高壓電網(wǎng)大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)展

于金山，萬閃，趙鵬，繆春暉，陳國宏，董澤華

（1. 國網(wǎng)天津電力有限公司電力科學(xué)研究院，天津 130088；2. 華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 材料服役失效湖北省重點實驗室，武漢 430074；3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230088）

高壓電網(wǎng)作為重要的能源輸送走廊，其穩(wěn)定運行對于國家經(jīng)濟安全與社會穩(wěn)定至關(guān)重要。然而包括架空電線、鐵塔、金具、變壓器以及接地網(wǎng)等電力設(shè)備廣泛受到大氣、土壤和海水的腐蝕，特別是變電站大都建在人口密集、空氣污染較重的工業(yè)城市，極易導(dǎo)致電力設(shè)備的大氣腐蝕[1]。電力設(shè)備的金屬材料一般由導(dǎo)電性較好的金屬材料（如Cu、Al、Ag、Fe、Zn等）構(gòu)成，考慮到供電設(shè)備的導(dǎo)電部件對導(dǎo)電性和散熱性要求較高，一般無法使用外敷式涂料對其進(jìn)行防腐，因而電力設(shè)備中的金屬材料對大氣腐蝕尤為敏感。此外，電力控制系統(tǒng)中的接插件和電路板等，其中Cu、Ag、Sn等電子材料的腐蝕可能會造成電路短路或斷路，導(dǎo)致變電站嚴(yán)重故障[2]。

暴露于大氣環(huán)境中的金屬表面會自發(fā)吸附水分子，并形成一層數(shù)微米到數(shù)十微米的薄液膜，而大氣中的污染粒子（如NaCl、SO2、SO3和NOx等）溶解其中，便形成導(dǎo)電薄液膜。也就是說，金屬的大氣腐蝕本質(zhì)上是薄液膜下電化學(xué)腐蝕。此外，強電磁場、雷擊和短路電流會導(dǎo)致金具觸點燒蝕。金屬表面薄液膜的形成與大氣相對濕度具有較高的相關(guān)性[3]，一般將大氣腐蝕速率顯著增加時的相對濕度數(shù)值稱之為臨界相對濕度。由于不同金屬材料的表面功涵（Working function）不同，其臨界相對濕度也不一樣。碳鋼臨界相對濕度一般為 70%左右[4]，當(dāng)相對濕度低于該值時，大氣腐蝕比較輕微，反之大氣腐蝕顯著增加。此外降雨增加了當(dāng)?shù)氐南鄬穸?，使腐蝕效應(yīng)相應(yīng)增加，特別是污染地區(qū)雨水融入大氣污染物，會促進(jìn)金屬腐蝕。當(dāng)金屬表面粘附有灰塵顆?；蚱渌廴疚飼r，會顯著降低凝露或液膜形成的臨界相對濕度。如 MgCl2鹽粒的臨界潮解濕度為42%，NaCl為76%。高吸濕性鹽分的吸附，會導(dǎo)致低相對濕度下，金屬表面也形成含鹽薄液膜，促進(jìn)金屬大氣腐蝕。

1 腐蝕在線監(jiān)測

腐蝕在線監(jiān)測是指在不影響設(shè)備正常運行的情況下，連續(xù)對金屬材料的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行測量。它能實時監(jiān)測材料的腐蝕進(jìn)程，揭示腐蝕發(fā)展規(guī)律，從而能迅速判斷設(shè)備的腐蝕狀況，防止重大事故的發(fā)生。因此，要提高電力設(shè)備故障的預(yù)警能力，必須采用腐蝕監(jiān)測手段，對電力設(shè)備在大氣環(huán)境中的真實腐蝕狀況進(jìn)行實時測量，對可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)腐蝕失效的狀態(tài)，作出早期預(yù)警，及時采取防范和控制措施，降低事故發(fā)生的概率。準(zhǔn)確的腐蝕在線監(jiān)測可為電力設(shè)備關(guān)鍵組件的預(yù)防性更換和視情維修提供重要參考。

