1、牺牲阳极法阴极保护的设计计算实施阴极保护的金属集购物上的点位和电流分布函数是复杂的，它不仅与被保护金属结构物材料、牺牲阳极材料、环境介质条件直接相关，而且还与结构物的几何构型密切有关。从原理上考虑，牺牲样激发和外加电流阴极保护的点位、电流分布的计算式基本相同的，它们都是保护电流在复杂电阻体系上产生的电压降结果。绵延分布的管线是几何构型最简单的一种结构物，它是一维延伸的，在数学上容易处理。许多复杂几何构型物往往可以看作为若干一维节段的组合和叠加。所以，阴极保护的设计计算常以埋地管线作为计算对象。牺牲阳极法阴极保护的设计计算一般包括以下几个步骤。确定最小保护电流密度 i对被保护结构物的最小保护电流
2、密度确定，首选亏电实验值。可在现场安装一临时店员和接地极进行馈电试验，再根据达到保护电位时所对应的极化电流强度，推算出最小保护电流密度的取值范围。若无馈电实验值，一般可根据文献资料和经验选取。也可采用下式进行理论计算：I=EO/RU式中 i保护电流密度，mA/m2E最小保护电位对结构物自腐蚀电位的负偏移值（极化电位，mV），EO 通常取 300mV，它是最小保护电位-850mV（SCE）与钢铁在普通土壤中自腐蚀电位【一般为-550 mV（SCE）】的差值；R结构物表面防腐层的楼电阻率，m2。保护电流密度是阴极保护实践和设计十分重要的参数。但它受到被保护结构物/环境介质体系许多因素的影响，如结构
3、物材料种类，防腐层质量，介质的性质、组成、分布和变化，甚至温度、气候或微生物存在与活动等。它的数值往往变化很大，即使在阴极保护运行过程中也是变化的。因此，要求准确的计算几乎是不可能的，但它仍是一个重要的参数值。对此，馈电试验或经验选取则是很有效的。计算所需总保护电流强度 I根据被保护结构物的几何尺寸计算出需被被保护的总面积 S（m），就可由保护电流密度 i 按下式计算所需总保护电流强度 It（A）：It=Si对于埋地管道则为：It=DLi式中 D被保护管道外径，m；L管道长度，m。计算牺牲阳极接界电阻 Ra牺牲阳极的接界电阻是决定牺牲阳极输出电流的关键影响因素之一。它可通过实验测量或计算获得。
4、经过一系列推导可获得接界电阻的计算公式，文献资料报道的阳极接界电阻的计算公式很多，现推荐以下一些计算公式： 在土壤环境中的牺牲阳极接界电阻,即接地电阻的计算公式a. 单支立式圆柱形牺牲阳极无填料（即填包料，下同）时，阳极接地电阻的计算公式为：RV1=p/2L（In2L/d+1/2ln4t+L/4t-L）b. 单支立式圆柱形牺牲阳极有填料时，阳极接地电阻的计算公式为：RV2= p/2La（In2La/D+1/2ln4t+L/4t-L+pa/pInD/d）c. 但是水平式圆柱形牺牲阳极有填料时，阳极接地电阻的计算公式为：Rh= p/2La（In2La/D+InLa/2t+pa/pInD/d）以上三
5、式中，Lad,tLa/4。式中 R 和 R分别为立式和水平式的阳极接地电阻(R 无填料，Rv2 有填料)，；p 和 pa分别为土壤和阳极填料的电阻率，m；L 和 L分别为阳极和阳极填料柱的长度，m；d 和 D分别为阳极和填料的直径，m；t阳极中心至地表面的距离，m。对土壤中金属结构物进行牺牲阳极保护时，为提供足够的保护电流及施工安装方面的考虑，常采用多支阳极并联安装方式。对一个阳极组的总接地电阻 R（）可按下式计算：Rt=R/n式中 n并联阳极支书；并联阳极修正系数。多支阳极并联的总结地电阻一般比里理论计算值大，这时阳极直接按屏蔽作用的结果。可按照实际情况根据阳极之间的距离、并联支数及阳极长度
6、在图 4-23 中火表 4-29 中选取修正系数 。 在水环境中的牺牲阳极接界电阻，即接水电阻的计算公式长条形阳极的接水电阻 R（）计算公式为：Ra= p/2l(In4L/r-1) 式中 L阳极的长度，cm；P水介质的电阻率，cm；R阳极的等效半径，cm，S=（长+宽）/2，长2宽。b. 板状阳极的接水电阻 RA()计算公式为：RA=p/2Sc 镯式阳极的接水电阻 RA()计算公式为：RA=0.315p/A 为阳极横截面积，cm2。式中，S 为阳极两边的平均长度，cm；且式中，A 为阳极表面积，cm。计算单支阳极的输出电流 I对牺牲阳极-土壤-被保护结构物（阴极）构成的点回路，根据欧姆定律可按
