接地網在高鹽漬土壤環境下的腐蝕檢測仿真

廖鵬毅，常 湧，高嘉辰

(武漢大學電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

1 引言

變電站中的接地網對于輸電系統的安全運行來說是重要的保障設施[1-2]。接地網在工作的過程中，變電站接地網可以向大地內部輸送一些故障電流和雷擊電流，因此在日常的變電站輸電中，接地網起到一個保護和防雷的作用[3-4]。我國電網覆蓋率高，西部一些地區土壤具有高鹽漬的特點，土壤中的鹽含量占比能夠達到甚至超過1%，接地網長期處于這種高鹽漬土壤的環境中，非常容易造成腐蝕發生斷裂[5-6]。一旦出現這種情況，對于變電站來說存在非常大的安全隱患，嚴重情況下會造成生命財產損失。因此在日常的變電站運行和維護中，保證接地網在運行過程中不受到腐蝕或減弱其腐蝕效應[7]，是目前行業內研究的重點內容。

目前的接地網防腐蝕技術，一般采用犧牲陽極或是附加電流來保護作為陰極的接地網。很多學者與業內的研究人員也做了大量的研究，文獻[8]在動、靜兩種狀態下，利用合金和高強鋼在高鹽分的海水中模擬了腐蝕試驗，研究了兩種金屬材質的在發生電化學腐蝕過程中的電偶特性，并串聯了電阻進行仿真絕緣計算，發現了促進金屬腐蝕作用的機理，計算出了合適的絕緣電阻的大小來減弱腐蝕速度；文獻[9]中研究了不同狀態下的青銅在不同環境模擬液中的腐蝕情況。對于變電站接地網的腐蝕狀態檢測來說，想要檢測到真實的腐蝕情況就勢必要將接地網所在位置進行挖掘，對于眾多的變電站來說無法實現一一檢測。因此，本文針對變電站接地網在高鹽漬土壤中的電化學腐蝕狀態進行檢測仿真，以獲得接地網電化學腐蝕的特性，預測接地網的腐蝕程度，為接地網在日常工作中的防腐提供有效參考。

2 試驗方案設計

2.1 試驗材料和器材

高鹽漬土壤的材質一般為砂土，在試驗中采用純度為99%的標準砂作為試驗土壤[10-12]，選擇的電解槽尺寸為280mm×150mm×150mm，電化學工作站選擇的是型號為FH375的武漢科斯特工作站，并在其中粘貼可以導電的金屬片來測試高鹽漬土壤的電化學性質。選擇的高鹽漬土壤劃分根據含鹽量的多少劃分成為三個等級，相關的參數如表1所示。

表1 不同等級高鹽漬土壤的離子含量

將三個等級的高鹽漬土壤按照1：1：1的比例放置在保鮮袋中混合均勻靜置24h以上，得到混合均勻的高鹽漬土壤試樣。并將得到的土壤在高溫條件下烘干，經過研磨過篩，加入2.5倍重量的純凈水來配制高鹽漬土壤溶液。選擇的接地網材料為鍍鋅鋼，并將背面的銅導線引出之后利用密閉材料進行封裝，保留銅導線能夠接觸到的腐蝕面積約為1平方厘米，將暴露段依次經過#420、#950和#1650的規格打磨，并利用酒精或丙酮超聲波進行清潔，干燥后保證實驗溫度恒定在23-25℃。

2.2 電化學腐蝕原理

在電化學腐蝕的整體系統中，接地網中的金屬材料可以看作為電化學腐蝕中的電子導體，高鹽漬土壤則為離子導體。電化學腐蝕的過程中導體之間一定會發生電荷改變，此時導體就變成了電極系統。在每一個電極系統中都存在導體自身的絕對電位，此時電極處于平衡狀態；當平衡狀態被打破后，電位也會隨之發生改變，根據電位的升高或者降低，正電流的流向也會發生改變。當系統中的兩個電極之間處于接觸狀態，且平衡之后在系統中的電荷狀態保持穩定，那么兩個電極平衡電位可以記作Ee1和Ee2，此時構成的腐蝕電池如圖1所示。

圖1 腐蝕電池組成示意圖

這種腐蝕電池最大的特點就是能夠破壞金屬材料，但是卻無法對外界輸出有用功率，腐蝕反應的原因是電池內部短路。

根據以上腐蝕電池的結構可以推斷出，接地網發生了一系列的電化學腐蝕，主要是由于土壤中氫離子和稀疏的土壤中氧氣充當了能夠使接地網氧化腐蝕的催化劑，它們可以將接地網材料中的金屬元素都氧化形成金屬離子或與其有關的化合物。由于氧化劑物質的均勻平衡電位比普通接地網的材料要高，組成的抗腐蝕電池內部的電荷就會向陽極方向移動，金屬就不斷被腐蝕。

對于接地網材料來說，一般會使用鍍鋅鋼，長期在高鹽漬土壤中會生成Zn(OH)2和ZnO。選擇的鍍鋅鋼的試樣材料尺寸為φ23×2mm，形狀為片狀，陽極的腐蝕反應方程式為

Zn-2e-→Zn2+

Zn2++2OH-→Zn(OH)2

Zn(OH)2→ZnO+H2O

(1)

