1 前言

    發(fā)變電站接地網(wǎng)是埋入大地中并與大地緊密接觸的金屬網(wǎng)，為故障電流或雷電流快速泄放提供入地通道、保護(hù)人身安全和電氣設(shè)備安全 。當(dāng)前，出于環(huán)境保護(hù)和成本考慮，我國普遍采用低碳鋼而不是銅網(wǎng)作為接地網(wǎng)材料，接地體在土壤中腐蝕會導(dǎo)致截面積變小、接地電阻增加，造成接地網(wǎng)壽命減短，嚴(yán)重時甚至危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究接地網(wǎng)在線腐蝕監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)不斷電、不開挖情況下的腐蝕監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)故障，防患于未然，對于保障電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義。

    當(dāng)前大多數(shù)變電站接地網(wǎng)的腐蝕評估通常依靠測量接地網(wǎng)接地電阻值來間接判斷，然而，由于電磁干擾和測量精度的限制，直接測量地網(wǎng)接地電阻很難準(zhǔn)確評估地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)  。也有研究者通過分析接地網(wǎng)埋深位置的土壤，如測量土壤含水率、pH值、含鹽量等腐蝕性參數(shù)來間接評價地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)，但該方法存在土壤取樣工作量大、分析周期長、且不能直接反映地網(wǎng)自身腐蝕速率等不足之處。對接地網(wǎng)進(jìn)行開挖檢查最為直接，然而大面積開挖勢必存在盲目性，且還要切斷電網(wǎng)停電，存在一定的安全隱患。因此研究一種安全可靠、可操作性強(qiáng)、快速準(zhǔn)確的發(fā)變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷方法十分迫切 。

    接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，可以采用多種電化學(xué)方法進(jìn)行腐蝕監(jiān)測，包括線性極化法 、恒電流階躍法和電化學(xué)阻抗法等。當(dāng)前大多數(shù)電化學(xué)監(jiān)測方法均需要預(yù)埋金屬試片于土壤中，只能測量土壤的腐蝕性，并不能直接測量地網(wǎng)自身的腐蝕速率。如果將被測地網(wǎng)作為工作電極，則必須將極化電流限制在一定區(qū)域內(nèi)，否則，被極化接地網(wǎng)面積的不確定性，將會導(dǎo)致腐蝕速率測量產(chǎn)生極大的誤差。

    為了解決電流約束問題，F(xiàn)eliu等提出采用純阻容串并聯(lián)電路來模擬電流分布，但該計算過程復(fù)雜且誤差極大。Law等提出了護(hù)環(huán)法 （GRM） 來約束CE電極的極化電流，但是GRM技術(shù)是基于完全約束實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致實(shí)際體系中經(jīng)常出現(xiàn)過約束或欠約束現(xiàn)象。針對上述問題，我們在以前的研究工作基礎(chǔ)上提出了GE電流約束電路的改進(jìn)方案，并且研制了集成小孔限流與GE電流約束的接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測傳感器。該傳感器通過小孔限流將極化電流約束在接地網(wǎng)鋼板上的限定位置，同時通過護(hù)環(huán)電流約束電路，使彌散電流得到補(bǔ)償。現(xiàn)場實(shí)測表明：具有電流約束的小孔限流電極測量結(jié)果與參考電極具有較好的一致性。

    2 腐蝕監(jiān)測傳感器設(shè)計

    2.1 電化學(xué)阻抗腐蝕監(jiān)測

    電化學(xué)阻抗測量是用一個小幅值正弦波電位信號疊加在一個直流極化電位上，通過恒電位電路施加于被測體系，同步測量極化電位以及響應(yīng)電流，再利用相關(guān)積分算法計算出被測電極體系的復(fù)數(shù)阻抗Z ，進(jìn)而繪制出被測體系的Nyquist圖和Bode圖。選取適當(dāng)?shù)牡刃щ娐罚ㄟ^計算機(jī)模擬可以獲取被測電極體系的界面電容、電荷傳遞電阻和Randle阻抗等諸多參數(shù)。

