1、铜材接地网的隐患 武汉高压研究院 430074 陈健生 教授级高工 Copper Grounding Conductor Cause Trouble Wuhan High-Voltage Research Institute Chen Jian Sheng 摘 要：该文论述如何选择电力接地网的材料,对铜接地网存在的隐患论证。 通过引证美国标准,试验报告及使用经验;阴极保护防腐蚀机理分析;各地接地网 的使用试验;中国及外国对土壤水质铜含量的限制;论述铜接地网的隐患。 铜材接 地网最大的隐患是将对地网附近混凝土钢构架,地下电缆及管道造成严重阳极腐 蚀,由于大量铜材埋在地下,将对附近土壤水质造成严重
2、环境污染,如用铜接地网 还耍采用复杂的防腐措施保护构架钢材。中国使用钢材接地网已有数十年经验, 不能重复国外走过的弯路。 关键词； 铜接地网 铁接地网 阳极腐蚀 构架腐蚀 环境污染 土壤铜含量 近几年來,各地在500kv电力接地网中较多使用铜材,用铜材接地网是新的事物, 如果对使用铜材缺乏全面正确的了解和论证,必将对变电站和环境污染带來严重 隐患、 下面从四方面发表个人看法,以供参考： 一,国外对接地材料尽量少用铜材； 二,铜材接地网对附近构架钢材造成严重腐蚀； 三,铜材不是对所有土壤都有较好 的防腐性；四,重视铜接地网对水资源土壤的污染。 国外对接地材料尽量少用铜材 中国各地采用铜材接地网的
3、重耍理由是：国外都用铜材做接地网。其实,这是 50年前的事,当時对铜接地网附近混凝土中钢筋阳极腐蚀还未发现,。后來发现 铜地网邻近的构架钢筋和钢材腐蚀严重,其原因是铜地网对邻近钢材的阳极腐 蚀。30年前的美国IEEE Std 142文献1及IEEE Std 80文献2号标准,就对 用铜材做接地网进行了很多限制,规定铜材接地网只能用于独立分开的接地网, 如邻近钢构架及混凝土最好用钢材接地网,或者对构架钢材采取可靠的阴极保护 措施文献6。1991年6月27日出版的美国IEEE 1421991号标准,对接地材 料又进一步做了重大修改,建议用不锈钢做接地网的材料。 美国EC&M电气公司在 2001年资
4、料中谈到文献4：按照美国标准,铜包钢不是接地材料最好的选择。 美国Franek公司也提到文献5：用硬钢管作接地网材料是最好的选择。 其实我国早几年出现这类隐患,据说福迠早期500kv变电站用铜接地网运行多 年后,发现邻近钢材加速腐蚀。我国结构工程師设计构架,构架按规程设计没错, 电力工程師设计接地网,互不相干,由于电力工程師设计铜接地网,影响构架加速 腐烂,秧及池鱼。我国也有部份工程師提醒过此问题,中科院电工研究所马宏达 在”关于防雷接地探讨”中就提出过文献9：”西方国家现在都己改用钢管做 接地体了,我们还在宣传用铜做接地体,”同時提出：”耍注意接地措施导致的环境污染问题和对附近钢铁构筑物的腐
5、蚀效应问题”。在电力自动化产品信息网中 文章”变电站接地糸统设计研究”中谈到文献10：”特 別说明,铜接地网与变 电站混凝土基础内的钢筋，地下的钢管和钢构件会产生电腐蚀,需要采用比较昂 贵的阴极保护措施文献6,否则会产生相互关联的事故”。 根据以上论述,国外用铜做接地网是50年前的事,由于发现铜接地网对邻近钢 构架的腐蚀问题,就巳对铜接地网的使用在标准中进行了限制,1991年美国IEEE 标准更推荐了用不锈钢做接地网。 因而国外对接地网的选材不是大量采用铜接地 网,而是尽量少用铜接地网,大量采用钢材接地网。 其实我国使用钢材接地网己有 60年经验,並发展了涂料防腐技术文献7,不能再走50年前国
6、外走过的弯路, 改用铜接地网。 铜材接地网对邻近构架钢材造成严重腐蚀 防腐技术中一项重大技术措施是”阴极保护防腐蚀”,也称”牺牲阳极保护”。 任何金属材料都有其固有的电极电势,一般用电极电势Eq低的全属做牺牲阳极, 保护阴极上电极电势高的金属,形成腐蚀电池,腐蚀阳极上金属,保护阴极上金 属。锌的电极电势 Eq=-0.7618v, 铁 Eq=-0.447v 铜Eq=0.3419v 锌的电极电 势比铁低,比铜更低,因而锌可作牺牲阳极保护铁和钢。如果用铜作接地网材料, 而接地网附近有很多混凝土和钢构及地下电缆管道等,这些钢材电极电势比铜低 很多,结果形成铁为阳极,铜为阴极的腐蚀电池,其腐蚀电压为0.
