在早期直流輸電工程的海岸和海水接地極中廣泛應(yīng)用

課程內(nèi)容第七章高壓直流輸電線路2024/8/131一、接地極作用接地極主要作用有：

1）鉗制中性點電位。如單級金屬回線、雙極兩端不接地、雙極一端接地

2）鉗制中性點并提供直流電流通路。單級大地回線、雙極兩端接地接地極電流：單極運行電流、兩極不對稱運行電流、兩極對稱運行電流2024/8/132二、接地極運行特性直流輸電大地回線方式的優(yōu)點顯而易見，但也會帶來負面影響。其主要表現(xiàn)在三方面：電磁效應(yīng)、熱力效應(yīng)、電化效應(yīng)。①直流電流場會改變接地極附近大磁場，可能使依靠大地磁場工作設(shè)施受影響。如：指南針、船上的磁羅盤②大地電位升高，對地下金屬管道、鎧裝電纜、接地電氣設(shè)備（變壓器、電力系統(tǒng)等）影響，因為這些設(shè)備比大地更能提供卸載電流通道。③極址附近出現(xiàn)跨步電壓和接觸電勢

④與接地極相連的接地引線中的諧波電流產(chǎn)生多頻交變磁場可能影響無線通訊⑤對水生物影響。電位梯度達到2.5V/M時，魚類會處于假死狀態(tài)。⑥海水中產(chǎn)生氯氣，腐蝕金屬、橡膠等材料設(shè)備，毒死水中生物。（1）電磁效應(yīng)

當強大直流電流經(jīng)接地極注入大地時，在極址土壤中形成一個恒定直流電磁場并伴隨出現(xiàn)大地電位升高、地面跨步電壓、接觸電勢等。2024/8/133（2）熱力效應(yīng)●熱力效應(yīng)由于不同土壤電阻率的接地極呈現(xiàn)出不同的電阻率值，●在直流電流的作用下，電極溫度將升高?！癞敎囟壬叩揭欢ǔ潭葧r，土壤中的水分將可能被蒸發(fā)掉，●土壤的導(dǎo)電性能將會變差，電極將出現(xiàn)熱不穩(wěn)定，●嚴重時將可使土壤燒結(jié)成幾乎不導(dǎo)電的玻璃狀體，●電極將喪失運行功能。影響電極溫升的主要土壤參數(shù)有土壤電阻率、熱導(dǎo)率、熱容率和濕度等。因此，對于陸地(含海岸)電極，希望極址土壤有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，有較大的熱容系數(shù)和足夠的濕度，這樣才能保證接地極在運行中有良好的熱穩(wěn)定性能。2024/8/134●當直流電流通過電解液時，在電極上便產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)；●電解液中的正離子移向陰極，在陰極和電子結(jié)合而進行還原反應(yīng)；●負離子移向陽極，在陽極給出電子而進行氧化反應(yīng)?！翊蟮刂械乃望}類物質(zhì)相當于電解液，當直流電流通過大地返回時，在陽極上產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使電極發(fā)生電腐蝕。電腐蝕不僅僅發(fā)生在電極上，也同樣發(fā)生在埋在極址附近的地下金屬設(shè)施的一端和電力系統(tǒng)接地網(wǎng)上。

此外，在電場的作用下，靠近電極附近土壤中的鹽類物質(zhì)可能被電解，形成自由離子。譬如在沿海地區(qū)，土壤中含有豐富的鈉鹽(NaCl)，可電解成鈉離子和氯離子。這些自由離子在一定的程度上將影響到電極的運行性能。（3）電化效應(yīng)2024/8/135

