的方法和腐蚀裕量的精确计算方法。
接地网金属材料埋设在土壤当中，并直接与大地接触，因此土壤腐蚀是接地极材料最主要的腐蚀类型。土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合，由土粒、水、空气所组成，是一种复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙，孔隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是一种离子导体。土壤的性质和结构是不均匀的、多变的，土壤的固体部分对埋设在土壤中的接地体的金属表面来说，是固定不动的，而土壤中的气、液相则可作相对有限运动。土壤的这些物理化学性质，尤其是电化学特性直接影响着土壤的腐蚀过程的特点。同时，接地网是电力设备的一部分，且处于电气环境中。当变电站内变压器、开关、避雷器等设备由于负载变化、三相峰值电流不均、相位不均或由于气候、污染物等因素，造成线路绝缘性差导致线路中形成工频入地电流通过接地极进入大地，通过接地极流出。流出部位由于电流的作用发生电化学腐蚀反应，使接地极材料腐蚀加速进行。因此，在计算金属接地材料的腐蚀时必须考虑这两种因素。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，深入研究了金属接地材料腐蚀的机理和影响因素，能够精确计算金属接地材料在设计寿命期内腐蚀量以及金属接地材料的腐蚀裕量。
本发明的技术方案是：
一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，该方法包含两种金属材料在电力接地环境中主要的腐蚀类型：土壤对金属材料的电化学腐蚀和电气环境中工频入地电流对接地材料的电腐蚀，以及包含对这两种腐蚀类型的金属接地材料腐蚀裕量设计公式。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，环境土壤对金属材料的电化学腐蚀速率的确定方法，通过土壤腐蚀环境5参数打分法计算材料在土壤环境中电化学腐蚀率的范围，为接地材料富裕量设计方法提供基本参数。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，接地材料在电气环境中工频入地电流对材料电腐蚀的计算公式，根据该公式精确计算由于工频电流导致金属接地材料的腐蚀速度，预测金属接地材料在服役期内可能产生的最大腐蚀总量。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，金属接地材料腐蚀裕量设计公式，该设计公式包含材料设计寿命、材料电化学腐蚀速率、工频入地电流电腐蚀速率等关键参数。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，采用多因素综合指标打分法分级划分评价土壤的腐蚀性：
a采用的评价因素包括：
(1)土壤电阻率；
(2)土壤氧化还原电位；
(3)电位梯度；
(4)金属接地材料在土壤中的瞬时腐蚀速率；
(5)土壤含盐量；
b评价简化条件
上述五种因素为影响土壤腐蚀性的主要因素；
上述五种因素的权重相同；
c单因素评价
首先，采用单一指标法按照相应的标准进行评价；然后，按照各因素的评价结果对项目进行多因素综合土壤腐蚀性评价；
d多因素综合打分
将各单指标评价的结果打分量化，其中土壤电阻率和电位梯度分三级，分值采用5－3－1分制；氧化还原电位划分为四级，分值采用5－3－1－0分制；其余五级因素的分制采用5－4－3－2－1分制；各种因素的权重相同，各种因素在最终评价体制中所占比重也相同；
打分后将每测试点的打分结果相加，得到每个测点的土壤腐蚀性量化指标。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，金属材料土壤电化学腐蚀速率取分级结果的上限值，即：
Ve＝Max(V)
其中，Ve为材料电化学腐蚀速率，mm/a；V材料腐蚀分级腐蚀速率，mm/a；
