接地装置阴极保护的作用

接地装置阴极保护的作用

【摘要】：目前,接地装置保护的论文有不少在杂志上已发表,本文就目前国内接地装置保护方法和美国电解质接地棒加以比较,讨论接地装置保护的几种作用,和大家一起讨论。

【关键词】：牺牲阳极阴极保护接地装置电解质接地棒接地电阻

1、前言

众所周知，一些电力设备、建筑物等如发生接地短路或遇雷击时，巨大的瞬时电流如不能及时导入大地，后果不堪设想。因此要求电力设备或建筑物的接地电阻越小越好。但是受地质条件的限制，降低接地电阻目前有几种方法如牺牲阳极阴极保护法、降阻剂法、石墨块法等。美国全国要求电器规程允许接地电极接地电阻为25Ω，微电子厂商要求接地电阻远远低于25Ω，一些厂商要求只有5Ω或更小，为了获得理想的接地电阻，每股采用一个或多个电解质接地棒。

电力系统中的设备或大型建筑物其接地电阻随着使用年限的增加接地电阻会逐渐升高，高于设计要求，以至于满足不了接地要求，埋下了事故隐患。

接地电阻为什么会升高呢？原因是多方面的，我国的接地系统中大多使用普通碳钢作为接地装置（当然也有的使用铜质材料和其他材料的），钢铁在土壤或混泥土中会逐渐腐蚀，笔者总结有以下几点：一、导致接地装置截面积缩小，造成热稳定性不足；二腐蚀产物是不良导体包裹在钢铁上，不但造成接地表面积减小，而且是一种绝缘层；三、也可能是地下水位，导致电流不能很快泄掉；四、随着社会的发展，工程扩建或增容，没能使接地装置相应增加等等。虽然原因是多方面的，但主要还是金属在土壤中受到腐蚀，导致接地有效表面积减少而引起的。

2、接地电阻升高的原因

要知道接地电阻升高的原因，还是从电流流入大地的路程说起，雷击电流从地上导入大地经历了三个阶段。

（1）电流从设备或建筑的避雷针沿引下线导入地下接地系统。

这一阶段是金属自由电子传电，其电阻阻力取决于金属本身的导电性能，因此这一阶段应采用导电性良好的金属，钢铁一般都能满足要求，但接触要良好，没有断点，引下线的截面应考虑到将来一、二十年的发展适当增大些。如果这一阶段因腐蚀或机械损伤而导致电流通过的截面积减小或断开，将导致严重后果。

（2）电流导入地下接地体后，电子经过接地体表面与土壤中的介质惊喜电子交换，电子交换的快慢姜直接影响泄流的好坏。

这一阶段是复杂的，接地装置在土壤中会发生腐蚀，土壤是由固态、液态和气态三相物质所组成的复杂混合体质。金属在土壤中的腐蚀受多方面因素的影响，如含水量、含氧量、含盐量、杂散电流、细菌、PH值、土壤的电阻率。土壤的松紧度等等。虽然如此，大多数金属在土壤中都属于氧去极化的腐蚀，只有酸性土壤才发生氢去极化的腐蚀。

在中性和碱性土壤中

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

Fe(OH)3→FeO3

在酸性土壤中

Fe+2H+=Fe2++H2Fe2+→Fe3+

因此接地装置上生成了难溶、高阻的Fe2O3，再加上产生的Ca、Mg盐的沉积，在接地装置上就会有一层难溶的复合沉积盐，这些因素都阻止或减少了自由电子和周围介质的交换，它是接地装置面积减少的主要原因，也是接地电阻升高的主要原因。

这一层坚硬的复合沉淀物阻碍了氧接受变成OH-的离子向远处迁移扩散，接地装置的阴极保护就是针对这一阶段的。

（3）电子交换完成后，其附近的水化离子如不能及时向远处迁移扩散，也能导致接地电阻升高，这取决于当地的土壤情况，解决这一问题一是还土地，再就是增加导电性好的物质或经常向土壤里注水。