    改變激勵正弦波和參考信號的頻率，分別測量高、低兩個頻點(diǎn) ω H 和 ω L 的阻抗值 Z H 和 Z L ，然后根據(jù)碳鋼在土壤中的腐蝕電化學(xué)等效電路 [16] ，取高頻端（100~1000 Hz） 的阻抗值為土壤電阻 R s ，而將低頻端 （0.005~0.01Hz） 的阻抗值記為 R s 與接地網(wǎng)鋼板極化電阻 （ R p ） 之和，顯然 R p =| Z L |-| Z H |。最后根據(jù)Stern公式CR= B / R p 計算腐蝕速率，其中，CR為腐蝕電流密度，單位：mA/cm 2 ， R p 代表極化電阻，單位：Ω·cm 2 ，B 為Stern系數(shù)，一般取值26 mV。

    2.2 電流約束傳感器

    對于接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測，由于接地網(wǎng)面積巨大，因此極化電流的約束是關(guān)鍵 [18,19] ，為此我們設(shè)計了一款集成小孔限流與護(hù)環(huán)電極電流約束的接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測傳感器，該傳感器采用自適應(yīng)的電流補(bǔ)償技術(shù)，將來自輔助電極圓環(huán)的極化電流限制在接地網(wǎng)鋼板上的投影面積內(nèi)，如圖1所示。

    圖1a顯示了單純小孔限流測量腐蝕速率的原理，由于小孔傳感器底部的開口緊緊貼合在接地網(wǎng)鋼板上，來自于輔助電極的極化電流無法泄露到孔外，因此所有極化電流均被限制在小孔的投影面積內(nèi)。然而小孔限流方法有其天然的缺陷，圖1b顯示了由于小孔傳感器與接地鋼板之間存在一定的間隙 （由于安裝不良或土壤沉降造成），將導(dǎo)致一部分電流從縫隙處泄漏到小孔投影區(qū)外，這樣就會使實(shí)際受到極化的接地網(wǎng)面積大于小孔投影面積，導(dǎo)致測量的腐蝕速率偏大。

    實(shí)際上單純依靠小孔限流還存在另一個問題，由于小孔內(nèi)是一個密封環(huán)境，如果小孔緊緊貼合在接地鋼板表面，則孔內(nèi)土壤與外部土壤失去電解質(zhì)交換，形成了一個孤立的“死區(qū)”，這樣測得的接地網(wǎng)腐蝕速率只能反映這部分“死區(qū)”土壤的腐蝕性，而無法反映外部土壤四季變化過程中對接地網(wǎng)的腐蝕情況。為了避免內(nèi)部形成“死區(qū)”，必須在傳感器圓柱側(cè)壁開孔，如圖1c側(cè)面的交換孔，這樣就可以保證孔內(nèi)外的電解質(zhì) （水分） 交換。

    顯然傳感器側(cè)面開交換孔后，來自腔內(nèi)輔助電極CE的電流也會從交換孔中泄露，導(dǎo)致腐蝕速率的測量出現(xiàn)大的偏差。為此，我們設(shè)計了基于護(hù)環(huán)電極 （GE） 的電流約束環(huán)，如圖1c中的GE電極環(huán)，該GE緊緊套在傳感器外側(cè)，用于約束傳感器內(nèi)側(cè)CE環(huán)所發(fā)出的極化電流。

    基于GE的電流約束技術(shù)早期主要用于大型混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕速率的測量 [16,17] ，對于接地網(wǎng)的腐蝕測量，由于地網(wǎng)鋼板面積巨大，來自CE的極化電流在地網(wǎng)表面分布是非常不均勻的。為了防止來自CE的極化電流彌散，用來自GE的電流約束住CE電流，圖1c中，由于GE與CE具有相同的電勢，使CE電流不能從圖1c中傳感器側(cè)面的交換孔或者底部的間隙流出，從而使CE電流完全約束在小孔投影面內(nèi)。

    圖1c顯示了小孔限流與護(hù)環(huán)電極限流共同控制下的電力線約束情況，此時即使傳感器開口有一定程度的密封不良，也可以通過傳感器外壁的GE電極來將孔內(nèi)CE電流約束在孔內(nèi)。

圖1 電流約束型地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測傳感器: (a) 緊密接觸時小孔限流電流分布; (b) 間隙較大時小孔限流

