接地網(wǎng)腐蝕的電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

劉志峰 廖建平 徐永燁 高 帆 陳宇飛 咼 鍇

（超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663）

0 引言

接地網(wǎng)是保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、電氣設(shè)備與人身安全的重要設(shè)施[1-3]，但接地網(wǎng)在土壤環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重時(shí)的腐蝕速率可達(dá)到8mm/a，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。由于土壤介質(zhì)的多相性、不均勻性等特點(diǎn)，以及土壤中微生物的存在，導(dǎo)致接地網(wǎng)腐蝕研究異常復(fù)雜。目前，現(xiàn)場(chǎng)一般通過(guò)測(cè)量接地電阻與開(kāi)挖檢查相結(jié)合的方式來(lái)評(píng)估接地網(wǎng)的腐蝕情況，這種方法效率低、速度慢[5,6]，部分學(xué)者基于電磁感應(yīng)、電網(wǎng)絡(luò)等電學(xué)理論開(kāi)發(fā)了些接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)，但因?yàn)殡姶怒h(huán)境不好控制、地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖不好構(gòu)建等原因均被限制了發(fā)展。

接地網(wǎng)在土壤介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕情況是不可避免，其腐蝕狀態(tài)可以用電化學(xué)特征參數(shù)來(lái)表現(xiàn)[4,7]。電化學(xué)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬腐蝕的原位、無(wú)損、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程，能發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域段，在事故發(fā)生前，對(duì)電化學(xué)的特征參數(shù)進(jìn)行分析后，能預(yù)測(cè)未遂事故的發(fā)生[8-11]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐步發(fā)展，老舊變電站數(shù)量越來(lái)越多，接地網(wǎng)腐蝕將逐漸暴露出來(lái)，同時(shí)，伴隨著新型電力系統(tǒng)的深入研究與建設(shè)，電網(wǎng)數(shù)字化勢(shì)不可擋，因此，對(duì)傳統(tǒng)接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展智能化、數(shù)字化方面的研究大有必要。

1 接地網(wǎng)腐蝕機(jī)理

土壤是一個(gè)由氣、液、固三相物質(zhì)構(gòu)成的多介質(zhì)膠體，顆粒間充滿(mǎn)空氣、水分和各種鹽類(lèi)等物質(zhì)，同時(shí)還存在若干土壤微生物和雜散電流，因此，接地網(wǎng)腐蝕一般分為電化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流腐蝕三類(lèi)[12]。

1.1 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是指由于土壤的組成、結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)都不均一，各區(qū)域接地材料的電極電位存在差異，進(jìn)而形成了腐蝕原電池結(jié)構(gòu)而發(fā)生腐蝕的一種腐蝕形式[13-15]，這是接地網(wǎng)腐蝕的主要形式，又可細(xì)分為宏電池腐蝕和微電池腐蝕兩種。宏電池腐蝕指的是不同區(qū)域接地材料電位差引發(fā)的電化學(xué)腐蝕形式，如由土壤含鹽量不同造成的鹽濃差宏電池腐蝕，氧濃度差造成的氧濃差宏電池腐蝕[16]等。此外，當(dāng)電偶序不同的金屬[17]焊接在一起并埋于同一土壤層時(shí)，雖然所處電解質(zhì)環(huán)境相同，同樣會(huì)導(dǎo)致宏電池腐蝕，最常見(jiàn)于新舊接地網(wǎng)改造工程，這是因?yàn)樾陆拥夭牧媳砻嫱ǔ?huì)有鍍鋅工藝。微電池腐蝕是指同一區(qū)域金屬表面形態(tài)不均勻而產(chǎn)生的一種腐蝕形式，也較為普遍。一般來(lái)說(shuō)，接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕是宏電池和微電池共同作用的結(jié)果，其腐蝕機(jī)理如下：