我國的大氣腐蝕研究起于20世紀(jì)60年代。主要是在大氣腐蝕監(jiān)測站內(nèi)進(jìn)行長期大氣暴曬試驗，并采用定期取片和失重法來研究金屬材料的大氣腐蝕速率。失重法耗時長，過程繁瑣，不適合在線監(jiān)測，但優(yōu)點是數(shù)據(jù)可靠。近年來，大氣腐蝕在線監(jiān)測方法得到快速發(fā)展，包括電偶腐蝕電池[5]、電化學(xué)阻抗[6]、薄膜電阻探針[7]、交流導(dǎo)納技術(shù)和石英晶體微天平[8]等腐蝕監(jiān)測方法。

1.1 電偶腐蝕電池

電偶腐蝕電池（Galvanic Corrosion Cell，GCC）是基于腐蝕電化學(xué)中電偶腐蝕原理設(shè)計，由不同材質(zhì)（如Cu、Fe、Ag等）多片交替排列的雙電極構(gòu)成[9]，是一種較為典型的大氣腐蝕監(jiān)測（Atmospheric Corrosion Measurement，ACM）裝置。電偶電極對一般采用梳齒型設(shè)計，二者緊密咬合，但又彼此絕緣，常見的梳齒電極腐蝕傳感器如圖1所示。在大氣吸附薄液膜下，異種金屬電極片之間形成電偶電流，通過高靈敏度的零阻電流計測量這種微弱電流，并計算電偶電流隨時間的積分電量，從而得到腐蝕相關(guān)量。然后將上述得到的腐蝕數(shù)據(jù)與氣象及環(huán)境污染數(shù)據(jù)相結(jié)合，統(tǒng)計分析環(huán)境因子與環(huán)境腐蝕程度的相關(guān)性，從而評判大氣環(huán)境的腐蝕性。章興德[10]用 GCC型（Fe/Ag）腐蝕傳感器研究了海洋大氣環(huán)境的腐蝕性。該傳感器監(jiān)測了Fe/Ag電偶電極上鐵的腐蝕行為，并通過該傳感器測得鹽粒質(zhì)量和濕度頻率之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。

圖1 典型GCC梳齒電極腐蝕傳感器以及零阻測量電路Fig.1 Typical GCC comb electrode corrosion sensors and zero resistance measurement circuit

GCC雖可以實時在線監(jiān)測金屬的腐蝕情況，但由于電偶腐蝕的兩電極在測試過程中處于極化狀態(tài)，而非自然狀態(tài)，因此上述測得的腐蝕電流并不能直接代表腐蝕速率，只能用來評價大氣環(huán)境的腐蝕性。此外，由于晝夜溫差和環(huán)境濕度的變化，使梳齒電極之間的薄液膜呈現(xiàn)不連續(xù)狀，如圖 2a所示。常規(guī)大氣腐蝕監(jiān)測均采用電偶電流或者線性極化原理，測量結(jié)果極度依賴表面液膜的連續(xù)性。在 RH＜80%的環(huán)境中，由于梳齒電極間的薄液膜呈島式分布，并不能形成連續(xù)導(dǎo)電通路，因此低濕大氣下測量的電偶電流幾乎為0，導(dǎo)致大氣腐蝕測量結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。實際上，基于電偶電流的GCC裝置只適用于電極間存在連續(xù)導(dǎo)電液膜的高濕或高污染大氣環(huán)境，如圖2b所示。

圖2 梳齒雙電極表面吸附薄液膜的形成過程Fig.2 Formation process of thin liquid film adsorbed on comb double electrode surface: a) discontinuous conductive liquid film; b) continuous conductive liquid film

1.2 電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜（EIS）通過對研究電極施加一個小幅度的交流電位擾動，得到相應(yīng)的電流響應(yīng)，進(jìn)而采用相關(guān)積分算法來計算不同頻率下阻抗的實部與虛部[11]，通過頻率掃描來獲取電極界面的腐蝕電化學(xué)信息。近年來，電化學(xué)阻抗方法因具有對測試系統(tǒng)擾動小，測量頻率范圍寬等特點，廣泛應(yīng)用于腐蝕研究領(lǐng)域[12-15]。用于大氣腐蝕監(jiān)測時，該技術(shù)一般選用同材質(zhì)的雙電極，且兩電極間的交液線一般較長，可反映金屬材料表面的潤濕時間和腐蝕程度。完整的EIS測量頻率過寬，時間較長，尤其是低頻區(qū)測量容易受到外部電磁干擾的影響，不利于快速測量大氣腐蝕速率，因而一般采用定頻來測量電極間的電化學(xué)阻抗[16-17]。