電流發(fā)散, (c) 間隙較大但外加GE護(hù)環(huán)時的流線

    2.3 電流約束電路

    為了將極化電流約束在小孔投影面內(nèi)，在地網(wǎng)腐蝕速率監(jiān)測裝置中設(shè)計有兩套恒電位極化電路（如圖2），主回路由U1和U2兩個運(yùn)算放大器組成，U2輸出電壓加載到輔助電極CE上，使接地網(wǎng)鋼板處于極化狀態(tài)，同時通過差分放大器監(jiān)測流過取樣電阻R c 的極化電流；第二套恒電位極化電路由U2和U3組成，來自U2輸出端的電壓信號加載到U3反相端，從而使GE輸出的電壓信號與CE具有完全相同的相位和幅值，即 CE 與 GE 形成了一個等電勢輸出，U3輸出的電流則通過GE流向小孔投影面外側(cè)的接地鋼板，壓制了CE電極的泄漏電流。

    圖2 電流約束電路原理圖 （ U 1 為阻抗變換器， U 2 為加法器和功率放大器， U 3 為單位增益電壓跟隨器， R 1 端輸入直流電壓， R 2 輸入正弦波信號， R c 為電流取樣電阻， R s 及 R s ‘分別為傳感器小孔內(nèi)、外的土壤電阻，R p 、 R p ’分別為小孔內(nèi)外接地網(wǎng)的極化電阻， WE為與引上線相連的接地網(wǎng)）

    3 結(jié)果與討論

    3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

    為了考察腐蝕監(jiān)測傳感器的電流約束能力，采用尺寸為500 mm×50 mm×2 mm的Q235鋼板，并焊接成150 mm等間距的正方形網(wǎng)格，作為模擬接地網(wǎng)。該接地網(wǎng)埋在550 mm×550 mm×200 m的土壤箱中，然后在箱內(nèi)填入預(yù)先配制的中性土壤 （pH值為8.7） 或酸性 （pH值為5.5） 土壤中。將小孔電流約束傳感器垂直固定在鋼板表面，采用電化學(xué)阻抗法測量不同時段內(nèi)埋地鋼板的 R p 值，結(jié)果見圖3。為了對比，同時測量一個面積約1 cm 2 的Q235電極的R p 值，以作為模擬接地網(wǎng)在同一環(huán)境中腐蝕速率的參考值。

    從圖3來看，在模擬酸性土壤中，當(dāng)沒有開啟GE電流約束時，模擬接地網(wǎng)的 R p （1400 Ω·cm 2 ） 與作為參考值的獨(dú)立電極的 R p （2300 Ω·cm 2 ） 之間相差40%，而一旦開啟GE電流約束電路后，模擬接地網(wǎng)的極化電阻立刻增至2350 Ω·cm 2 ，與參考值的誤差小于5%。同樣的，對于模擬中性土壤也是如此，表明無論是在腐蝕性強(qiáng)或弱的土壤中，經(jīng)過GE補(bǔ)償和小孔限流雙重約束后，模擬接地網(wǎng)的 R p 值均非常接近同材質(zhì)碳鋼電極的 R p 值，這也證明GE補(bǔ)償比普通小孔限流電極能更好地將極化電流約束在小孔投影面積內(nèi)，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    此外，在中性土壤中，由于土壤電阻率較高，IR降較大，因此小孔內(nèi)的極化電流發(fā)散較為困難，所以即使不開啟GE電流約束電路，其測量結(jié)果與有GE約束的測量結(jié)果差別也不大，誤差僅為20%，小于酸性土壤下的測量誤差 （約為40%）。

    3.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

    遠(yuǎn)程自動化是當(dāng)前現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測的一個發(fā)展方向，變電站遠(yuǎn)程無線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)主要由：接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測裝置，限流型小孔腐蝕監(jiān)測傳感器，GPRS無線收發(fā)器和中央監(jiān)控服務(wù)器等4部分組成。中央監(jiān)控服務(wù)器軟件能定時聯(lián)絡(luò)各個站點(diǎn)分散的無線收發(fā)器，并通過后者將現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測傳感器的測量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，授權(quán)用戶通過局域網(wǎng)終端可以查看現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)或曲線。

    地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測裝置采用高速單片機(jī)和精密數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，以電化學(xué)阻抗測量為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)極化電阻和土壤電阻率的同時測量，由于電化學(xué)阻抗技術(shù)內(nèi)置相關(guān)積分算法，具有較好的抗電磁干擾和交流干擾能力，測量結(jié)果離散性小。無線數(shù)據(jù)通信則以成熟的GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了低成本下服務(wù)器與遠(yuǎn)程設(shè)備之間的雙向通信。遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖4。