7、下式计算单支阳极的输出电流 Ia：Ia=(EC-EC)-(Ea+Ea)/Ra+Rc+RwE/Ra式中 Ia单支阳极输出电流，A；Ec 和 Ea分别为阴极和阳极的开路电位，V； Ec 和Ea分别为阴极和阳极的极化电位值，v；Rc 和 Ra分贝为阴极和阳极的接界电阻（接地或接水电阻），；Rw导线电阻，；E阴极和阳极工作时的有效电位差，在这里就是所谓驱动电压，V。当 R 合 R 可忽略不计时，可获得相应的近似式，见式（4-19）。显然，单支阳极的输出电流主要取决于阳极的接界电阻 R。也可根据经验公式来计算单支阳极输出电流，由此可省却一系列复杂的计算，下面列出美国 HARCO 防腐蚀公司对埋地镁阳极和
8、锌阳极总结地经验公式：Img=150000Fy/pIzn=150000Fy/p式中 Img 和 Izn 分别为单支镁阳极和单支锌阳极的输出电流，mA；P土壤电阻率，cm；f质量系数，可查表 4-30 获得；Y被保护技能书对地（水）电位修正系数，可查表 4-31 获得。当被保护金属结构物表面敷有良好的防腐层时，阳极输出电流将显著小于裸金属条件下的输出电流。此时，是（4-20）和（4-21）的系数可考虑分别减小 20%。计算阳极组的总输出电流 I为了降低阳极的接地电阻，对管道提供足够保护电流以及施工安装方面的考虑，往往采用多支阳极并联安装的方式。多支阳极并联安装的阳极组总输出电流 I 可按下式计算
9、：In=nIa/式中 In阳极组的总输出电流,AIn单支阳极输出电流，An阳极组中的阳极支数；并联阳极修正系数，主要是考虑各阳极间的屏蔽效应，可有阿图 4-23 或表（4-19）、（4-20）或式（4-21）可 计算得单支阳极的输出电流 I，由此可从下式计算确定对该结构物实施牺牲阳极保护所需阳极的总数量 N：N=It/Ia式中 I所需总保护电流，A；I单支阳极输出电流，A；备用系数，一般取 23 倍。计算阳极工作寿命 T可根据法拉电解定律计算牺牲阳极的有效工作寿命，即使用寿命 T：T=um/eIa式中 T阳极工作寿命，a；m阳极净质量，kg；u阳极利用系数，对长条形阳极取 0.9，对其它形状阳
10、极取 0.85；e阳极消耗率，kg/(Aa);I阳极的平均输出电流，A。计算两组牺牲阳极间的保护范围每组（站）牺牲阳极对被保护结构物实施的有效保护范围，是很重要的设计和评价参数。为了简化计算，首先考虑埋地管线上的牺牲阳极保护。对于一维的有限长被保护管道上的电位分布和电流分布，采用牺牲阳极保护和采用外加电流法阴极保护的计算过程和结果是相同的。每组阳极的保护范围可通过两组（站）牺牲阳极间的长度来评价。可按下式计算两组（站）牺牲阳极间的有效保护长度 2L：2L2=2/aarcchEA/Emin式中 2L两组（站）牺牲那个阳极间的有效保护长度，M；E 和 E分别是牺牲阳极接入点（通电点）和两组阳极之间
11、的中间点所允许达到的管道电位的最大负偏移值和最小负偏值，v ;衰减系数牺牲阳极阴极保护接地电阻改善方案(2011-01-10 22:32:50) 标签： 杂谈本文与大家共同学习！输电线路铁塔接地系统改造牺牲阳极（阴极保护）设计及施工摘要降低杆塔接地装置的接地电阻是提高输变电线路耐雷水平的一项十分重要的措施对于多石少土的辽西山区线路杆塔用传统施工方法接地电阻很难达到要求，根据多年运行经验，降低山区输电线路杆塔接地电阻是防雷的一种有效方法。前言雷电危害与接地电阻在架空输电线路设计中，防雷设计是必须考虑的一个重要因素，随着电力系统的发展，雷击输电线路而引起的事故也日益增多，据资料介绍：在我国高压输电
12、线路的总跳闸次数中，由雷击引起的约占 4070，尤其在雷电活动强烈、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路而引起的事故率更高，造成巨大的经济损失。当雷电击中接闪器。电流沿引下线向大地泄放时对地电位升高。有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”。雷电直击在输电线路上的避雷线，如果接地电阻过大，就会对线路造成损伤，断路或击穿瓷瓶造成短路跳闸。从而造成停电事故。高山杆塔不仅路途遥远，攀爬也很困难，更换一次设备非常困难，这给维护增加了许多难度，而跳闸率恰恰又是电力系统考核的一个重要指标。由此可见接地系统在电力输变线路防雷中的重要性。1、接地电阻在超高压输电线路中，多以不大于 10 n 作为接地电阻
13、的要求。我局的超高压输电线路比较长，途经地区的地理条件比较复杂，经常会遇到山上都是石头，或者多石少土的情况。通常的施工方法很难达到要求，经常是花费了很大的人力、物力，接地电阻还是达不到要求。有的接地电阻甚至高达几百 n，导致在雷雨季节。线路遭遇雷击。而山区大部分杆塔都建在高山上，又增加了遭受雷击的概率。 2 特殊土质接地电阻分析根据现场实测总结主要有以下几种情况：a土加石头覆盖层表面植被较好但下层基本属于岩石层，接地电阻率很高。b由于风化和人为措施造成的基本以碎石子为主体，泥土较少，表面看来植被较好，但由于泥土少石子间空隙较大。接地电阻率非常高。c表面看来大部分是泥土。但由于土质坚硬沙土的颗粒
