電化學噪聲在接地網土壤腐蝕監控中的應用

陳建偉,錢洲亥,祝酈偉,沈曉明

(國網浙江省電力公司電力科學研究院,杭州 310014)

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電化學噪聲在接地網土壤腐蝕監控中的應用

陳建偉,錢洲亥,祝酈偉,沈曉明

(國網浙江省電力公司電力科學研究院,杭州 310014)

采用電化學噪聲測試技術對變電站接地網土壤腐蝕狀況進行實時在線監測。結果表明:接地網環境發生改變時，對土壤腐蝕特性有較大影響，接地網腐蝕狀態變化較大。電化學噪聲監測系統對土壤腐蝕環境的變化反應靈敏，能夠進行實時準確的監控預警，可用于變電站基建勘察以及運行維護階段的腐蝕監控。

電化學噪聲;接地網;土壤腐蝕;監控

變電站接地網是電力系統安全可靠運行、保障電氣設備、人身安全的重要設施。由于接地網材料以碳鋼及鍍鋅扁鋼為主，此類接地裝置長期埋在地下，運行環境惡劣，容易發生土壤腐蝕，導致設備事故，甚至會造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。變電站建成后，接地網的腐蝕檢查維護基本靠經驗，以定期挖掘察看為主，這種維護方式不但盲目性大，而且費時費力，會大幅增加變電站的運行成本[1-3]。

近年來，腐蝕電化學理論的發展及相關高精度儀器設備的推出，為快速而準確測定接地網在土壤中的腐蝕特性奠定良好的基礎。李謀成等[4-5]利用弱極化曲線技術和電化學阻抗譜技術研究了土壤中鋼鐵材料的腐蝕行為，分析了濕度對腐蝕狀況的影響。寄玉玉等[5]對土壤介質中金屬腐蝕的電化學測量方法進行了研究，使用極化阻力技術測量了碳鋼在土壤介質中的腐蝕速率。滕永禧等[6]根據電路原理和故障診斷原理，利用實際接地網的拓撲結構和接地引線間電阻的測量數據，應用特勒根定理建立接地網的腐蝕診斷方程，進而判斷接地網的腐蝕程度。從國內外現有文獻來看，接地網的電化學腐蝕測量方法大多數停留在理論分析和實驗室模擬階段，真正用于實際的工程測量系統并不多見。所以，電力系統迫切需要研究一種不影響系統正常運行的檢測方法和技術，實現變電站接地網腐蝕狀態的免開挖檢查。電化學噪聲(EN)測試技術作為一種原位、無損的金屬腐蝕檢測方法，無需對被測量體系施加信號，就能監測低電導環境的腐蝕，同時它對儀器要求不高，能夠實現遠距離監測，可以作為研究金屬材料局部腐蝕、應力腐蝕熱力學與動力學行為的重要方法[7-9]。

本工作采用電化學噪聲測試儀器對杭州某變電站土壤進行腐蝕特性監測。根據所測定的實時腐蝕數據，結合電極的腐蝕形貌，判斷腐蝕趨勢，對腐蝕狀況進行綜合評價，為變電站安全運行提供技術支持。

1　試驗

測試儀器采用進口CAPCIS Concerto MK2 CIS4K-1電化學噪聲綜合測試儀,包括主機、數據變送器、電極(因為測試環境所限，常規參比電極容易損壞，適應性較差，所以本儀器采用參比電極、工作電極、輔助電極組成的柱狀三電極體系，材料均為20號碳鋼，堅固耐用，且能定期更換。如果電極發生腐蝕，測試數據均往同一方向變化，不會因電極不穩定給測試結果帶來顯著影響)。儀器無需對測試對象施加信號，在開路電位條件下測得電化學噪聲數據，便于判斷土壤腐蝕機理。該套測試系統同時具有線性極化阻力(LPR)測試功能，能定期測出土壤環境腐蝕速率。試驗采用路格L99-TWS-1型溫濕度計監測土壤溫濕度。

試驗地點選取杭州某變電站的接地網附近位置，挖開約20 cm×20 cm×80 cm的坑洞，將電極深入土壤80 cm，并用土回填，壓實?，F場安裝情況見圖1。

圖1　電化學噪聲腐蝕監測系統現場測試圖Fig. 1　Electrochemical noise monitoring system in the substation