Pan等[18]利用EIS原位監(jiān)測了銅在模擬沿海工業(yè)大氣中的腐蝕速率，并結(jié)合微觀分析手段綜合分析了模擬工業(yè)大氣的腐蝕性。Li等[19]研究了不同濕度下海洋大氣對碳鋼的腐蝕性。EIS數(shù)據(jù)表明，濕度越高，海洋大氣的腐蝕性越強，且該實驗得出的濕度與對應(yīng)阻抗譜之間的數(shù)據(jù)關(guān)系可作為評價大氣腐蝕程度的參考指標(biāo)。

EIS測量一般需要在電極表面存在連續(xù)導(dǎo)電薄液膜的條件下進(jìn)行[20]，然而在低濕度條件下，電極表面難以形成連續(xù)薄液膜。此時測得的EIS，尤其是低頻阻抗只與儀器的輸入阻抗有關(guān)，基于該測量值所計算的極化電阻倒數(shù)與真實腐蝕速率相差較大。可見，基于電化學(xué)原理（電偶或極化）的傳感器必須在電極表面存在連續(xù)液膜時才具有可信度。低濕大氣環(huán)境下，電化學(xué)測量值與真實大氣腐蝕速率有較大差距。

1.3 薄膜電阻傳感器

薄膜電阻（TER）傳感器的本質(zhì)是一種金屬箔條或者細(xì)絲，因大氣腐蝕導(dǎo)致金屬截面厚度減薄，引起金屬導(dǎo)體電阻增加，通過精密測量電阻隨時間的變化量，再基于歐姆定律可反推出厚度或直徑變化，進(jìn)而計算金屬箔或絲的腐蝕速率或腐蝕量。電阻探針技術(shù)因原理簡單，適用于油、氣、水等各種腐蝕介質(zhì)的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于腐蝕監(jiān)測的各個領(lǐng)域[21-25]。

TER傳感器由兩個串聯(lián)的同材質(zhì)金屬箔片構(gòu)成：一個箔片暴露于大氣環(huán)境中，作為測量臂，記錄截面腐蝕引起的阻抗變化；另一個表面用防護(hù)漆進(jìn)行掩埋，作為參考臂，對溫度引起的電阻變化進(jìn)行補償，如圖3所示。

圖3 薄膜電阻探針傳感器和相應(yīng)的監(jiān)測電路原理Fig.3 Membrane resistance probe sensors and corresponding monitoring circuit principle

腐蝕深度可由式（1）進(jìn)行計算：

式中：Tinit為參考臂的初始厚度；Rref(t)和Rsens(t)分別為測量臂和參考臂在時刻 t的電阻值；Rref,init、Rsens,init分別為測量臂和參考臂的最初電阻；h為金屬箔的腐蝕深度。

腐蝕監(jiān)測工程中，如海上風(fēng)機塔筒、大型計算機房和電氣設(shè)備間的空氣腐蝕監(jiān)測，可以采用高靈敏度的精密電阻腐蝕監(jiān)測儀來實現(xiàn)。該設(shè)備采用電池供電，內(nèi)置溫度補償電路，可以對Cu、Ag和Fe等多種金屬材料的大氣腐蝕進(jìn)行精確測量，分辨率可以達(dá)到納米級減薄率。不同鹽粒沉積量下，銅箔電阻傳感器在35 ℃、90%相對濕度下的大氣腐蝕如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)銅箔表面無鹽粒沉積時，即使在高濕度（RH為90%）下，銅基本不發(fā)生腐蝕，腐蝕速率僅為0.2 μm/a。一旦銅表面被鹽粒污染時，前期腐蝕速率會急劇增大到 16 μm/a，然后緩慢下降，后期趨于一個定值。這是因為鹽粒在RH為90%下，會發(fā)生潮解，生成薄液膜，加速銅的腐蝕。由于腐蝕產(chǎn)物的不斷積累，對底層銅形成保護(hù)，故后期腐蝕速率會逐漸降低。