14、较大，基本属于风化岩颗粒，造成本身接地电阻率极高，加水后可适度减低但是该种土壤保水性极差渗透快。d铁塔建在岩石上，几乎没有土壤和其它粉末状介质，即使埋设了钢筋，由于与周围无法形成统一地网，不能建立起有效的沟通造成接地电阻极大。难于满足雷电释放的要求，从而引起跳闸。上述四种情况带来以下几方面的问题：a土壤的接地电阻率高，介质保水性不好，钢筋不能及时将雷电流有效泄放。b土壤和接地体之间没有建立起有效的沟通，有效接触面积不足。c水土流失严重，接地体腐蚀损坏严重。很难长期保持稳定的接地电阻。3.辽西超高压线路接地的实测多年来，我们通过对辽西地区杆塔所处地质环境，掌握了杆塔处在高山大岭占 42%，一般山
15、地占 49%，平地占 9%；我们对该段的接地进行了改善，重新埋设了接地引下线，对于接地土壤不好的采取了换土措施，较严重的采取了埋设连续伸长接地体的措施，工程实施后输电杆塔的接地电阻虽然有了明显的降低，但出于山地，石块较多的地区还是会被雨水冲刷后造成土壤流失，维持时间较短，因此我们针对这种情况采取了牺牲阳极的阴极保护接地改造，下面是针对线路进行的实测数据表 1 山区塔接地电阻值高的情况线路名称及杆塔号地形 地质 设计值改造前值改造后值XXX 线 029 山顶 岩石 30 99 22XXX 线 033 山腰 风化岩 30 96 20XXX 线 056 山顶 岩石 30 138 28XXX 线 07
16、7 山腰 岩石 30 66 20XXX 线 089 山顶 岩石 30 59 19XXX 线 092 山腰 岩石 30 74 22XXX 线 096 山顶 岩石 30 49 18XXX 线 125 山腰 风化岩 30 62 22XXX 线 147 山顶 风化岩 30 87 264、牺牲阳极接地改造设计4.1 线路铁塔接地系统埋地方式水平接地网采用 40*4 的镀锌扁钢，四散外延每根按 60 米计：垂直接地极采用 50*5 的角钢，沿水平接地网方向每 10 米一个，共 24 个，36 米长。4.2 接地系统的接地面积水平接地面积 S1=4*60*0.088=21.12（平方米）垂直接地面积 S2=
17、0.1*2*36=7.2（平方米）总接地面积 S=S1+S2=28.32（平方米）4.3 保护电流保护电流密度取 15 毫安/（平方米）接地网得到保护须电流 I 保=15*28032=424.8 毫安4.4 单支阳极接地电阻计算R=p/2Lln(2L/D)+l/2ln(L/2t)+ p/p(D/d)=100(2*0527) ln(2*0.527/0.5)+l/2(0.527/2*0.6)+1.5/100(0.5/0.021)=3.9()1.5 阳极输出电流I 出=E/R=0.65/3.9=167(mA)1.6 所需要阳极数量n=f*I 保/I 出=2.5*424.8/167=7 支按每组 2
18、支组合式阳极埋设，其需要 8 支 8 公斤重镁阳极。详见牺牲阳极埋设方式图1.7 使用寿命T=nw/Iw=（0.85*2*8*2210）/(0.167*8760)=20 年牺牲阳极保护埋设方式图铁塔图例： 水平接地线 40*4 镀锌扁钢 垂直接地极 50*5 角钢镁阳极5 导线 VV*29 32 米 4/条4 填包料 75 600 公斤 每袋3 镁阳极 8 64 公斤 每支2镀锌扁钢40*4 240 米 60/条1 角钢 50*5 36 米 1.5/根序号材料名称规格 数量 单位 备注2、施工方案总所周知，一些电力设备，建筑物等如发生接地短路或遇雷害时，巨大的瞬间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者建筑接地系统完好，无锈蚀，且电阻越小越好，设备因处在空旷地带，且远远高于周围地上设施，因此会首先遭遇雷电侵袭，随着运行年限的增加，埋设的接地扁钢逐渐发生锈蚀，长此以往腐蚀会加大，导致地网截面减小，造成热稳定性不足，而且会导致有效接地面积减小，增大了泄流难度，遭遇雷电时易造成设备损坏和人员伤亡事故的发生2.1 工程流程设计 材料采购 阳极脱脂除锈 阳极电缆绝缘密封 填包料配制阳极装入袋内运输挖沟槽及阳极坑床铺设接地网、砸垂直接地极放入样机并焊接焊接头密封回填、夯实测试2.2 施工图设计根据设计，使镁阳极布点按图纸所示，以使接地网达到完全保护状态。
