6.3 接地装置

6.3.1 本条部分采用了现行国家标准《雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》GB/T 21714.3-2015表7的规定。

6.3.2 区域接地材料统一使用一种材质，可避免因不同材质的电位差产生电偶腐蚀。

6.3.3 本条是对设备、管道和建筑物已做防腐蚀保护（如阴极保护），则接地工程不能消耗保护电流使阴极保护失效；若设备、管道和建筑物是钢质材料，接地体宜选用电位较铁负的金属材料（如锌等），对设备、管道和建筑物没有加速腐蚀的危险，同时还有保护作用。在该区域内使用铜材，不采取措施会形成电偶腐蚀。

    锌包钢材料是以低碳钢和高纯锌为原料，通过热压形成的双金属复合材料。锌本身就是阴极保护材料，选用厚锌层就是兼顾地下其他金属构筑物的防腐蚀作用，结合现行国家标准《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448可计算，达到不再做阴极保护，实现接地和阴极保护于一体；用高纯锌是为解决延缓自腐蚀发生，提高保护的使用效率和使用寿命；里面有碳钢材料是为了增加接地体的机械强度、热稳定性和机加工性能。
    锌的pH为6～12时，腐蚀速度很低。在蒸馏水中典型的腐蚀速度是0.015mm/a～0.15mm/a，在海水的典型腐蚀速度是0.020mm/a～0.070mm/a（《尤利格腐蚀手册》R·温斯顿·里维主编，杨武等译，化学工业出版社，2005年）。故在绝大多数土壤环境中（pH为7～8.5）是适用的，且锌层厚度越厚，抗腐蚀性能越好，使用年限越长。
    根据现行国家标准《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448，可以粗略计算垂直接地极的使用年限。
    （1）腐蚀分类（图2、表1、表2）。

图2 氧浓差电池的腐蚀模型

 

表1 土壤电阻率与土壤腐蚀性（Ω·m）

    注：图2、表1引自《阴极保护工程手册》（胡士信主编，化学工业出版社，1999年）。

表2 土壤电阻率与土壤腐蚀性

    注：表2摘自现行行业标准《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》DL/T5394。
    从表1、表2中可以看出，土壤腐蚀性与土壤电阻率有直接关系，随土壤电阻率的升高，土壤的腐蚀性变弱。
    （2）对“土壤电阻率在20Ω·m及以下时，水平接地极锌层厚度不小于3mm，垂直接地极锌层厚度不小于10mm”的解释：
    1）10mm锌层厚度的引用：行业标准《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-1997第6.1.3条规定：防雷、防静电的接地极宜选用锌合金，并有锌接地极的结构图（图3）。其中锌层厚度为12mm。

图3 锌接地极结构图

    2）5mm、10mm计算。将“锌层厚度不小于10mm”改为“锌层厚度不小于5mm”。现行国家标准《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448并没有规定锌接地极的具体尺寸，现对原有规定作部分调整，计算如下：
    接地材料腐蚀情况统计资料（见表3、表4）：

表3 单一金属自然腐蚀

表4 不同金属组合的腐蚀测试数据（电偶腐蚀）

    注：表3、表4腐蚀数据来自美国加利福尼亚国家海军土木工程实验室公布的实验数据，环境：美国加州海岸附近的美国海军土木工程实验室内，电阻率为12Ω·m。
    ① 引用的腐蚀数据如下：
    对比表3、表4，在镀锌钢棒与软钢棒电连接后，软钢的腐蚀大大降低了，即锌延缓了钢铁的腐蚀速度，具有保护功能。
    ② 垂直接地极锌层自然腐蚀计算：
    锌包钢材料由于锌层较厚，其腐蚀发生主要在锌上。由于接地网的氧浓差腐蚀因素，垂直接地极的腐蚀包括自然腐蚀、水平接地网材料的电化学腐蚀。
    a.选用φ30、长2.5m、锌层厚度为5mm的锌包钢，其中锌重为7kg，总重为12.6kg。
    根据表3：镀锌钢棒的锌的年失重率为2.4％，则锌包钢中锌年失重为0.302kg（即0.024×12.6kg），则φ30mm、长2.5m、锌层厚度为5mm的锌包钢理论推算自然腐蚀可达23年（锌重/年腐蚀失重）。
    3）理论计算（主要考虑电化学腐蚀情况）：
    ① 锌层厚度按10mm计算：选用φ43、长2.5m、锌层厚度为10mm的垂直接地极，锌重为20kg。土壤电阻率为20Ω·m时，该接地极的接地电阻6.5Ω［按现行国家标准《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448—2017中公式（A.15）：

    按没有加填包料计算］，最大输出保护电流为38.42mA［GB/T21448—2017中公式（A.18）：I_g=ΔE/R，ΔE取0.25V］（相对裸钢铁），考虑到金属间的屏蔽按行业标准《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》DL/T5394—2007第C.4节的规定：阳极平均输出电流=0.7×阳极输出电流。则该锌包钢接地极输出电流为26.9mA，最短使用年限为36.6年按GB/T21448—2017中公式（A.20）计算：

    ωg为锌的消耗率，ωg≤17.25kg/（A·a），取17.25］。
    ② 锌层厚度按5mm计算：选用φ30mm、长2.5m、锌层厚度为5mm的垂直接地极，锌重为7kg。按照上述公式计算在土壤电阻率在20Ω·m时，该接地极的接地电阻为7.96Ω［按GB/T21448—2017中公式（A.15）计算，即：

    按没有加填包料计算］，最大输出保护电流为35.89mA［按GB/T21448—2017中公式（A.18）：I_g=ΔE/R，ΔE取0.25V］（相对裸钢铁），平均输出电流为25.1mA，则最短使用年限为13.7年［按GB/T21448—2017中公式（A.20）计算：

    w_g为锌的消耗率：w_g≤17.25kg/（A·a），取17.25］。
    （3）结论：
    1）依照GB/T21448标准论述，锌接地极锌层厚度为12mm。
    2）通过一些数据计算，在完全自然腐蚀情况下（12Ω·m），锌层厚度从5mm增加到10mm，其使用年限也从23年增加到32年。
    3）在完全电化学腐蚀的情况下（20Ω·m），锌层厚度从5mm增加到10mm，其使用年限也从13.7年增加到36.6年；若只输出50％的电流，则其使用年限也从26年增加到72年。
    4）根据本规范所设定的条件（“区域内采用阴极保护系统时”），其锌层因输出的电流而导致腐蚀不是主要的，其腐蚀偏向自然腐蚀状态，考虑到土壤腐蚀的复杂性，根据土壤腐蚀分类和腐蚀性特征，在小于或等于20Ω·m时，故选取“锌层厚度不低于5mm”的规定。