高硅鉻鐵高壓直流接地極腐蝕監(jiān)測技術(shù)與焦炭層填充試驗(yàn)研究

李偉，郭子豪，王容，李松，王西香，張健陽，董澤華

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；2. 國網(wǎng)陜西省電力有限公司 超高壓公司，西安 710026；3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，西安 710048；4.陜西中試電力科技有限公司，西安 710100；5.武漢科思特儀器股份有限公司，武漢 430074；6.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

隨著我國電力系統(tǒng)擴(kuò)容、輸電功率增加、輸電距離增長以及不同頻率電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)與送電等需求的增加，提高電能輸送效率成為了關(guān)鍵，特高壓直流輸電由于輸電效率高、損耗小，得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著特高壓電網(wǎng)的出現(xiàn)，變電站容量的進(jìn)一步擴(kuò)大，對其接地網(wǎng)的安全運(yùn)行狀態(tài)診斷及其服役年限也提出了更高的要求。

特高壓直流輸電系統(tǒng)的接地裝置通常包括接地導(dǎo)體和活性填充料，而接地導(dǎo)體則由埋入大地一定深度的多個(gè)高耐蝕性金屬導(dǎo)體組成[1-5]。高壓直流輸電正常狀態(tài)下一般采用雙極運(yùn)行，直流接地極上并不流過電流。然而，當(dāng)出現(xiàn)線路故障或線路檢修時(shí)，必須切換到單極大地運(yùn)行模式，即在輸電系統(tǒng)的兩端通過大地形成工作電流回路。當(dāng)數(shù)千安的電流流經(jīng)接地電極時(shí)，接地極在土壤孔隙液中將發(fā)生嚴(yán)重的電解腐蝕，并致使土壤升溫。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，土壤中的水分蒸發(fā)，土壤電阻率增大，電極將出現(xiàn)熱不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)將可使土壤燒結(jié)成幾乎不導(dǎo)電的玻璃狀體，喪失導(dǎo)電功能。尤其是當(dāng)接地極作為陽極時(shí)，電解腐蝕將造成饋電元件截面變小，散流能力降低，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致饋電元件燒蝕。另外，大電流長時(shí)間地通過接地極，還會(huì)極大地抬升大地電位，甚至在地面上產(chǎn)生危險(xiǎn)性跨步電壓。地電位升高還可能給接地極附近的地下金屬管道、鎧裝電纜和接地電氣設(shè)施（如電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)）帶來雜散電流，降低這些地下基礎(chǔ)設(shè)施的安全等級。

近年來，接地極腐蝕造成接地電阻過大而引起的電網(wǎng)事故屢有發(fā)生，降低接地極電解腐蝕已成為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要研究課題。為了使接地極在設(shè)計(jì)年限內(nèi)長期可靠工作，根據(jù)不同的土壤性質(zhì)，選擇正確的接地極材料是關(guān)鍵問題之一。一般用作接地極的材料必須具有良好的電氣性能（如高導(dǎo)電率）、物理性質(zhì)（一定的強(qiáng)韌性和表面硬度）和化學(xué)穩(wěn)定性（耐土壤腐蝕能力）[6-9]。

通常電極材料可分為可溶性材料（如鐵、銅、鋁等金屬材料）、難溶性材料（如石墨、高硅鉻鐵合金）和不溶性貴金屬材料（如鉑、銠、鍍鉑鈦合金）3 類。其中不溶性貴金屬材料具有很高的耐蝕性，但由于價(jià)格昂貴，很少在輸變電中使用。常用作接地極饋電棒的材料有高硅鉻鐵、石墨棒、銅、鐵氧體電極和其他合金等。