依據(jù)接地極運行時所表現(xiàn)的待性，并考慮到接地極運行特性和地中電流的分布情況，極址一般應(yīng)具備以下條件：

三、對接地極極址的要求1）和換流站要有一定的距離，通常在20～60km之間，不要太近，也不要太遠。如果距離太近，則換流站接地網(wǎng)易拾起較多的地電流，影響電網(wǎng)設(shè)備的安全運行和腐蝕接地網(wǎng)；如果距離太遠，則會增大線路投資和造成換流站中性點電位過高。另外，極址對重要的交流變電站也要有足夠的距離，一般應(yīng)大于lOkm。2）有寬闊并且導(dǎo)電性能良好(土壤電阻率低)的大地散流區(qū)，尤其是在極址附近范圍內(nèi)，土壤電阻率應(yīng)在100Ωm以下。這對于降低接地極造價，減少地面跨步電壓和保證接地極安全穩(wěn)定運行起著十分重要的作用。3）土壤應(yīng)有足夠的水分，即使在大電流長時問運行的情況下，土壤也應(yīng)保持潮濕。表層(靠近電極)的土壤應(yīng)有較好的熱特性(熱導(dǎo)率和熱容率高)。接地極尺寸大小住往受到發(fā)熱控制，所以土壤具有好的熱特性，這對于減少接地電極的尺寸是很有意義的。2024/8/1364)附近無復(fù)雜和重要的地下金屬設(shè)施，無或盡可能少地具有接地電氣(如電力、通信)設(shè)備系統(tǒng)，以免造成地下金屬設(shè)施被腐蝕或增加防腐蝕措施的困難，避免或減小對接地電氣設(shè)備系統(tǒng)帶來的不良影響和投資。6)接地極引線走線方便，造價低廉。5）按地極埋設(shè)處的地面應(yīng)該平坦，這不但能給施工和運行帶來方便，而且對接地極運行性能也帶來好處。2024/8/137接地極材料是指接地極散流(饋電)材料和活性填充材料。接地極散流(饋電)材料的作用：將電流導(dǎo)人大地；活性填充材料的主要作用：是保護饋電材料，提高接地極的使用壽命，改善接地極發(fā)熱特性，一般只用于陸地接地極和海岸接地極。常用的散流材料有：1）鐵（鋼）2）石墨3）高硅鑄鐵與高硅珞鐵4）鐵氧體電極5）銅四、接地極材料2024/8/138●鐵(鋼)碳鋼分為低碳鋼(含碳量<0．25％)、中碳鋼(含碳量為0．25％—0．6％)和高碳鋼(含碳量>0．6％)三種。●經(jīng)研究結(jié)果表明，碳鋼直接放在土壤中的平均電腐蝕率約9kg／(A·年)；碳鋼碳含量低，抗電解腐蝕性能較強，但差別并不十分明顯。●由試驗結(jié)果表明：放在焦碳中碳鋼電腐蝕明顯地低于9kg(A·年)，但含水量增加腐蝕率也增加，特別是當?shù)叵滤泻S富導(dǎo)電物質(zhì)如NaCl、Ca2+、M／“等時，則鋼棒pf／設(shè)焦炭床結(jié)構(gòu)的鋼棒電解速率將大大增加。此外，隨著含鹽量的增加，碳鋼的電解速率也明顯增大。碳鋼在土壤或海水中，其化學(xué)腐蝕有以下典型的趨勢：氧氣是加速腐蝕的主要原因。土壤(或海水)中含氧量越高，化學(xué)腐蝕速度越快。因為碳鋼表面的局部腐蝕取決于陰極反應(yīng)，陰極反應(yīng)的去極化隨到達陽極的氧含量的增加而加快[o碳鋼在含氧豐富的海水中電化學(xué)腐蝕特別快。參考文獻介紹了碳鋼在含氧豐富的海水飛濺區(qū)的電化學(xué)腐蝕速度是無氧情況下腐蝕速度幾十倍，厚度達1．27mm／年。這是因為在飛濺區(qū)更易獲得O：。直流接地極陽極附近發(fā)生析氧反應(yīng)，附近的土壤存在著大量氧氣，且不斷有補充和增加，直至到含氧量飽和析出。因此，直流接地陽極除電解腐蝕外，還有嚴重的電化學(xué)腐蝕。1．鐵(鋼)碳鋼2024/8/139●石墨是惰性材料，是由焦炭在2000-2400燒結(jié)而成。石墨分子結(jié)構(gòu)呈晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)中不顯示陽離子晶格和流動電子，其共價鍵非常穩(wěn)定，在常溫電解液中不會發(fā)生離子化。其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能更接近金屬，電解速率很小，適合作直流陽極。在早期直流輸電工程的海岸和海水接地極中廣泛應(yīng)用。但是由于石墨具有非常松散的層狀結(jié)構(gòu)，有明顯的多孔性，氣體容易滲入石墨的層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，破壞層間較弱的結(jié)合使石墨變成疏松的粉狀物質(zhì)而溶解。其溶解速度與析出O，量有關(guān)，即與散出電流有關(guān)。