7、75v,更加上构 架上母线泄漏电流,经钢材流入地下铜接地网,又形成电解腐蚀。 这時钢构架成为 牺牲阳极,铜接地网成为被保护阴极,因而加速构架钢材和混凝土内钢筋及地下 管道电缆的腐蚀,这就成为变电站的事故隐患。 30 年前美国 IEEE Std 80文献2及IEEE Std 142文献1号标准中提出：如 果用铜材作接地网,必需对邻近构架钢材钢筋采取有效措施防止腐蚀。美国对混 凝土内钢筋的阴极保护很重视,有关这方面专利有数十件文献6。美国EC&M电 气公司谈到文献4：铜接地网如果应用错误,能引起临近构筑物严重腐蚀。美 国Franek电气公司谈到：用铜作接地网材料,由于涉及到构架腐蚀,不得不考虑 其
8、危害。美国 IEEE Std. 802000 标准中文献2第11章中提到：铜和铜包 钢接地网与埋于地下的钢结构钢筋管道,电缆的铅包护套,形成化学电池体糸,并 将加速这些钢材管道电缆的腐蚀。必需采取可靠措施,如阴极保护,镀锌,绝缘套 管等,保护邻近的钢材管道电缆。也就是说：变电站采用铜接地网時,除了价格比 铁贵5倍外,还耍对变电站的地下钢材钢筋管道电缆等,采取复杂昂贵的保护措 施。 各地设计 時仅简单提出可用铜材作接地网,因铜接地网对邻近钢构架及混凝土 中钢筋管道电缆等,发生的严重腐蚀,並没有进行充分论证並采取有效保护措施, 这就形成保护了接地网,损坏了构架钢材管道电缆。 用铜材作接地网,必然对
9、邻 近构架钢材钢筋管道电缆产生严重腐蚀,如果不进行充分论证采取有效措施防止 构架钢材管道电缆腐蚀,就断然大量采用铜材接地网,将对变电站产生严重隐患, 这些变电站都是500kv骨干站,且被腐蚀钢筋都在混凝土中,无法檢查,其危害非 常严重。 铜材不是对所有土壤都有较好的防腐性能 任何金属对不同介质都有不同的腐蚀性能,铜对碱性介质有较好的防腐性能, 但对酸性介质防腐性能较差。 铜在硫酸中就腐蚀非常快。 地面土壤成份是复杂的, 有碱性的也有酸性的,由于大气中的酸雨及土壤中植物腐烂,都形成酸性土壤。 不 能将铜在碱性土壤中比铁耐腐蚀強三信,就推论到酸性土壤中比铁強三信。根据 美国ERICO电气公司200
10、3年7月7日提出的”电力接地网使用寿命技术报告” 谈到文献3：该公司用纯度99.94%的铜(代码M)和纯度99.93%的铜(代码P), 在28种不同土壤中,进行为期8年的耐腐蚀试验,用夭平称重计 祘其腐蚀率,其试 验结果如下表： 土壤编号 试验年数 M年腐蚀量 P年腐蚀量 M-P平均年腐蚀重,OZ/ Ft2 每年腐蚀深度,Mils 1 8.1 0.06 0.063 0.0615 0.0000861 20 8.1 0.042 0.039 0.0405 0.0000567 3 8 0.027 0.029 0.028 0.0000392 8 8 0.024 0.019 0.0215 0.000030
11、1 12 8 0.312 0.278 0.295 0.000413 13 8 0.023 0.031 0.027 0.0000378 14 8 0.04 0.025 0.0325 0.0000455 15 8 0.013 0.016 0.0145 0.0000203 16 8 0.057 0.058 0,0575 0.0000805 17 8 0.0037 0.04 0.0385 0.0000539 18 8 0.0076 0.0077 0.00765 0.00001075 19 8 0.039 0.04 0.0395 0.0000553 22 8 0.068 0.07 0.069 0.000