在酸性土壤中：

中堿性土壤中：

氫氧化亞鐵可進(jìn)一步氧化：

1.2 微生物腐蝕

微生物腐蝕[13]是指土壤中微生物間接參與腐蝕過(guò)程的一種腐蝕形式。微生物本身對(duì)接地網(wǎng)腐蝕無(wú)影響，但其代謝產(chǎn)物（如有機(jī)酸）卻含有很強(qiáng)的侵蝕性，通常來(lái)說(shuō)，其多發(fā)生在沼澤地帶和有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域中，以SRB為例，其參與的腐蝕過(guò)程表現(xiàn)如下：

1.3 雜散電流腐蝕

雜散電流是指因土壤中雜亂無(wú)章電流而發(fā)生腐蝕的一種腐蝕形式。以換流站為例，換流站通常分為直流側(cè)和交流側(cè)，不同側(cè)設(shè)備的入地電流性質(zhì)可能存在差異，因而，雜散電流又分為直流雜散電流和交流雜散電流兩類(lèi)，主要來(lái)源于直流電接地極、地下電纜、有軌電車(chē)等。雜散電流加速接地網(wǎng)腐蝕過(guò)程，其中電流流入端發(fā)生陰極保護(hù)作用，而電流流出端遭受更為劇烈的陽(yáng)極腐蝕。交流電流的腐蝕機(jī)理比直流電流復(fù)雜，但一般認(rèn)為在同樣的電流條件下，交流腐蝕要比直流腐蝕小得多[18]。

2 電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電化學(xué)腐蝕是接地網(wǎng)腐蝕的主要形式，因此對(duì)接地網(wǎng)腐蝕進(jìn)行電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)是切實(shí)可行的。電化學(xué)測(cè)試技術(shù)是一種原位測(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)工作電極表面狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，可獲得金屬的瞬時(shí)腐蝕信息，是一種高還原度、高效、高靈敏度的測(cè)量技術(shù)[19-21]。目前，運(yùn)用于接地網(wǎng)腐蝕上的電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有線性極化技術(shù)、充電曲線技術(shù)、交流阻抗技術(shù)等。

2.1 線性極化技術(shù)

線性極化技術(shù)是一種常用的電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，指的是當(dāng)對(duì)測(cè)試體系施加微小擾動(dòng)后，腐蝕電位附近區(qū)域的極化電流和電位會(huì)呈現(xiàn)線性關(guān)系的現(xiàn)象，極化曲線的斜率能間接反映金屬的腐蝕速率。寄玉玉等[22]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于線性極化技術(shù)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測(cè)裝置，主要由Cu/CuSO4電極、石墨電極、碳鋼電極和CMB-2510A腐蝕速度測(cè)量?jī)x組成，同時(shí)自制簡(jiǎn)易限流探頭控制限流面積，具備較好的實(shí)踐效果。

2.2 充電曲線技術(shù)

充電曲線技術(shù)是一種暫態(tài)測(cè)試技術(shù)，主要分為恒電流充電曲線技術(shù)和恒電位充電曲線技術(shù)，研究[23]表明：在土壤電阻較高或者現(xiàn)場(chǎng)干擾較小的情況下適合用恒電流充電曲線技術(shù)，而在土壤電阻較低或者現(xiàn)場(chǎng)干擾較大的情況下更適合用恒電位充電曲線技術(shù)。

2.2.1 恒電流充電曲線技術(shù)

恒電流充電曲線法[24]操作簡(jiǎn)單快捷，指的是當(dāng)對(duì)測(cè)試體系施加恒電流階躍擾動(dòng)后，通過(guò)采集相應(yīng)的電位響應(yīng)信號(hào)，濾波處理獲取恒電流充電曲線，解析曲線得到極化電阻來(lái)判斷接地網(wǎng)的腐蝕情況。韓磊[25]基于恒電流充電曲線技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了成套的便攜式電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用小孔限流型探頭限流，并開(kāi)發(fā)了恒電流階躍測(cè)試相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，通過(guò)小波變換濾波和L-M擬合充電曲線，能迅速得到極化阻力等電化學(xué)參數(shù)，系統(tǒng)在盤(pán)山發(fā)電廠變電站，安定500kV變電站和高井熱電廠升壓站應(yīng)用，效果令人滿(mǎn)意。