一般石墨電極都用合成樹脂浸漬，使合成樹脂在石墨的微孑L中固化，阻止02的侵人。由于陽極析出C1：對合成樹脂有浸漬破壞作用，破壞其固化，使石墨點蝕而溶解。所以在海岸和海水環(huán)境中，石墨電極的壽命取決于浸漬劑保護作用時間的長短，因而限制了這種材料的使用。新西蘭岸邊接地極在運行9年后，用高硅鑄鐵更換了已損壞的石墨電極。目前，在陰極保護業(yè)中，國內(nèi)外基本上都用高硅鑄鐵替代石墨電極，因為高硅鑄鐵也是一種理想陽極材料，且抗腐蝕性優(yōu)于石墨電極。2.石墨2024/8/1310高硅鑄鐵是一種含硅量很高的鐵硅合金，作為一種抗腐蝕材料在陰極保護業(yè)中作輔助陽極材料而廣泛地加以應(yīng)用。自1980年以來，高硅鑄鐵在直流接地極工程中也獲得了越來越多的應(yīng)用。高硅鑄鐵和高硅鉻鐵的電極基本成分3．高硅鑄鐵與高硅鉻鐵高硅鑄鐵之所以具有較強的抗腐蝕性，是因為鑄件表面很容易地氧化成一層致密的Si02薄膜，產(chǎn)生鈍化，從而阻礙了腐蝕的進一步發(fā)展。高硅鑄鐵的抗腐蝕能力，隨合金中含硅量的增加而增強，高硅鑄鐵在有鹵鐵氣體，特別是在有氯氣生成的環(huán)境中應(yīng)用時，由于氯氣的腐蝕性很強，會浸入破壞致密的Si02晶體，使鑄鐵表面產(chǎn)生坑坑凹凹的點蝕現(xiàn)象，加速了高硅鑄鐵電極的腐蝕且不均勻，這就阻礙了它在海水中或其他一些場合的應(yīng)用2024/8/1311國外近幾年研制了新一代電極材料——鐵氧體電極，并在陰極保護業(yè)中得到了推廣應(yīng)用。鐵氧體電極基本屬于不溶性材料，在海水中的電解速率小于1曠(A·年)，經(jīng)實測美國BAC鐵氧體電極在海水中的電解速率為875m~(A·年)4．鐵氧體電極鐵氧體電極的腐蝕特性要優(yōu)于高硅類電極，是電極材料新一代抗腐蝕材料，并在國外的一些陰極保護工業(yè)中得到了應(yīng)用。國內(nèi)也有很多研究機構(gòu)在研制鐵氧體電極，并已成功地研制出適合作為電極的鐵氧體材料，但由于工藝的限制，至今國內(nèi)還沒有一家研制成產(chǎn)品。5．銅銅分為紅銅、黃銅和青銅。但銅的價格卻是鐵的幾十倍，且銅進入土壤后會污染地下水。所以，銅不宜作接地陽極使用。但是，銅對海水的電化學(xué)腐蝕有很好的鈍化作用，裸銅作接地陰極是令人滿意的。2024/8/1312五、接地極設(shè)計接地極分類：1）陸地電極2）海洋電極，其中陸地電極敷設(shè)方式有水平型和垂直型2024/8/1313淺埋型電極埋設(shè)深度一般為數(shù)米，充分利用表層土壤電阻率較低的有利條件。因此淺埋型電極具有施工運行方便，造價低廉等優(yōu)點，特別適用于極址表層土壤電阻率低，場地寬闊且地形較平坦的情況。水平淺埋型最常用的方法是把金屬電極埋設(shè)在焦炭中而不與土壤接觸，如圖所示。即在離地面某一深度(一般為1.5m左右)處開挖一截面為b×b(b一般取0.3～0.6m)的正方形溝道，然后在溝道中填入焦炭層并夯實。在焦炭層的中央敷設(shè)一條鋼導(dǎo)體，最后用回填土將溝道填滿。焦炭必須搗碎，并有20％的細屑，其含量應(yīng)大于92％，含硫應(yīng)小于1％，灰份應(yīng)小于1％。1）陸地水平淺埋型。2024/8/1314貴廣二回直流與云廣特高壓直流工程共用接地極方案采用直徑為940米＋700米二同心圓環(huán)電極布置，電極外環(huán)采用直徑70毫米的鋼棒，埋深4米，內(nèi)環(huán)采用直徑60毫米的鋼棒，埋深3.5米。鋼棒使用焦炭包裹，焦炭斷面尺寸外環(huán)為1.1米×1.1米、內(nèi)環(huán)為0.7米×0.7米，焦炭主要起保護、導(dǎo)流作用。同時為了確保電極安全運行，在電極周邊設(shè)置檢測井、滲水井等裝置，監(jiān)測電極溫升，土壤溫度，電流分布和地面跨步電壓等。例：圖為施工人員在進行土方回填作業(yè)圖為施工人員在進行焦炭填充作業(yè)2024/8/1315井型電極底端埋深一般為數(shù)十米，甚至達數(shù)百米深，如在瑞典南部穿越波羅的海直流電纜輸電工程中的試驗電極，采用了深井型電極，其端部埋深達550m。井型電極最大的優(yōu)點是占地面積較小，且由于這種電極可直接將電流導(dǎo)入地層深處，因而對環(huán)境的影響較小。但井型電極一般適用于表層土壤電阻率高而深層較低的極址或極址場地受到限制的地方。這種形式接地極存在施工難度大，運行時端點電流密度高和產(chǎn)生的氣體不易排出等問題。2）陸地垂直型2024/8/13161）海岸電極。海岸電極導(dǎo)電元件必須有支撐物，并設(shè)有牢固的圍欄式保護設(shè)施