目前，我國特高壓直流輸電線路直流接地極中饋電元件材質(zhì)大都選用高硅鉻鐵。因此，本文也以高硅鉻鐵作為土壤電解腐蝕的研究對象。高硅鉻鐵是在普通高硅鐵（含 14.5%Si 和 0.7%Mn）基礎(chǔ)上加入4.25%Cr 后熔煉的，高硅鉻鐵合金具有更強(qiáng)的耐受鹵族氣體腐蝕的能力，既可用作土壤電極，也可用作海水電極。高硅鉻鐵合金電極的腐蝕速度將隨溢流密度的增加而快速增加。例如高硅鐵電極在溢流密度為5 mA/cm2時(shí)，接地極的溶解速度只有0.16 kg/(A·a)，約為低碳鋼的1/57，但當(dāng)溢流密度上升為80 mA/cm2時(shí)，溶解速度將上升為3 kg/(A·a)，為低碳鋼的1/3。因此，在實(shí)際使用時(shí)，要對電極的電流密度加以控制[10]。

直流接地極工程中，在饋電單元周圍往往敷設(shè)一定厚度的焦炭層，焦炭層截面直徑在0.45～0.9 m，主要通過焦炭層來提高土壤導(dǎo)電率，降低發(fā)熱量，并通過隔離電極與土壤直接接觸來減緩電解腐蝕。在現(xiàn)場應(yīng)用中，焦炭對高硅鉻鐵接地極腐蝕的緩蝕效果還不明晰。本研究將以精密電阻探針技術(shù)作為腐蝕在線監(jiān)測手段，對比填充和不填充焦炭層時(shí)，高硅鉻鐵電極在服役過程中的腐蝕速率和腐蝕總?cè)芙饬縖1]，驗(yàn)證填充焦炭層對高硅鉻鐵直流電解腐蝕的腐蝕抑制和溫升抑制效果，為特高壓直流接地極的耐久性研究提供支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 高硅鉻鐵電極

高硅鉻鐵材料的化學(xué)成分見表 1，其值符合DL/T1675—2016《高壓直流接地極饋電元件技術(shù)條件》。腐蝕監(jiān)測用高硅鉻鐵電極直徑為20 mm，長度為200 mm，采用澆鑄成形。高硅鉻鐵接地極采用同心圓方式布局，其周邊安裝1 只霍爾電流傳感器和1只溫度傳感器，用于監(jiān)測每根鉻鐵陽極的溢流密度及土壤溫度，如圖1 所示。

表1 高硅鉻鐵主要成分及含量Tab.1 The main compositions and contents of high silicon ferrochrome%

圖1 高壓直流接地極布置Fig.1 Schematic diagram of HVDC grounding electrode layout

1.2 焦炭包覆層

直流接地極選用的焦炭為經(jīng)1 350 ℃煅燒后的石油焦炭，其技術(shù)參數(shù)符合DL/T 1679—2016《高壓直流接地極用煅燒石油焦炭技術(shù)條件》，其化學(xué)成分見表2。

表2 焦炭化學(xué)成分及含量Tab.2 The chemical composition and content of coke%

1.3 腐蝕測量方法

由于高壓直流接地極不僅受到土壤腐蝕（土壤含水量、土壤通氣性和松緊度、土壤pH 值、土壤含鹽量和組成都會(huì)影響直流接地極的腐蝕），在接地極承載大電流運(yùn)行時(shí)，還會(huì)受到強(qiáng)烈的電解腐蝕。因此，采用電化學(xué)方法監(jiān)測直流接地極的腐蝕狀態(tài)，很容易受到外部電場的干擾，而且接地電極此時(shí)處于強(qiáng)烈極化狀態(tài)下，其電流密度與極化電位之間的關(guān)系不再符合Tafel 方程，造成電化學(xué)腐蝕測量結(jié)果嚴(yán)重偏離真實(shí)情況[11-13]。采用抗干擾能力強(qiáng)的精密電阻腐蝕測量法，則不受腐蝕電化學(xué)原理限制。直流接地極是隱蔽工程，采用常規(guī)的失重法和目視檢測等無法監(jiān)測其腐蝕狀態(tài)，也無法預(yù)判腐蝕隱患，所以采用在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)是很有必要的[14-16]。