電極埋設22 d后取回，觀察腐蝕形貌。同時利用電化學噪聲軟件對所采集的數據進行分析[10-11]。

2　結果與討論

2.1電極形貌

試驗后期變電站出現雨水天氣，現場土壤比較潮濕，這對土壤腐蝕特性會有一定影響，但不會影響電化學噪聲腐蝕監測系統正常運行。試驗結束后，取出電極觀察，發現電極表面，大部分被腐蝕產物覆蓋。仔細觀察電極，可以發現腐蝕產物分為兩層(如圖2所示)：表面黃褐色腐蝕產物比較疏松，用自來水沖洗就能將其除去；貼近金屬基體的內層黑色腐蝕產物附著力較強，用自來水洗較難去除，須經過多次物理刷洗，再經除銹液(500 mL鹽酸+500 mL蒸餾水+20 g六次甲基四胺溶液)浸泡后才能徹底將腐蝕產物清除干凈。

(a)　試驗前 (b)　試驗后圖2　試驗前后電極形貌Fig. 2　Electrode morphology before (a) and after (b) the experiment

2.2土壤溫濕度

圖3為試驗期間土壤的溫濕度，因為電極位于地下80 cm處，試驗前、中期土壤溫濕度變化不大。受氣溫影響，測試點附近晝夜溫差在17～22 ℃，濕度相對穩定，均在25%左右。

圖3　試驗期間土壤溫濕度變化曲線Fig. 3　The variation of soil temperature and moisture during the experiment

試驗后期，變電站出現連續雨水天氣，測試點附近濕度劇增，從25%躍升到53%，溫度也緩慢下降，最終降至約15 ℃。溫濕度的變化對土壤的腐蝕性將產生較大的影響。

2.3腐蝕速率

圖4為電化學噪聲測試系統所測得變電站土壤的腐蝕速率?？梢钥闯?瞬時腐蝕速率總體呈波浪形緩慢下降并逐漸趨于穩定的趨勢。試驗最初30 h，瞬時腐蝕速率較大，為0.08～0.12 mm/a，主要原因是因為電極為新鮮表面，容易產生腐蝕，腐蝕速率較大。試驗前中期(40～350 h)，瞬時腐蝕速率為0.06～0.08 mm/a，呈波浪形緩慢下降趨勢。經分析，腐蝕速率與溫度具有相似變化趨勢，出現波動與晝夜溫度變化有關，腐蝕速率有緩慢下降趨勢說明電極表面有腐蝕產物生成，抑制了腐蝕的進行。試驗后期(350～400 h)腐蝕速率突然出現急劇上升，一度達到0.1 mm/a，這是因為變電站出現連續降雨，導致土壤含水量迅速增加，電極充分處于電解質環境中，從而造成瞬時腐蝕速率快速上升，且瞬時腐蝕速率相對較大。

試驗末期(450～520 h),由于溫度降低與濕度增大的綜合作用，瞬時腐蝕速率趨于穩定，維持在0.055 mm/a左右。

2.4電位/電流(E/I)噪聲圖及分析

由圖5可見,在試驗前、中期,電位波動幅度不大，但是具有明顯的下降趨勢，電流峰波動頻率與幅度均比較大，呈緩慢下降趨勢。這種現象一方面可能與腐蝕初期工作電極表面狀態的劇烈變化以及工作電極狀態的差異性有關，另一方面也與前期腐蝕速率變化較大有關。一般認為，土壤中的氯離子會不斷侵蝕碳鋼電極表面新生成的鐵氧化物鈍化膜，電流峰的迅速上升和下降與電極表面形成的鐵氧化物鈍化膜的破裂/修復(即亞穩態蝕點的生長與消失)有關[12]。在試驗后期，由于外界環境發生改變，對電極表面腐蝕形態產生較大的影響，電位與電流突然迅速上升，這與腐蝕速率突然增大的趨勢是一致的。試驗末期隨著環境條件趨于穩定，工作電極表面狀態也趨于溫和，電位與電流呈現平緩下降的趨勢。

圖5　試驗土壤電位-電流的電化學噪聲圖譜Fig. 5Electrochemical noise spectrums of voltage-current during experiment

