一種三電極接地網腐蝕速度測量儀的開發

摘 要：接地網在維持電力系統可靠穩定運行，及保護變電站工作人員的人身安全方面，都起著極其重要的作用。由于接地網被腐蝕斷裂，而引起的電力系統的事故經常發生，文章采用接地網電化學腐蝕檢測原理，針對以碳鋼為主材的接地網，開發了用于腐蝕速度的測量系統。本測量儀采用了三電極傳感器，和積分電壓檢測電路，基于階躍恒流源金屬電化學測試方法，有效地避免了發電廠、變電站等電力設備，以及土壤等測試環境對電化學測試響應信號的干擾。由實驗得出控制加載的階躍電流值在24-30uA左右時，就能保證極化電位處在線性范圍內，又減小了響應電位的誤差。

關鍵詞：接地網；腐蝕；電化學檢測；自腐蝕電位

引言

由于大的雜散電流的影響，使接地網的腐蝕防護不同于一般的地下金屬設備的腐蝕與防護，接地網多則10年，少則3-4年便發生損壞甚至斷裂，破壞電網系統穩定。目前主要利用接地引下線測量的方法，得到各段接地網金屬導體的電阻值，通過建立數學模型，以及電阻值的變化反應地網的腐蝕情況[1-2]。在實際工程中，常根據地區的土壤腐蝕率，經驗地估計接地網導體腐蝕程度，不能準確地判斷腐蝕程度和斷點[3]。文章利用相似性模型實驗，研制了三電極傳感器用于測量接地網的腐蝕狀態，及階躍型微安可變恒流激勵源和積分毫伏電壓采集電路，能測量包括自腐蝕電位、恒流源大小、極化電位等參數，基于擬合算法得出腐蝕速率大小。

1 接地網腐蝕狀態測量原理

文章開發的接地網腐蝕狀態檢測系統，是基于金屬陽極氧化原理，采用與被測接地網相同的碳鋼材料作為研究電極，以不銹鋼作為輔助電極，以飽和硫酸銅作為參考電極，組成三電極傳感器，采取相似性模擬實驗的方法，在實驗室即可初步獲得被測接地網的腐蝕狀況。電化學檢測系統還包括激勵與檢測電路和接地網土壤腐蝕電化學檢測軟件組成，系統組成如圖1所示。恒電流充電曲線測試方法簡單、快捷，因此適合接地網腐蝕狀態的現場檢測，基本原理是對腐蝕體系施加恒定階躍電流，記錄極化電位隨時間的變化曲線[4]，圖2為恒電流充電曲線，充電曲線方程式表示為：

式中：U是檢測輸出電壓值；RP表示極化電阻；Cd表示界面電容；R1表示介質電阻。工作電極的極化電阻和土壤電阻可以通過計算充電曲線的斜率獲得，并以極化電阻RP作為表征接地網腐蝕狀態的特征參數，通過比較極化電阻值的不同時間點的相對大小，可判斷被測地網的腐蝕的變化情況。

測量系統的檢測過程為，首先標定接地網金屬的自腐蝕電位，然后對接地網金屬施加依次增加的恒電流階躍信號，并實時采集響應信號即恒電流階躍電位。以響應的電位信號與自腐蝕電位的差值，和施加的恒電流，土壤的電阻等相關參數，即可求出陽極極化電阻RP和腐蝕電流密度Icorr，其中Icorr=B/RP，B=25mV為Stern-Geary 常數。接地網年腐蝕深度可以通過腐蝕電流Icorr與被測接地網金屬的電化學當量來計算獲得，假設三電極傳感器中的有效限流面積取，那么年腐蝕深度計算公式如下：

式中：D（m/y）代表年腐蝕深度；K為常數0.003 27；A表示金屬原子量；Icorr（mA/cm2）表示腐蝕電流密度；n表示失電子數；ρ（g/cm3）表示被測金屬的密度。

2 激勵與數據檢測模塊設計

本系統使用0-100uA階躍電流信號作為激勵源，使電極之間發生極化反應。激勵源使用REF200產生標準100uA電流鏡像源，由精密運算放大器OPA602對電流放大和縮小，階躍式電阻配比繼電器控制模塊用于控制OPA602運算放大器的放大或縮小倍數，如下圖3所示。

由于采集的極化電壓數據噪音較大，本系統采用ICL7135雙積分電壓數據采集模塊，來采集參比電極與研究電極之間的電位差，減小高頻噪聲，雙積分采集模塊電路圖如圖4所示。

3 實驗結果及討論

土壤腐蝕速率監測是基于電化學極化分析法，實驗使用了304型不銹鋼作為研究輔助電極，Q235型碳鋼作為研究電極，飽和硫酸銅溶液作為參比電極并以品字形分布的三電極土壤腐蝕速率檢測傳感器與相對應的采集裝置。實驗過程如下，先測量未加激勵情況下的土壤自腐蝕電位，然后分別在研究電極和輔助電極之間施加0-100uA的恒流源激勵信號，通過測量參比電極和研究電極之間的響應，并基于電化學理論計算出當前環境下土壤對膨脹節的腐蝕速率。

采集環境為土壤濕度為5%，測得土壤自腐蝕電位為590mV。階躍電流在24-51uA波形較為穩定，也就是土壤極化反應電位的線性區，在該區域能夠真實的反應土壤的腐蝕情況。當階躍電流大于51uA后，由其引起的極化電位就已超出線性區；而當階躍電流小于24uA時，經觀測極化反應電位的測量誤差比較大。在24-51uA范圍內取階躍電流36uA處可求得：

測量土壤電阻采用的方法是交流阻抗法，即在研究電極和輔助電極之間施加頻率為1000Hz，幅值為5V的正弦波信號，并經電流電壓變換后對交流信號進行整流轉換為與土壤電阻RS大小相對應的0V-4V的直流電壓信號，圖5為用高斯數據擬合理論建立的現場實驗中土壤電阻與電壓信號之間的數學模型。

由實驗可以得出在測量階躍恒電流曲線時，如果施加的階躍電流控制在24-51uA左右時，能保證極化電位處在線性區范圍，同時能減小響應電位的測量誤差。

4 結束語

接地網腐蝕檢測可以有效避免由土壤腐蝕斷裂而引起的電力系統的事故的發生，而恒電流充電曲線技術可以快速測量土壤對膨脹節的腐蝕速率。由該充電曲線解析得出極化電阻，通過分析階躍電流值對極化電阻的影響以及不同階躍電流下響應電位差值，研究了使極化在線性區內的階躍電流范圍。研究表明，施加的階躍電流值控制在24-30uA左右時，既保證了極化電位在線性區范圍內，又減小了響應電位的誤差。本系統結構體積小，使用操作便捷，容量大，檢測準確性好，實用性強，便于推廣使用。

參考文獻

[1]肖新華，劉華，陳先祿，等.接地網腐蝕和斷點的診斷理論分析[J].重慶大學學報，2001，24（3）：72-75.

[2]Zeng Rong，He Jinliang，Zou Jun，et al.Novel method of corrosion diagnosis for grounding grid[C].Conference Record of the IEEE 37th IAS Annual Meeting-Industry Applications Conference，Beijing，2002：1120-1126.

[3]吳向東.500kV輸電線路接地網腐蝕分析及防護措施[J].腐蝕與防護，2002，23（12）：545-547.

[4]宋詩哲.腐蝕電化學研究方法[M].北京：化學工業出版社，1988.