1.3.1 精密電阻腐蝕監(jiān)測原理

電阻腐蝕探頭（ElectricalResistanceProbe，ER）本質(zhì)上是一種基于歐姆定律實(shí)現(xiàn)腐蝕測量的方法，一般由對稱布置的2 個(gè)或多個(gè)金屬片或棒組成。因土壤腐蝕導(dǎo)致金屬截面厚度減薄，引起電阻增加，通過測量2 個(gè)金屬片的電阻比值隨時(shí)間的變化，再基于歐姆定律可反推出厚度或直徑變化，進(jìn)而計(jì)算金屬片或棒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、土壤等各種腐蝕介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于腐蝕監(jiān)測的各個(gè)領(lǐng)域[17-23]。

本研究中的ER 腐蝕傳感器是由2 個(gè)串聯(lián)的高硅鉻鐵棒構(gòu)成，一根鉻鐵棒暴露于土壤環(huán)境中，作為腐蝕感受臂（Sensing）來記錄截面腐蝕引起的導(dǎo)體電阻變化，另一個(gè)表面用環(huán)氧樹脂掩膜保護(hù)作為參考臂（Reference），如圖2 所示。通過一個(gè)恒流源將恒定電流（1 A）流過串聯(lián)的2 根高硅鉻鐵，然后由精密儀表放大器A1 和A2 分別測量參考臂和測量臂兩端的電壓降Vf和Vx，由兩路24bitA/D 轉(zhuǎn)換器將微弱的電壓降放大并數(shù)字化，最后由單片機(jī)MCU 計(jì)算電阻比值（λ=Vf/Vx）和相應(yīng)的腐蝕余量與腐蝕速率。由于鑄鐵棒較粗（20 mm），歐姆電阻很低（～ 0.1 mΩ），實(shí)際上參考臂和測量臂兩端的電壓降<0.1 mV，需要經(jīng)過精密放大電路將原始電壓放大1 000 倍后，再進(jìn)行數(shù)字化才能得到可信的電阻比值。

圖2 基于電阻探針原理的高硅鉻鐵腐蝕測量Fig.2 Schematic corrosion measurement principle of high silicon ferrochrome based on electrical resistance probe

高硅鉻鐵棒腐蝕深度可由式（1）—（3）進(jìn)行計(jì)算。常溫下高硅鉻鐵的電阻率為1.68×10-4Ω·cm，根據(jù)其尺寸計(jì)算阻值約為0.001 07 Ω。為了減小溫度波動(dòng)對電阻值的影響，常采用對消法測量參考臂（Rref）與測量臂（Rsen）的電阻之比λ。對于圖2，有：

t時(shí)刻腐蝕速率為：

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將高硅鉻鐵接地極在2 種接地環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，分別是接地極周邊填充和不填充焦炭層。具體步驟如下：

1）在高硅鉻鐵接地極埋設(shè)前，進(jìn)行稱量和尺寸測量，用于驗(yàn)證ER 測量結(jié)果準(zhǔn)確性。

2）ER 腐蝕傳感器埋設(shè)在高硅鉻鐵的之間，二者間距不小于0.5 m。填充加焦炭組的1#溫度傳感器埋設(shè)位置為電極與焦炭的界面，并埋設(shè)在焦炭層中；2#溫度傳感器埋設(shè)位置為焦炭與土壤的界面，并埋設(shè)在土壤中，如圖3 所示。該ER 腐蝕傳感器在非測量期間，通過繼電器將測量臂與參考臂短接到直流接地極上，確保2 個(gè)電阻臂與鉻鋼接地極受到同樣強(qiáng)度的直流電解腐蝕。這一設(shè)計(jì)可以保證ER 腐蝕監(jiān)測傳感器與高硅鉻鐵接地極具有相同的腐蝕行為。

圖3 通電狀態(tài)下高硅鉻鐵接地極表面有或無焦炭層包裹時(shí)的腐蝕監(jiān)測試驗(yàn)布置Fig.3Schematiccorrosion monitoring for high silicon ferrochromegrounding electrode with or without coke wrappingunder energized condition

3）1#、2#高硅鉻鐵以及1# ER 腐蝕監(jiān)測探頭和1#溫度傳感器均埋置于焦炭層中，3#、4#高硅鉻鐵以及2# ER 腐蝕監(jiān)測探頭和2#溫度傳感器表面均不包裹焦炭層，直接埋置于土壤中。