2.5點蝕指數(Pitting)和表面不穩定指數(Instability)噪聲圖

圖6為電化學噪聲測試系統所測得的試驗土壤點蝕指數(Pitting)和表面不穩定指數(Instability)噪聲圖。這兩種指數是根據系統測得的電壓、電流的噪聲數據經過傅里葉變換，從而直觀反應出測試對象的腐蝕狀態及腐蝕概率，并將其量化。從圖6中可以看出,點蝕指數和表面不穩定指數在試驗初期均達到20%以上，對比測試系統的運行參數，顯示腐蝕比較劇烈，并且波動幅度較大，說明電極表面非常不穩定，點蝕概率非常大，這與試驗初期電位電流的噪聲的波動趨勢是一致的。這種現象一方面可能因為腐蝕早期工作電極為新鮮表面，另一方面與電極表面發生劇烈的鐵氧化物鈍化膜的破裂/修復(即亞穩態蝕點的生長與消失)過程有關。試驗后期，由于雨水浸潤，電極表面發生較大變化，點蝕指數及表面不穩定指數處于30%～70%的高位之間，表面不穩定指數曾一度達到90%，電極表面相當活潑，腐蝕反應比較劇烈，這與腐蝕速率的趨勢是一致的。試驗末期，波動幅度逐漸變小，趨于平穩，點蝕指數和表面不穩定指數均恢復到20%以下，說明電極表面鈍化膜的破裂/修復過程達到平衡，腐蝕狀態趨于穩定。

圖6　試驗土壤點蝕/表面不穩定指數噪聲圖Fig. 6　Pitting index and instability index electrochemical noise spectrum during experiment

2.6電化學噪聲測試系統在接地網實時在線監測中的應用

電化學噪聲監控系統能夠對存在嚴重局部腐蝕和均勻腐蝕風險的接地網設備進行實時在線監測，并且可以進入DCS系統，使其像溫度、壓力等常規參數一樣被變電站運行維護人員使用。試驗開始前根據運行經驗設置E、I、Pitting和Instability等腐蝕指數報警臨界值。試驗前、中期，因為電極為新鮮表面，表面反應比較活躍，點蝕指數及表面不穩定指數比較高，所以容易產生腐蝕，腐蝕速率較大。試驗后期，由于外界環境變化導致設備腐蝕狀態突然變化時，系統就能夠發出警示，同時將存儲所有報警階段的原始電化學噪聲數據。變電站運行維護人員能夠及時分析濕度、溫度、土壤環境、雜散電流、運行工況的變化導致設備腐蝕狀態的改變，并采取相應措施。這樣便可將輸變電設備腐蝕全面管理和日常操作管理結合在一起，從而減少腐蝕損失和由于腐蝕導致的停運事故。

3　結論

(1) 杭州某變電站土壤腐蝕速率較低，約為0.055 mm/a，腐蝕比較輕微。

(2) 電化學噪聲監測系統所處土壤環境發生改變時，對土壤腐蝕特性有較大影響，接地網腐蝕狀態變化較大。

(3) 電化學噪聲監測系統反應靈敏，能夠實現實時監控，數據準確可靠，可用于變電站基建勘察以及運行維護階段的腐蝕監控。

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Application of Electrochemical Noise to Soil Corrosion Monitoring of Grounding Grid

CHEN Jian-wei, QIAN Zhou-hai, ZHU Li-wei, SHEN Xiao-ming

(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

The substation grounding grid corrosion status was in real-time and online monitored using electrochemical noise technology. The results show that the change of grounding grid environment had a great effect on soil corrosion characteristics and led to great changes of the grounding grid corrosion. Electrochemical noise monitoring system is sensitive to the changes of environment and may implement real-time accurate monitoring and warning, and thus it can be used for corrosion monitoring in the stages of substation construction survey and operation.

electrochemical noise; grounding grid; soil corrosion; monitoring

10.11973/fsyfh-201605005

2015-03-04

國家電網公司科技資助項目(ZDK/GW001-2012); 浙江省電力公司科技項目(5211DS1350JP)

陳建偉(1984-),工程師,從事輸變電設備腐蝕與防護技術研究,0571-51211540,346781096@qq.com

TG174

A

1005-748X(2016)05-0371-04