圖4 鹽粒沉降對銅箔腐蝕量和腐蝕速率的影響曲線Fig.4 Effect curve of corrosion and corrosion rate of copper foil by grain sedimentation

TER傳感器是一種基于物理方法來測量腐蝕程度的技術(shù)，能廣泛應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境中，且得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。相比電化學(xué)方法，更能真實地反映大氣腐蝕狀態(tài)[21,26]。由于 TER測量的僅僅只是一種物理響應(yīng)，與金屬表面電化學(xué)過程無關(guān)，無法揭示電化學(xué)信息，也無法有效監(jiān)測局部腐蝕。在特殊情況下，如果金屬表面的腐蝕產(chǎn)物是導(dǎo)電體，會導(dǎo)致腐蝕測量結(jié)果偏高。

1.4 石英晶體微天平

石英晶體微天平（QCM）是一種基于壓電諧振原理來記錄石英晶體諧振頻率變化的傳感器。對石英晶片施加交變電場時，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若對石英晶片施加機械壓力時，則會在石英晶片相應(yīng)方向上產(chǎn)生相應(yīng)的電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)[27]。一般情況下，石英晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅都非常微小，只有在外加交變電壓的頻率與石英晶體的固有震蕩頻率一致時，才會誘導(dǎo)共振而增強振幅，這就是壓電諧振，此頻率稱為諧振頻率。20世紀(jì)50年代，Sauerbrey[28]導(dǎo)出了石英晶體諧振頻率變化Δf與晶片表面沉積質(zhì)量變化Δm的關(guān)系：

式中：Δf為石英晶片振動頻率的改變量，又稱頻移，Hz；Δm為晶片表面剛性沉積物質(zhì)量的變化量，g；A為晶片的表觀面積，cm2；f0為晶片的基頻，MHz。該式表明質(zhì)量變化與諧振頻率之間呈線性關(guān)系，這也是QCM測量金屬大氣腐蝕的基本原理。

當(dāng) QCM 晶片表面的金屬膜因氧化而質(zhì)量增加時，就會造成晶體振蕩器的共振頻率下降，通過高分辨的頻率計數(shù)器，可以測量晶體表面的質(zhì)量變化。QCM具有極高的靈敏度，響應(yīng)時間可以縮短到秒級，因此可原位在線監(jiān)測大氣環(huán)境中金屬表面腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量的變化，有助于研究大氣環(huán)境下金屬的腐蝕動力學(xué)規(guī)律。

作為大氣腐蝕監(jiān)測傳感器，QCM 也有其固有缺陷。例如，用于監(jiān)測大氣腐蝕前，需將被研究的金屬（如Cu、Ag、Sn等）預(yù)鍍在晶片上，目前使用較廣的方法是蒸鍍或電鍍。然而有些金屬不能通過上述方法鍍在晶片上，這在很大程度上限制了QCM的使用。另外，鍍在晶片上的金屬薄膜已改變其原始狀態(tài)，與真實服役的金屬材料的受力狀態(tài)和金相組織等完全不同。因此其測量結(jié)果與真實大氣腐蝕也有較大區(qū)別，必須對QCM的測試結(jié)果作出一些修正。此外，QCM 對水汽凝結(jié)、大氣顆粒沉積和污染氣體吸附很敏感，這些因素也會導(dǎo)致晶片表面質(zhì)量增加，造成腐蝕速率計算錯誤。