2.2.2 恒電位充電曲線技術(shù)

恒電位充電曲線技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，指的是通過(guò)控制電位恒定的方式采集極化電流信號(hào)的過(guò)程，曲線解析后能快速獲得腐蝕信息，進(jìn)而對(duì)接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。王鑫[23]基于恒電位階躍法得到恒電位充電曲線，結(jié)合Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接地網(wǎng)不同腐蝕狀態(tài)進(jìn)行判斷，測(cè)評(píng)效果良好，試驗(yàn)表明恒電位充電曲線技術(shù)是一種可靠的腐蝕評(píng)估手段。

2.3 交流阻抗技術(shù)

交流阻抗技術(shù)[26]是一種交流信號(hào)測(cè)量技術(shù)，評(píng)估的是測(cè)試體系對(duì)于小幅度交流信號(hào)擾動(dòng)的反應(yīng)情況，通過(guò)交流阻抗譜圖的解析，能獲取與電極表面狀態(tài)相關(guān)的電化學(xué)參數(shù)。郝晉堂等[27]研究開(kāi)發(fā)了一套變電站接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括一套嵌入三電極體系的腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器，與功率放大器、電流約束電路和主極化電路相配合，具備極強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)試結(jié)果令人滿(mǎn)意。

2.4 恒電量技術(shù)

恒電量技術(shù)[28,29]是一種暫態(tài)測(cè)量技術(shù)，測(cè)試的是電位衰減變化過(guò)程，評(píng)估了體系在恒電量激勵(lì)下的張弛，通過(guò)建立恒電量微擾模型分析獲得電化學(xué)參數(shù)，以測(cè)定金屬的腐蝕速率。黃小瓊[13]基于恒電量技術(shù)，提出利用極化衰減曲線的擬合參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)的方法，并通過(guò)擬合得出的極化參數(shù)、衰減時(shí)間常數(shù)和平衡常數(shù)三個(gè)參量，有效的評(píng)估了接地網(wǎng)表面的腐蝕狀態(tài)。

2.5 電化學(xué)噪聲技術(shù)

電化學(xué)噪聲技術(shù)[30]是一種原位檢測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)的是測(cè)試體系內(nèi)電化學(xué)參量隨機(jī)非平衡波動(dòng)的過(guò)程，電化學(xué)噪聲又分為電位噪聲和電流噪聲，通過(guò)對(duì)噪音譜的解析能有效模擬腐蝕過(guò)程。陳偉健等[31]選用了一套電化學(xué)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用電位/電流（E/I）噪聲圖、點(diǎn)蝕指數(shù)、表面不穩(wěn)定指數(shù)噪聲圖來(lái)評(píng)估變電站接地網(wǎng)土壤腐蝕狀況，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)土壤腐蝕環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏，根據(jù)所測(cè)定的實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合電極的形貌分析結(jié)果來(lái)判斷腐蝕趨勢(shì)，為變電站的安全運(yùn)行提供了有力支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，基于電化學(xué)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多套接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)，且有成功運(yùn)用到工程上的案例，限流電化學(xué)傳感器、濾波元件等元件的研發(fā)讓電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有了更為廣闊的發(fā)展前景，但仍然沒(méi)有一項(xiàng)電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)被納入接地網(wǎng)腐蝕診斷的技術(shù)導(dǎo)則，主要是因?yàn)閺?fù)雜的環(huán)境容易導(dǎo)致電化學(xué)響應(yīng)及特征參數(shù)的波動(dòng)，因此，還需一定程度的基礎(chǔ)研究工作來(lái)支撐，為電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供依據(jù)。

總之，電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在接地網(wǎng)金屬腐蝕監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有重要意義，在大力發(fā)展新型電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的背景下，電化學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在接地網(wǎng)金屬腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中將可能煥發(fā)新的生命力，未來(lái)有望建立以電化學(xué)測(cè)量技術(shù)為主的新的評(píng)估體系，以保障接地網(wǎng)的安全穩(wěn)定。