金属接地材料的工频电流腐蚀速率与工频电流密度有关，随着工频电流密度的增加而增大，采用下式表达：
Vc＝ln(a+bI)
其中，Vc为金属接地材料的腐蚀速率，mm/a；I为施加在材料上的工频电流密度，mA/m2；a,b为拟合参数。
所述的电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，腐蚀裕量设计计算公式采用下式表达：
r＝f×(Vc+Ve)×T
其中，r为材料设计腐蚀裕量，mm；f为设计常数，取1.2～1.5；T为材料涉及寿命，年。
本发明的优点及有益效果：
1、本发明精确计算金属接地材料设计寿命期内腐蚀总量的计算方法和腐蚀裕量的计算方法，利用数学方法可以半定量的计算接地金属材料在设计地区土壤环境中的腐蚀速度，通过半定量的腐蚀速度计算获得的材料腐蚀裕量更为精确，一方面可以准确的预测金属材料在服役期内的腐蚀总量，减小由于设计裕量不足导致的材料在设计寿命期内提前失效，或由于设计裕量过量导致的材料浪费；另一方面可以通过精确设计降低接地材料在全寿命周期内的使用成本。
2、本发明涉及的腐蚀裕量设计方法简单易行，不需要大量计算。而且，本发明在设计环节考虑到接地网由于工频入地电流导致的材料工频电流腐蚀，这在以往的接地设计中是没有的，该设计方法可以广泛应用于电力行业内发电、输变电、弱电控制以及其他需要接地的领域。
附图说明
图1辽宁地区钢接地材料的土壤腐蚀分级图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，包含两种金属材料在电力接地环境中主要的腐蚀类型：土壤对金属材料的电化学腐蚀和电气环境中工频入地电流对接地材料的电腐蚀，以及包含对这两种腐蚀类型的金属接地材料腐蚀裕量设计公式。环境土壤对金属材料的电化学腐蚀速率的分级确定方法，通过土壤腐蚀环境5参数打分法计算材料在土壤环境中电化学腐蚀率的范围，为接地材料富裕量设计方法提供基本参数。接地材料在电气环境中工频入地电流对材料电腐蚀速率的计算公式，根据该公式可以精确计算由于工频电流导致金属接地材料的腐蚀速度，预测金属接地材料在服役期内可能产生的最大腐蚀总量。金属接地材料腐蚀裕量设计公式，该设计公式包含材料设计寿命、材料电化学腐蚀速率、工频入地电流电腐蚀速率等关键参数。
对金属接地材料在土壤中的电化学腐蚀速度分级有很多方法，常用且简单的方式是采用单项指标作为土壤腐蚀性的分级标准，在某些情况下是能够适用的，但过于简单，而且容易出现误判。研究结果表明，没有一个因素可以作为正确判断土壤腐蚀性的可靠标准。事实上，土壤理化因素时常受到季节、气候、地理位置、排水、蒸发等影响，造成土壤腐蚀性的主要因素可能完全不同，所以采用单一因素判断土壤腐蚀性是不严谨的。综合考虑国内外的土壤腐蚀性评价方法的优缺点，本着实用、准确判断的原则，本发明采用多因素综合指标打分法分级划分评价土壤的腐蚀性。
a采用的评价因素包括：
(1)土壤电阻率；
(2)土壤氧化还原电位；
(3)电位梯度；
(4)碳钢在土壤中的瞬时腐蚀速率；
(5)土壤含盐量；
b评价简化条件
上述五种因素为影响土壤腐蚀性的主要因素；
上述五种因素的权重相同；
c单因素评价
首先，采用单一指标法按照相应的标准进行评价；然后，按照各因素的评价结果对项目进行多因素综合土壤腐蚀性评价。
d多因素综合打分
将各单指标评价的结果打分量化，其中土壤电阻率和电位梯度分三级，分值采用5－3－1分制；氧化还原电位划分为四级，分值采用5－3－1－0分制；其余五级因素的分制采用5－4－3－2－1分制。各种因素的权重相同，各种因素在最终评价体制中所占比重也相同。
打分后将每测试点的打分结果相加，得到每个测点的土壤腐蚀性量化指标。这种方法考虑到各个因素的判别结果的综合作用，使判别结果更加准确，也更能代表测试点内土壤的腐蚀性。
金属材料土壤电化学腐蚀速率取分级结果的上限值，即：
Ve＝Max(V)
其中，Ve为材料电化学腐蚀速率，mm/a(毫米/年)；V材料腐蚀分级腐蚀速率，mm/a；
根据研究成果，金属接地材料的工频电流腐蚀速率与工频电流密度有关，随着工频电流密度的增加而增大，可以用下式表达：