1.5 電化學(xué)噪聲監(jiān)測

除了上述大氣腐蝕監(jiān)測技術(shù)以外，近年來電化學(xué)噪聲測量（Electrochemical Noise Measurement，ENM）也被用來在線監(jiān)測大氣腐蝕。ENM 是一種原位無損的腐蝕監(jiān)測方法[29]，其傳感器也可采用與電偶腐蝕電池類似的梳齒電極。ENM無需外加三角波、方波或正弦波擾動，只需要通過電壓跟隨器和零阻電流計實時記錄薄液膜下梳齒電極之間因腐蝕而產(chǎn)生的電位與電流波動，最后通過噪聲分析來確定腐蝕類型，計算腐蝕速率[30]。由于是無擾測量，ENM能真實反應(yīng)材料的腐蝕狀態(tài)，尤其是點蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕，因此ENM近年來受到了廣泛重視。

關(guān)于ENM分析方法，目前主要包括時域統(tǒng)計分析、頻域分析和小波分析。其中時域統(tǒng)計（如噪聲電阻）應(yīng)用最為廣泛[31]，但用于計算腐蝕速率時，仍然受到諸多因素干擾，導(dǎo)致準(zhǔn)確度不高。頻域分析（如功率譜分析和譜噪聲電阻Rsn計算）受低頻漂移影響大，導(dǎo)致高頻部分的信息受到污染，計算誤差增大。小波分析通過將原始噪聲在不同小波尺度上進(jìn)行分解，可以反映局部腐蝕細(xì)節(jié)[32]，但用于大氣腐蝕監(jiān)測時，難以提取出統(tǒng)一的腐蝕評價指標(biāo)。

盡管ENM方法較簡單，但容易受到外界環(huán)境的干擾，很多監(jiān)測到的信號并不是來自大氣腐蝕電極。尤其是當(dāng)梳齒電極傳感器表面形成不連續(xù)薄液膜時，電極對之間的高阻抗會如天線一樣，將大量的外部電磁干擾耦合到測量儀器中，造成噪聲信號嚴(yán)重畸變，這也增加了ENM應(yīng)用于現(xiàn)場大氣腐蝕監(jiān)測的難度[33]。

2 架空線腐蝕監(jiān)測技術(shù)

架空地線是輸電線路的重要組成部分，其耐腐蝕性能是影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的重要因素。在我國沿海和工業(yè)密集區(qū)，空氣中的SO2、NO2和CO2濃度逐步上升，形成腐蝕性強的酸雨，加上沿海大氣鹽粒沉降都會迅速消耗掉架空鋼絞線表面的鍍鋅層，加速鋼絞線的腐蝕。此外，強電磁場、雷擊和短路電流會導(dǎo)致金具觸點燒蝕。大氣腐蝕和過流燒蝕二者共同作用，再加上強風(fēng)的周期性拉應(yīng)力，會加速鋼絞線腐蝕疲勞斷裂[34]，引發(fā)跳閘故障。

當(dāng)前各大電力公司都加大了鋁合金絞線、鋁包鋼芯鋁絞線、光纖復(fù)合架空地線等新產(chǎn)品的應(yīng)用，努力提高架空地線的耐蝕等級，實現(xiàn)全壽命周期成本控制。然而，對于架空地線故障，很難做到預(yù)先評估，往往只能等到地線墜落才能發(fā)現(xiàn)，這給供電安全帶來很大困擾。

當(dāng)前用于在線巡檢鋼絞線腐蝕程度的方法不多，主要通過望遠(yuǎn)鏡或者無人機視覺觀測表面銹蝕狀態(tài)，因此測量結(jié)果并不準(zhǔn)確。架空鋼絞線具有金屬的趨膚效應(yīng)，在高頻（1～100 kHz）正弦波信號激勵下，交流電僅沿鋼絞線表層傳輸，因此對表面狀態(tài)如腐蝕程度、腐蝕產(chǎn)物堆積量極為敏感。腐蝕減薄會增加架空線的內(nèi)電感，在導(dǎo)納-頻率譜上形成導(dǎo)納峰。隨著腐蝕程度的加深，地線的平均直徑下降，導(dǎo)致虛導(dǎo)納峰位向高頻移動，且相對于地線的直流電阻變化，虛導(dǎo)納峰的移動幅度有著數(shù)量級上的優(yōu)勢，因此虛導(dǎo)納法具有較強的可觀測性和可操作性。通過測量一段地線的虛導(dǎo)納峰位相應(yīng)的頻點，并與新架空線進(jìn)行對比，可以判斷出地線的腐蝕程度，計算出架空地線的平均剩余直徑。