陰極的化學反應方程式為

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

2.3 實驗方法

在電化學工作站中分析阻抗譜以及衰減曲線與腐蝕狀態之間的關系，電化學阻抗譜能夠反映出腐蝕電池防護性能的變化，將阻抗譜的分析結果作為參數進行仿真，得到衰減曲線與腐蝕狀態之間的關系，以此來表征電容放電的過程，得到影響腐蝕程度的因素變化規律。接地網腐蝕的過程中會產生一些鐵銹等腐蝕之后的衍生物，此時的接地網材料腐蝕反應截面面積會變小，根據這些變化，得到的衰減曲線也會產生相應改變。因此可以在計算機中進行仿真，得到衰減曲線的仿真變化，從而來推測接地網的腐蝕程度，實現接地網腐蝕狀態的預測。實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置圖

在上圖2的實驗裝置中，組成腐蝕電池的兩個電極分別為鍍鋅鋼和鉑電極，其中的參比電極則為飽和甘汞電極，將上述三個電極放置在電解池中，測定阻抗譜以及衰減曲線與腐蝕狀態之間的關系。采用正交實驗對不同組的結果進行分析，為了保證實驗結果不會受到外界因素的影響，因此在正交實驗仿真中，按照表2所示的順序進行實驗，表2中還包含了正交實驗的實驗組信息。

表2 高鹽漬土壤正交實驗信息

在以上的實驗順序和環境下進行實驗，并對實驗結果進行分析和討論。

3 實驗結果

3.1 電化學阻抗譜特征

在經過實驗后，得到正交實驗組中9組實驗的高鹽漬土壤的電化學阻抗譜特征圖如圖3所示。

圖3 電化學阻抗譜特征

圖4 等效電路示意圖

圖4中等效電路中的圖(a)表示無阻抗存在時的等效擬合電路，W表示阻抗，則圖4(b)表示出現W阻抗時的等效電路。Rt電阻表示電荷轉移電阻，其值越大，說明電化學腐蝕的進程越慢，即不容易發生腐蝕。根據上述的等效電路，可以對電化學阻抗譜進行擬合分析，得到的等效電路表達式如下式

(3)

式中，Re表示孔隙液在腐蝕電池體系中的等效電阻，j表示土壤系數結構中的迂曲度大小，ω表示原件中的常相位角，Cs表示電極附近高鹽漬土壤中的電容。根據上式對圖3中的阻抗譜進行擬合分析，得到了接地網材料在不同電位下的電荷轉移電阻值，如圖5所示。

圖5 接地網材料不同電位下的電荷轉移電阻值

從上圖可以看出，在實驗中，電位達到-1100Mv時的Rt電荷轉移電阻最高，說明此時的接地網材料抗腐蝕性能最強。

3.2 衰減曲線與腐蝕程度關系

為了驗證衰減曲線與腐蝕程度之間的關系，就要在短時間內得到不同腐蝕程度下的，且具有明顯差異的衰減曲線。首先需要進行加速腐蝕實驗。在仿真過程中，衰減曲線的測量裝置示意圖如圖6所示。

圖6 衰減曲線檢測示意圖

衰減曲線的檢測可能會受到噪聲的影響，為了保證實驗結果的準確性，需要增加仿真周期并求取平均值，使得到的衰減曲線更加平滑，經過歸一化處理的部分周期衰減曲線如圖7所示。

圖7 經過歸一化處理的衰減曲線

根據對衰減曲線的分析可以看出，前1s時間內，第一周期的曲線衰減速度先增加后減小。經過對數據進行處理，得出衰減曲線斜率的絕對值會隨著腐蝕時間逐漸增大。取出衰減曲線中有區分的時間段進行線性擬合，得到曲線下降斜率的計算公式為

(4)

式中，lnU表示不同時間t下的電壓對數，從上式可以看出，以上三個參數之間呈現簡單的線性關系，因此可以求出衰減曲線斜率的變化。

表3 不同周期下斜率的變化

從上表的結果可以觀察到，隨著周期數的增加，斜率逐漸減小，此時接地網材料鍍鋅銅的腐蝕程度隨之加深。

通過計算機仿真實驗中對接地網材料進行加速腐蝕，可以節省實驗時間，在短時間內得到實驗接地網材料的腐蝕程度增加，且狀態之間的差別明顯，能夠在其中發現一些規律性的變化，得到相關的結論，在有效的實驗周期中得到的電壓對數隨著時間下降的斜率。發現了斜率的絕對值隨著時間的推移而變大，也就是能夠隨著接地網材料的腐蝕程度而發生變化。

4 結論

本文主要對接地網材料在高鹽漬土壤中腐蝕電化學檢測進行了仿真，得到的主要結論如下：

1)通過對電化學阻抗譜特征進行分析，得到了正交實驗組中9組測試在不同電位下的阻抗，配合等效電路求解出不同電位下的電荷轉移電阻值，電位為-1100 mV時，電荷轉移電阻達到了最大值，說明此時的接地材料鍍鋅鋼腐蝕反應的阻力最大，耐腐蝕性最好；

2)為了更好地實現對接地網中腐蝕狀態的預測與評價，對接地網中腐蝕材料的衰減曲線進行仿真，研究了其衰減曲線和接地網中腐蝕嚴重程度之間的相互關系。在進行仿真和實驗的同時也加速了腐蝕的進程，縮短了實驗時間。將實驗得到的電壓衰減曲線進行處理，得出電壓下降斜率的絕對值可能會隨著受到的接地網材料銹蝕程度的提高和加深而有所增大。

本文利用仿真實驗對高鹽漬土壤中接地網腐蝕電化學檢測進行了研究，并得到了相關的結論，為變電站接地網防腐手段提供了一定的理論依據。但是在實際的變電站接地網防腐蝕應用中，還會受到很多外界條件的影響，在仿真條件的設置中，還有很多需要改進之處，在今后的研究和實驗中，也是需要重點關注的問題。