12、0966 23 8 0.118 0.135 0.1265 0.0001771 25 8 0.012 0.011 0.0115 0.0000161 28 8 0.084 0.079 0.0815 0.0001141 33 8 0.137 0.117 0.127 0.0001778 34 8 0.016 0.022 0.019 0.0000266 35 8 0.017 0.016 0.0165 0.0000231 37 8 0.169 0.162 0.1655 0.0002317 38 8 0.025 0.043 0.034 0.0000476 40 8 0.125 0.168 0.1465 0.
13、0002051 42 8 0.047 0.049 0.048 0.0000672 43 8 0.635 0.555 0.595 0.000837 44 8 0.079 0.061 0.07 0.000098 45 8 0.033 0.03 0.0315 0.0000441 4 7.9 0.019 0.019 0.019 0.0000266 32 7.9 0.049 0.018 0.0335 0.0000469 从上表中可看出：腐蚀最严重的为 43 号土壤,年腐蚀率为 0.595 OZ/ Ft 2, 腐 蚀最弱的为25号土壤,年腐蚀率为0.0115 OZ/ Ft 2, 二者相差50倍。以上28
14、种土壤年平均腐蚀深度为0.000115 Mils,而腐蚀最严重的43号土壤,年腐蚀深 度为0.000833 Mils,比年平均腐蚀深度高出7倍,也就是在一般土壤中,铜接地 网使用30年,在酸性土壤中使用寿命不到5年,因酸性土壤对铜的腐蚀比较严重。 武汉大学 2001 年 10 月受 凱文公司委托,对铜材,镀锌铁片,导电防腐涂料三者 进行电解腐蚀试验文献8。将三种试件：导电防腐涂料涂刷铁片；镀锌铁片； 紫铜片三者串联,置于10%浓度硫酸中,用6伏直流恒定电压进行电解腐蚀试验。 通电三小時后,将试件清洗干燥,用分析夭平称重。试验结果,三者电解腐蚀率： 铜片 571 g/m2.h, 镀锌铁片 575
15、 g/m2.h, 导电防腐涂料铁片 34 g/m2.h, 。以 上试验证明：在硫酸中电解腐蚀,铜片铁片相同,铜材不耐酸性腐蚀,如果用导电 防腐涂料将铁片涂刷后,其耐硫酸腐蚀是铜的十七倍。 通过上述论证,铜接地网 並非在所有土壤中比铁強,在酸性土壤中,铜与铁差别 不大,如果对铁采用导电防腐涂料涂刷,比直接用铜有非常优良的防腐性能。 重视铜接地网对水资源土壤的污染 环境污染是关 係一个国家长远发展和子孙后代的事,中国和国外对此都非常重 视。 全世界对水资源土壤中铜的含量都有严格的控制,而对铁则没有规定,也就是 说,对铁的使用是开放的,对铜的使用是有限制的。 当大量铜接地网布满中国各地 時,再來讨论
16、铜接地网对环境污染,就巳经來不及了,从现在起,电力行业专家们 就应关心重视此事。 铜属微毒类,微量对人体有益,过量对人体有害。铜在土中以化合物方式出现, 铜盐使人中毒发生流涎,恶心,呕吐,腹痛,严重者有头痛,心跳迟缓,呼吸困难。 铜 被腐蚀后可积累畄在土中,土壤中的腐植酸等,能与铜形成螯合物而固定铜。 铜在 水资源土壤及食品中,与其他重金属镉,汞,铅,铬,砷等一样受到严格限量：铜在 饮用水中限量为 1.0 mg/L文献13, 铜在农用水中限量为 1.0 mg/L文献14, 铜在土壤中限量为 100400 mg/kg文献12, 铜在农作物中限量为 1020 mg/kg文献17, 铜在农作污泥污染