4）回流極（負(fù)極）埋設(shè)在遠(yuǎn)端，距試驗(yàn)地不小于10 m。回流極采用不銹鋼或碳鋼單極，接地電阻不大于5 Ω。

5）每種環(huán)境通入電流20 A，每天用鉗表測量每支電極電流。每種環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間200 h。每天記錄3次，早、中、晚各1 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場埋入的高硅鉻鐵電極的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

高硅鉻鐵接地極的腐蝕質(zhì)量損失量按照 DL/T 1554—2016《接地網(wǎng)土壤腐蝕性評價(jià)導(dǎo)則》進(jìn)行評價(jià)，埋設(shè)前須進(jìn)行稱量和尺寸測量，1#、2#、3#、4# 這4 根高硅鉻鐵的測量結(jié)果見表3。其中1#、2#高硅鉻鐵埋置于焦炭層中，而3#、4#試樣則直接埋置于土壤中，2 只電阻腐蝕傳感器也分別置于同樣的環(huán)境中。由表3 可以發(fā)現(xiàn)，1#、2#的腐蝕速率較低，3#、4#電極的腐蝕較為嚴(yán)重。

從表3 來看，接地極表面包覆焦炭層時(shí)，1#、2#高硅鉻鐵電極通電前后僅有微小的質(zhì)量變化（1 g 左右），平均質(zhì)量損失速率為0.005 82 kg/(A·a)。當(dāng)電極無焦炭層包覆時(shí)，3#、4#高硅鉻鐵電極通電前后質(zhì)量發(fā)生較大變化，平均質(zhì)量損失速率為0.823 kg/(A·a)。4 根高硅鉻鐵進(jìn)行通電腐蝕試驗(yàn)后的形貌如圖4 所示。其中，1#、2#接地極基本保持光亮，但3#、4#接地極的光澤度略有下降，不過由于其質(zhì)量損失不到6 g，總體腐蝕形態(tài)也不嚴(yán)重。

表3 高硅鉻鐵的腐蝕質(zhì)量損失狀況Tab.3 Weightlossof high silicon ferrochrome electrodes buried in coke layer and soil

圖4 高硅鉻鐵棒腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌Fig.4 Photograph of high silicon ferrochrome rods after corrosion test

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，高硅鉻鐵電極包覆焦炭層后，其腐蝕過程受到了一定的抑制。焦炭是一種高導(dǎo)電性無定型碳材料，將金屬與土壤間的離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)換為金屬與焦炭之間的電子導(dǎo)電，從而減緩了接地極大過流狀態(tài)下的電解腐蝕。當(dāng)然，埋于土壤中的焦炭會(huì)吸收一定水分和鹽分，在焦炭層中也會(huì)出現(xiàn)離子導(dǎo)電，水分滲透到高硅鉻鐵電極表面，也會(huì)發(fā)生陽極電解反應(yīng)，但顯然比直接接觸土壤要小很多。

2.2 接地體腐蝕在線監(jiān)測

電阻探針腐蝕監(jiān)測是通過測量金屬敏感元件（金屬絲或金屬片）腐蝕過程中，由于金屬逐漸減薄所造成的微小電阻值增加，來實(shí)現(xiàn)已腐蝕量和腐蝕速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖5a 為腐蝕檢測傳感器實(shí)物，傳感器分為2 部分，裸露在外面的部分直接跟土壤接觸，參考電阻封裝在環(huán)氧中，與土壤隔離。圖5b 為傳感器安裝現(xiàn)場。圖6 為安裝在現(xiàn)場的高硅鉻鐵腐蝕監(jiān)測儀，不銹鋼防護(hù)箱可以對內(nèi)部的儀器進(jìn)行保護(hù)，以免受雨水、灰塵等干擾。

圖5 高硅鉻鐵腐蝕傳感器及其安裝現(xiàn)場Fig.5 (a) Electricalresistanceprobeforthecorrosionmonitoringofhigh silicon ferrochrome and (b) installation site