Vc＝ln(a+bI)
其中，Vc为碳钢的腐蚀速率，mm/a(毫米/年)；I为施加在材料上的工频电流密度，mA/m2；a,b为拟合参数，拟合参数可以通过各地不同土壤进行模拟实验，在施加不同工频交流电流密度下，测试金属接地材料的腐蚀速率，然后利用上式进行拟合，得到拟合参数a，b。
腐蚀裕量设计计算公式可以用下式表达：
r＝f×(Vc+Ve)×T
其中，r为材料设计腐蚀裕量，mm；f为设计常数，取1.2～1.5；T为材料涉及寿命，年。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例
利用本发明的方法对钢材料在辽宁地区的腐蚀速度进行分级研究，分级所需的土壤指标数据来自于对辽宁地区土壤的现场测试结果。如图1所示，从辽宁地区钢接地材料的土壤腐蚀分级图可以看出，沈阳地区的腐蚀分级为中等腐蚀，电化学腐蚀速率取最大值Ve＝0.2mm/a。碳钢材料工频入地电流与电流密度之间的关系为：
Vc＝ln(0.98+0.0065I)
如果变电站接地网的工频最大入地电流I为20mA/m2，a＝0.98，b＝0.0065，利用上式计算得工频入地电流腐蚀速率为0.105mm/a。
取接地材料使用寿命为20年，f取1.2，则碳钢接地材料的腐蚀裕量为：
r＝1.2×(0.2+0.105)×20＝7.32mm
实施例结果表明，本发明在设计接地网腐蚀裕量时，解决了以往设计人员只能通过查表或估算确定材料的这个关键参数，通过对接地材料在土壤中的电化学腐蚀与电腐蚀的大量研究与腐蚀调查，利用数学方法可以半定量的计算接地金属材料在设计地区土壤环境中的腐蚀速度，通过半定量的腐蚀速度计算获得的材料腐蚀裕量更为精确。
Claims (1)
1.一种电力系统中金属接地材料腐蚀裕量的设计方法，其特征在于，该方法包含两种金属材料在电力接地环境中主要的腐蚀类型：土壤对金属材料的电化学腐蚀和电气环境中工频入地电流对接地材料的电腐蚀，以及包含对这两种腐蚀类型的金属接地材料腐蚀裕量设计公式；
环境土壤对金属材料的电化学腐蚀速率的确定方法，通过土壤腐蚀环境5参数打分法计算材料在土壤环境中电化学腐蚀率的范围，为接地材料富裕量设计方法提供基本参数；
接地材料在电气环境中工频入地电流对材料电腐蚀的计算公式，根据该公式精确计算由于工频电流导致金属接地材料的腐蚀速度，预测金属接地材料在服役期内可能产生的最大腐蚀总量；
金属接地材料腐蚀裕量设计公式，该设计公式包含材料设计寿命、材料电化学腐蚀速率、工频入地电流电腐蚀速率关键参数；
采用多因素综合指标打分法分级划分评价土壤的腐蚀性：
a 采用的评价因素包括：
（1）土壤电阻率；
（2）土壤氧化还原电位；
（3）电位梯度；
（4）金属接地材料在土壤中的瞬时腐蚀速率；
（5）土壤含盐量；
b 评价简化条件
上述五种因素为影响土壤腐蚀性的主要因素；
上述五种因素的权重相同；
c 单因素评价
首先，采用单一指标法按照相应的标准进行评价；然后，按照各因素的评价结果对项目进行多因素综合土壤腐蚀性评价；
d 多因素综合打分
将各单指标评价的结果打分量化，其中土壤电阻率和电位梯度分三级，分值采用5－3－1分制；氧化还原电位划分为四级，分值采用5－3－1－0分制；其余五级因素的分制采用5－4－3－2－1分制；各种因素的权重相同，各种因素在最终评价体制中所占比重也相同；
打分后将每测试点的打分结果相加，得到每个测点的土壤腐蚀性量化指标；
金属材料土壤电化学腐蚀速率取分级结果的上限值，即：
其中，Ve为材料电化学腐蚀速率，mm/a；V材料腐蚀分级腐蚀速率，mm/a；
金属接地材料的工频电流腐蚀速率与工频电流密度有关，随着工频电流密度的增加而增大，采用下式表达：
其中，Vc为金属接地材料的腐蚀速率，mm/a；I为施加在材料上的工频电流密度，mA/m2 ；a,b为拟合参数；
腐蚀裕量设计计算公式采用下式表达：
其中，r为材料设计腐蚀裕量，mm；f 为设计常数，取1.2～1.5；T为材料涉及寿命，年。
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