圖4 GSM無線腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組建方案

    在山西太原某500 kV和陽泉某220 kV變電站各安裝了1套遠(yuǎn)程接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5a。

圖5 安裝于陽泉某變電站的遠(yuǎn)程接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng) (a) 及接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化管理平臺 (b)

    該現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測裝置采用30 W單晶硅太陽能電池供電，確保不受外部供電中斷的影響，且可以避免交流電的引入造成測量干擾。太陽能電池的大容量12 V/40Ah蓄電池則埋入地下1 m深處，可以防止冬季低溫對蓄電池的損害。而腐蝕監(jiān)測裝置、無線收發(fā)器和太陽能電池控制器均安裝在防水型戶外箱中，可增強(qiáng)整套戶外監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境抵抗能力。圖5b為基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化腐蝕監(jiān)測軟件界面，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)下載、曲線顯示、報表統(tǒng)計和報警管理等功能。

    圖6顯示了分別位于陽泉和太原的某兩個變電站接地網(wǎng)在土壤中的開路電位 （OCP） 和腐蝕速率變化曲線，其中數(shù)據(jù)采樣間隔為12 h，總時間為8個月，從2014年11月10日至2015年7月9日。接地網(wǎng)的OCP是以固態(tài)Ag/AgCl電極作為參比電極，從圖6中的OCP曲線來看，在腐蝕監(jiān)測傳感器剛埋入土壤中的數(shù)天內(nèi)，OCP均較正，隨后快速負(fù)移并接近正常值 （-0.48 V）。圖6a顯示，隨氣溫或降水的改變，陽泉接地網(wǎng)的 OCP 一般在-0.50~-0.44 V之間變化；而太原變電站接地網(wǎng)的OCP整體上是在-0.60~-0.53 V之間波動，可見陽泉接地網(wǎng)的OCP整體上較太原的要正80 mV左右，這可能是因?yàn)殛柸貐^(qū)的土壤顆粒孔隙度更大，含氧率更高，因而OCP較正。

    從圖6a中的腐蝕速率曲線來看，陽泉變電站接地網(wǎng)冬季腐蝕速率較低，約為0.1~0.15 mm/a，而從 015年4月中旬降雨開始，腐蝕速率快速上升，從0.15 mm/a 增至0.48 mm/a，表明接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕速率隨降雨的來臨 （土壤含水量上升） 而迅速增加，這一腐蝕速率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電力行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（0.076 mm/a），半年平均腐蝕速率達(dá)到了0.22 mm/a。

    現(xiàn)場開挖也表明：陽泉接地網(wǎng)銹蝕非常嚴(yán)重。相反在太原某變電站的腐蝕速率曲線中 （如圖6b），腐蝕速率在2015年4月中旬前 （冬季） 均只有0.03 mm/a，只是從5月份后，腐蝕速率才逐步上升至0.1 mm/a，半年的平均腐蝕速率只有0.036 mm/a，僅為陽泉變電站的1/6。現(xiàn)場開挖也表明：雖然經(jīng)過十年的運(yùn)行，太原某變電站的接地網(wǎng)腐蝕也非常輕微。陽泉變電站接地網(wǎng)腐蝕速率高于太原接地網(wǎng)，實(shí)際上與前者的OCP較正是一致的，碳鋼在土壤中的OCP越正，表明土壤含氧量越高，土壤中氧陰極去極化能力越強(qiáng)，腐蝕速率自然也更高一些。

    4 結(jié)論

    （1） 接地網(wǎng)腐蝕速率測量精度取決于傳感器極化電流的約束能力，集成小孔限流與護(hù)環(huán)電極電流約束的腐蝕監(jiān)測傳感器，可以有效地將極化電流約束在接地網(wǎng)于傳感器小孔投影區(qū)域內(nèi)，防止電流彌散，提高了腐蝕速率測量精度。

    （2） 基于交流阻抗技術(shù)和相關(guān)積分算法的接地腐蝕監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了極化電阻和土壤電阻率的同時測量，具有較高的抗電磁干擾和交流干擾能力，其測量結(jié)果較傳統(tǒng)方法離散性小。

    （3） 在山西省安裝的兩套接地網(wǎng)無線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測的遠(yuǎn)程自動化。經(jīng)過半年多的運(yùn)行，監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場開挖結(jié)果具有一致性，表明腐蝕監(jiān)測結(jié)果可信度高。