采用頻譜掃描測量的某段長10 m的φ6 mm實驗架空線的實部與虛部導(dǎo)納值隨頻率的變化曲線如圖5所示。可見架空線銹蝕后，同頻率下，相比新架空線，導(dǎo)納虛部 "G的絕對值有所下降，尤其是在中頻區(qū)100～1000 Hz。這可能是因為架空線因腐蝕導(dǎo)致截面積減小后，使導(dǎo)線的交流電阻和內(nèi)電感增加所致。根據(jù)一定長度的導(dǎo)線電感計算公式（3），對于長度為l，直徑為d，磁導(dǎo)率為μ=μ0的導(dǎo)線，其內(nèi)電感為[35]：

導(dǎo)線的虛導(dǎo)納 G " = 1/jω L0，因此根據(jù)圖5b中的虛導(dǎo)納頻率圖，可以計算出導(dǎo)線的電感量L0，進(jìn)而根據(jù)公式（3）計算出導(dǎo)線的剩余直徑d。

對于現(xiàn)場架空線的腐蝕監(jiān)測，可以采用兩臺架空線行走裝置分別作為兩個移動夾持點，將交流導(dǎo)納監(jiān)測儀測量電纜的兩個端點分別聯(lián)接在這兩個移動裝置夾持點上，由移動作業(yè)裝置的行走輪和壓緊輪分別實現(xiàn)兩個遠(yuǎn)端測點的移動和夾持。通過交流導(dǎo)納測試儀測量一段架空地線的交流導(dǎo)納，來計算這段架空線的剩余直徑，再配合WI-FI無線通訊，將測試數(shù)據(jù)下載到地面手持控制器，就可以實現(xiàn)架空線腐蝕狀態(tài)的自動巡檢，如圖6所示。

圖5 全新及腐蝕后的鋼絞線導(dǎo)納Fig.5 New and corroded steel strand admittance: a) real component spectrum; b) imaginary part of spectrum

圖6 移動行走裝置與交流導(dǎo)納儀測量架空地線腐蝕狀態(tài)示意Fig.6 Mobile walking device and exchange admittance instrument measuring earth wire corrosion condition

電力設(shè)備材料在大氣環(huán)境中的腐蝕失效是一個十分復(fù)雜的過程，其服役可靠性與服役壽命的預(yù)測需要長期的數(shù)據(jù)積累，除了需要對電力電器典型材料的大氣腐蝕進(jìn)行定期檢測外，還需要不斷完善腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)，提高在線監(jiān)測儀器的靈敏度和精確度。此外，建立相應(yīng)材料的大氣腐蝕發(fā)展模型和數(shù)據(jù)分析模塊，完善大氣腐蝕數(shù)據(jù)庫，將腐蝕在線監(jiān)測與腐蝕數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊相結(jié)合，可望大幅提高電氣設(shè)備大氣腐蝕失效故障診斷以及可靠性評估的精確度。

3 結(jié)語

針對輸變電設(shè)備的大氣腐蝕問題，文中對幾種典型大氣腐蝕監(jiān)測方法進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述和對比分析，比較了電偶腐蝕電池、電化學(xué)阻抗譜、薄膜電阻探針、石英晶體微天平和電化學(xué)噪聲等多種方法應(yīng)用于電力設(shè)備大氣環(huán)境中各自的優(yōu)缺點。工程上只有將幾種監(jiān)測技術(shù)結(jié)合起來，相互驗證，才能得到比較準(zhǔn)確的大氣腐蝕信息。

針對架空地線現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測，提出了采用交流導(dǎo)納法逐段測量架空地線的虛導(dǎo)納。通過架空線的內(nèi)電感與銹蝕量的關(guān)系式，來計算出架空線的平均腐蝕量。結(jié)合自動巡線行走裝置，將可望大幅提高架空線腐蝕巡檢的效率和精度。