基于LoRa的變電站接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

茆天宇， 何怡剛， 羅旗舞， 史露強， 高 鏡

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

變電站接地網(wǎng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施[1]。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，接地體在土壤中因腐蝕會導(dǎo)致截面積變小、接地電阻值增加，造成接地網(wǎng)壽命減短，嚴(yán)重時甚至危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[2～4]。因此，對于接地網(wǎng)的腐蝕情況進(jìn)行在線監(jiān)測勢在必行。當(dāng)前大多數(shù)對于接地網(wǎng)腐蝕的直接測量均依靠有線的方式進(jìn)行供電和通信，嚴(yán)重限制了腐蝕監(jiān)測節(jié)點的部署。同時，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，需要一種抗干擾性能優(yōu)異的通信技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確傳輸。

本文設(shè)計了一種無線腐蝕傳感終端，實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕狀況的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)由無線腐蝕傳感器、中繼節(jié)點、后臺服務(wù)器和客戶終端組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)布設(shè)在變電站接地網(wǎng)的各個測試點上，各個無線腐蝕傳感器采集到的電壓數(shù)據(jù)通過LoRa模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼節(jié)點，再由中繼節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)最終傳遞給后臺服務(wù)器。后臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，再將處理后得到的腐蝕狀況數(shù)據(jù)傳送給各個客戶終端，實現(xiàn)對腐蝕數(shù)據(jù)的云端化處理。

2 LoRa通信技術(shù)

LoRa技術(shù)采用線性跳頻脈沖系統(tǒng)(Chirp)，利用線性跳頻脈沖調(diào)制信號，擴展通信信號頻譜帶寬，以實現(xiàn)擴頻通信，并獲得較好的抗干擾性能[5,6]。

圖1 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3 接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測

3.1 測定腐蝕速率的方法

1)開路電位：工作電極(working electrode,WE)和參比電極(reference electrode,RE)之間的電勢差，給出了對于腐蝕可能性的一種估計，但并不提供關(guān)于實際腐蝕速率的信息。

2)線性極化：用于測量WE的瞬時腐蝕電流Icorr以及陽極與陰極反應(yīng)的電化學(xué)方法。描述陽極和陰極反應(yīng)的模型采用Butler-Volmer方程[7]

IT=Icorrexp[2.3(ET-EOC)/βa]-

Icorrexp[2.3(EOC-ET)/βc]

(1)

式中IT為在對電極(counter electrode,CE)和WE之間流動的極化電流;ET為WE和RE之間的極化電位；EOC為開路電位;βa和βc分別為陽極和陰極反應(yīng)的Tafel常數(shù)。在線性極化測量中，極化電位ET在開路電位EOC附近變化。在ET=EOC時，兩個反應(yīng)均處于平衡狀態(tài)，此時極化電流IT= 0。通過計算斜率得到極化電阻值Rp與腐蝕速率。預(yù)測的腐蝕電流如圖2所示。

圖2 依據(jù)Butler-volmer方程預(yù)測的腐蝕電流

從圖2可以看出，在開路電位附近，(ET-EOC)對IT曲線是接近線性的。ET=EOC時的曲線斜率定義為極化電阻值。由式(1)，ET=EOC處的曲線的斜率為

(2)

可以解出腐蝕電流

(3)

式中B為關(guān)于βa和βc的函數(shù)，可通過測量計算獲得[8,9]。最終計算獲得腐蝕電流Icorr。依據(jù)法拉第方程可以確定厚度減少的速率

(4)

3.2 腐蝕監(jiān)測電路設(shè)計

如圖3，腐蝕測量電路使用三電極結(jié)構(gòu)，分別為CE， RE和WE[10]。具體測量方法如圖4所示。

圖3 腐蝕測量示意

圖4 腐蝕測量電路工作流程

4 無線腐蝕傳感監(jiān)測終端設(shè)計

腐蝕監(jiān)測終端設(shè)計如圖5所示。系統(tǒng)中，供電模塊采用取能天線與太陽能供電結(jié)合的方式，通過取能天線接收電網(wǎng)中的電磁波，對單片機(micro controller unit,MCU)模塊及腐蝕測量模塊供電。LoRa模塊通過電池組供電。MCU選用TI公司的MSP430F169低功耗芯片，實現(xiàn)對整個傳感電路工作的控制。LoRa芯片采用Semtech公司的SX1278，靈敏度可達(dá)148 dB，理論工作時間長達(dá)10年。

圖5 無線腐蝕傳感終端模塊示意

5 無線終端測試

5.1 通信測試

將無線腐蝕傳感終端分別置于距離中繼節(jié)點不同距離的測試點，接收信號的強度指示(received signal strength indication,RSSI)如表1所示。

表1 無線腐蝕傳感終端距離測試

5.2 腐蝕測試

WE由被測金屬制成，測試中使用A3鋼作為腐蝕樣本， RE采用飽和甘汞電極， CE采用鉑電極，測試樣本置于3.5 %的氯化鈉溶液中。使用HM—PS—100型電化學(xué)工作站在相同環(huán)境下進(jìn)行測量作為對比實驗。測試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，腐蝕傳感終端可以對腐蝕趨勢進(jìn)行較為準(zhǔn)確描述，對于準(zhǔn)確腐蝕評判具有指導(dǎo)作用。

表2 無線腐蝕傳感終端腐蝕測試

6 結(jié) 論

本文將腐蝕監(jiān)測技術(shù)與LoRa技術(shù)相結(jié)合，并將其應(yīng)用于接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測中，可以作為接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測的一個重要參考，能對接地網(wǎng)進(jìn)行大范圍、長時間觀察。同時憑借LoRa技術(shù)，實現(xiàn)在變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下的遠(yuǎn)距離抗干擾傳輸。監(jiān)測人員通過各種終端即可實時了解到接地網(wǎng)當(dāng)前腐蝕程度，對于判斷實際檢修位置具有重要的參考意義。