圖6 高硅鉻鐵腐蝕監(jiān)測儀安裝現(xiàn)場Fig.6 Installation site of high silicon ferrochrome corrosion monitoring equipment

電阻探針腐蝕傳感器埋設(shè)在高硅鉻鐵的之間，如圖3 所示。加和不加焦炭組下電阻探針腐蝕傳感器的測試曲線如圖7 所示。其中圖7a 為沒有埋置于焦炭層中的2#電阻腐蝕監(jiān)測探頭的腐蝕速率與腐蝕總量曲線，而圖7b 則為埋置于焦炭層中的1#腐蝕監(jiān)測探頭的腐蝕曲線。在沒有包裹焦炭層時(shí)，探頭的總腐蝕減薄量為2.2 μm，腐蝕速率在以均值為6.76 μm/a 的中心線上下波動(dòng)。這種波動(dòng)可能受土壤含水率和溫度波動(dòng)所致， 折算成電解質(zhì)量損失率約為1.003 kg/(A·a)，表明由于強(qiáng)烈電解導(dǎo)致的高硅鉻鐵溶解量還是較為可觀的。

圖7 高硅鉻鐵電阻探針在表面沒有和有焦炭層包覆時(shí)的腐蝕速率與腐蝕減薄監(jiān)測曲線Fig.7 Corrosion rate and corrosion thinning curve of high silicon ferrochrome based on electrical resistance probe (a) with coke coating and (b) without coke coating wrapped on the surface of electrical resistance probe

相反，埋置于焦炭層中的1#電阻腐蝕監(jiān)測探頭，由于焦炭良好的導(dǎo)電率，使電極表面的溫升減小，大部分電化學(xué)反應(yīng)從高硅鉻鐵/土壤層界面過渡到焦炭層/土壤界面，因而高硅鉻鐵棒的溶解速度大幅度較低，4 個(gè)月的減薄率僅為0.06 μm，腐蝕速率均值為 0.247 μm/a，折算成電解質(zhì)量損失率約為0.036 kg/(A·a)。焦炭層填充對高硅鉻鐵電解腐蝕抑制率可以達(dá)到96%以上。對比表3 中同步進(jìn)行的腐蝕質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果可見，電阻探針傳感器監(jiān)測的腐蝕速率結(jié)果與失重法基本是一致的，說明電阻探針技術(shù)可以實(shí)時(shí)反映接地極材料在通電狀態(tài)下的腐蝕狀況，這是常規(guī)電化學(xué)腐蝕監(jiān)測方法所不具備的。

3 結(jié)論

本文采用表面包覆和不包覆焦炭層的高硅鉻鐵接地極進(jìn)行強(qiáng)直流通流試驗(yàn)，一方面驗(yàn)證電阻探針腐蝕在線監(jiān)測方法的可靠性，另一方面驗(yàn)證焦炭延緩高硅鉻鐵直流腐蝕的效果。得到如下結(jié)論：

1）高硅鉻鐵表面包裹焦炭層后，由于后者良好的導(dǎo)電性，使電化學(xué)溶解反應(yīng)從高硅鉻鐵/土壤界面轉(zhuǎn)移到焦炭層/土壤界面，因而對高硅鉻鐵接地極電解腐蝕具有顯著緩解作用。

2）采用精密電阻探針技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測來高硅鉻鐵在通電狀態(tài)下的腐蝕狀態(tài)，其測量結(jié)果與失重方法測量值具有較好的一致性，表明電阻探針能實(shí)時(shí)監(jiān)測接地極在通電狀態(tài)下的腐蝕速率和溶解量，這是常規(guī)電化學(xué)方法所無法實(shí)現(xiàn)的。

3）實(shí)現(xiàn)特高壓直流接地極的腐蝕與服役安全監(jiān)控，可以采用可靠性高、不受地電場影響的精密電阻探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)接地極的腐蝕量、腐蝕余量和腐蝕速率的在線監(jiān)測，用于評估強(qiáng)直流干擾對直流接地極腐蝕的影響，評價(jià)直流接地極的剩余服役壽命。