（4）通过以上雷击电流传导入大地过程的三阶段（见图一）分析，可以看出，在第一阶段；接触良好，没有机械损伤，实弹增大引下线截面，防止金属在大气中的腐蚀；在第三阶段主要取决于土壤本身性质，加导电性好的武陟或加降阻剂可以改善接地条件。

图1 电流导入大地示意图

3 牺牲阳极阴极保护法

针对电流传导第二阶段从个防腐发角度进行论证分析和采取措施。雷击电流要及时导入大地就要求土壤电阻率低，导电性好，但是土壤电阻率低，土壤介质对金属的腐蚀性就大，若干年后受腐蚀因素的影响，产生复合式沉积物，接地有效表面积减少，接地装置就会逐渐升高；如果土壤电阻率高，腐蚀性小，则导电性差，电流不能及时导入大地。这是一队矛盾的统一体，牺牲阳极阴极保护法成功地解决了这一难题，这时阴极保护原来只简单地考虑腐蚀又多了一层含义。

3.1 牺牲阳极阴极保护原理

金属在土壤中发生电化学腐蚀，是由于金属成分的不均匀性，各部分电极电位不同，形成了原电池，在钢铁组成里Fe的电位比C要负，因此Fe作为阳极牺牲掉，如果在接地装置上在连上一个电位更负的金属M如A1、Zn、Mg则M作为阳极牺牲掉，使Fe得到了保护。牺牲阳极阴极保护图如图2。

图2 牺牲阳极阴极保护示意图

3.2 牺牲阳极材料的选择

作为牺牲阳极材料有A1、Zn、Mg，其中A1不适宜在土壤中使用，一般情况下土壤里大多采用镁阳极，只有在土壤电阻率很低的情况下才用Zn阳极，但行业标准里规定作为接地极的材料宜选用Zn，因此材料的选用应根据设计的要求选用。

3.3牺牲阳极阴极保护的作用

A、保护接地装置不腐蚀；

B、可做接地极使用

C、特殊使用可做接地电池用，具有均压作用；

D、填包料导电性好，有固水作用，可帮助电流及时导入大地。

4 电解质接地棒

根据美国企业电气规程Article250条款，电解质管行接地棒主要用于连接微电子设备等需要很低接地电阻的设备，或应用于由于土壤导电性差而难以获得低电阻的场合中。如果安装得当，管形接地电极会产生导电性良好的电解质，这些电解质渗透到接地棒周围的土壤中，增加了周围大地的导电性。

电解质接地棒如图3：

图3 电解质接地装置的剖面图

电解质接地棒由一根含96%铜和5%镍的导管组成，导管中装有碳酸钙和氯化钠，接地棒的导管顶部和底部有铜帽，靠近顶部处有两个气孔，电解质就通过底部的四个泄露孔渗透到泥土中。

电解电极安装在钻入地下的洞中，将水和斑脱土混合，生成的泥浆用来填充接地棒周围的缝隙。但泥浆并不完全封住接地棒，在它上部留有保护空间，以便连接接地电极接线，并确保电极导管顶部的通气孔没有被封住。

电解电极的工作原理是，碳酸钙能通过顶部的通气孔从空气中吸收水分。重力使得从空气中吸收的水分下沉，流过导管的盐分形成电解质，而电解质是良导体。在导管底部形成一个很小的蓄水池，电解质就在这里聚集。当有足够的电解质聚集在电极底部时，就会从泄露孔中渗到大地中。

空气过滤路中吸收到的水分流过电极导管中的盐，生成大量的金属钠离子。当电解质从电极中渗透到泥土时，大量的金属钠离子增加了电极周围泥土的导电性。电解质还会通过斑脱土渗透到电极的周围。

安装在电极周围边的斑脱土是良导体，它只是一湿润就具有黏性。不管天气变得多干燥，斑脱土都会保持和电极及周遭土壤的紧密接触。这样就消减了电极和周遭土壤间的电阻，最终在接地电极周围形成电阻很低的地壳层。