17、物限量为 250500 mg/kg文献15,16, 国 外都有此相似的限制文献18,19。既然国家对水资源土壤中铜含量都有严格限 制,电力工业就无权将大量铜埋入地下对水资源土壤造成污染,这是国家的未來, 这是环境保护的红线,不能先斩后奏。 结朿语： 铜材接地网存在很多问题,关键是对附近构架中的钢材产生严重腐蚀, 对变电站带來严重隐患,国外早已重视此问题。 大量铜材埋在地下,对水资源土壤 造成严重污染,国家对水资源土壤农作物中铜含量都有严格限制。铜接地网仅在 碱性土中防腐蚀性能比铁好,铜在酸性土中防腐蚀性能与铁相似,盲目使用将带 來后患。国外用铜材接地网是50年前的事,美国现有限制使用铜接地网,
18、推荐大 量用铁接地网。铜材价格比铁高五倍,铜是战略物资,我国是缺铜国家。我国使用 铁接地网巳有60年经验,近十年又发展很好的导电防腐涂料技术,比铜耐腐蚀高 三倍。 我国不能重复美国50年前用铜接地网走过的弯路,限制铜材接地网的使用, 对电网安全,环保,节约都有利。 参考文献： 1. 美国标准IEEE Standard 1421991 “ Recommended Practice for Grounding of Industrial And Commercial Power Systems “ 1991年版,共 169页,参考第4章P.P.133-136 2. 美国标准IEEE Standar
19、d 802000 “ Guide for Safety in AC Substation Grounding “ 2000年版,共193页,参考11.2节,P.P.4648, 3, 美国ERICO电气公司2003年7月7日 ” A Technical Report on The Service Life of Ground Rod Electrode “ 通讯地址；ERICO Inc. 34600 Solon Road, Solon, OH 44139, USA 。 4. 美国EC&M电气公司2001年1月1日 “IEEE Standard 142：Foundation for Groundi
20、ng” 2007.9 .11.檢索。 5. 美国Franek电气公司文献。2007.9.11 檢索 6. 美国专利：”Method of Installing a Cathode Protection System for a Steel-reinforced Concrete Structure “ 专利号：USPAT 4900410 7. 期刋1997年第11期, “电力接地网用导电防腐涂料” 武汉高压 研究所 陈健生 8. 深圳凯文科技公司资料网站：2001年10月武汉大学 “导 电防腐涂料电解腐蚀试验报告 “ 9. 中科院电工研究所马宏达 “关于防雷接地问题的探讨” http:/ 2
21、007.9.4.檢索 10.电力自动化产品信息网邮箱www.EPAPI.com “变电站接地糸统设计研究 “ 11.华北电力公司 刘连睿 “变电站接地装置防腐措施研究 “ 12.中国国标 GB156181995 13.中国国标 GB574985 14.中国国标 GB504892 15.中国国标 GB428484 16.中国国标 GB189182002 17.中国国标 GB151991994 18.美国环保总局EPA40CFR 503部份 “美国生物污泥生产使用和处置报告 “ 19.欧盟 EU 86 /278 标准 作者简介: 陈健生,1931年生,男,东北大学电力糸毕业,武汉高压研究院研究员 教授级高工,硕士生导師,主研超高压带电作业及电力工程设计运行。国家 政府津贴,前为中国电机学会高级会员,国际电工委员会78分会工作组成员, 四次出席IEC TC78国际会议,国家标准局带电作业标委会委员秘书长,现退休 住美国。联糸电话：美国001-212-860-7603 E-mail ：
