接地網(wǎng)腐蝕的電化學在線監(jiān)測技術

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)安全可靠運行、電氣設備與人身安全的重要設施[1-3]，但接地網(wǎng)在土壤環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，嚴重時的腐蝕速率可達到8mm/a，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[4]。由于土壤介質的多相性、不均勻性等特點，以及土壤中微生物的存在，導致接地網(wǎng)腐蝕研究異常復雜。目前，現(xiàn)場一般通過測量接地電阻與開挖檢查相結合的方式來評估接地網(wǎng)的腐蝕情況，這種方法效率低、速度慢[5,6]，部分學者基于電磁感應、電網(wǎng)絡等電學理論開發(fā)了些接地網(wǎng)腐蝕診斷技術，但因為電磁環(huán)境不好控制、地網(wǎng)拓撲結構圖不好構建等原因均被限制了發(fā)展。

接地網(wǎng)在土壤介質中的電化學腐蝕情況是不可避免，其腐蝕狀態(tài)可以用電化學特征參數(shù)來表現(xiàn)[4,7]。電化學測量技術可實現(xiàn)對金屬腐蝕的原位、無損、實時監(jiān)測的過程，能發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)嚴重腐蝕的區(qū)域段，在事故發(fā)生前，對電化學的特征參數(shù)進行分析后，能預測未遂事故的發(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)量越來越多，接地網(wǎng)腐蝕將逐漸暴露出來，同時，伴隨著新型電力系統(tǒng)的深入研究與建設，電網(wǎng)數(shù)字化勢不可擋，因此，對傳統(tǒng)接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測技術開展智能化、數(shù)字化方面的研究大有必要。

1 接地網(wǎng)腐蝕機理

土壤是一個由氣、液、固三相物質構成的多介質膠體，顆粒間充滿空氣、水分和各種鹽類等物質，同時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腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流腐蝕三類[12]。

1.1 電化學腐蝕

電化學腐蝕是指由于土壤的組成、結構及其性質都不均一，各區(qū)域接地材料的電極電位存在差異，進而形成了腐蝕原電池結構而發(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，當電偶序不同的金屬[17]焊接在一起并埋于同一土壤層時，雖然所處電解質環(huán)境相同，同樣會導致宏電池腐蝕，最常見于新舊接地網(wǎng)改造工程，這是因為新接地材料表面通常會有鍍鋅工藝。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。一般來說，接地網(wǎng)電化學腐蝕是宏電池和微電池共同作用的結果，其腐蝕機理如下：

在酸性土壤中：

中堿性土壤中：

氫氧化亞鐵可進一步氧化：

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程的一種腐蝕形式。微生物本身對接地網(wǎng)腐蝕無影響，但其代謝產(chǎn)物（如有機酸）卻含有很強的侵蝕性，通常來說，其多發(fā)生在沼澤地帶和有機質含量較高的區(qū)域中，以SRB為例，其參與的腐蝕過程表現(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和交流側，不同側設備的入地電流性質可能存在差異，因而，雜散電流又分為直流雜散電流和交流雜散電流兩類，主要來源于直流電接地極、地下電纜、有軌電車等。雜散電流加速接地網(wǎng)腐蝕過程，其中電流流入端發(fā)生陰極保護作用，而電流流出端遭受更為劇烈的陽極腐蝕。交流電流的腐蝕機理比直流電流復雜，但一般認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 電化學在線監(jiān)測技術的應用現(xiàn)狀

電化學腐蝕是接地網(wǎng)腐蝕的主要形式，因此對接地網(wǎng)腐蝕進行電化學在線監(jiān)測是切實可行的。電化學測試技術是一種原位測量技術，通過對工作電極表面狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，可獲得金屬的瞬時腐蝕信息，是一種高還原度、高效、高靈敏度的測量技術[19-21]。目前，運用于接地網(wǎng)腐蝕上的電化學在線監(jiān)測技術主要有線性極化技術、充電曲線技術、交流阻抗技術等。

2.1 線性極化技術

線性極化技術是一種常用的電化學測試技術，指的是當對測試體系施加微小擾動后，腐蝕電位附近區(qū)域的極化電流和電位會呈現(xiàn)線性關系的現(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]設計開發(fā)了一套基于線性極化技術的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測裝置，主要由Cu/CuSO4電極、石墨電極、碳鋼電極和CMB-2510A腐蝕速度測量儀組成，同時自制簡易限流探頭控制限流面積，具備較好的實踐效果。

2.2 充電曲線技術

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

2.2.1 恒電流充電曲線技術

恒電流充電曲線法[24]操作簡單快捷，指的是當對測試體系施加恒電流階躍擾動后，通過采集相應的電位響應信號，濾波處理獲取恒電流充電曲線，解析曲線得到極化電阻來判斷接地網(wǎng)的腐蝕情況。韓磊[25]基于恒電流充電曲線技術研究開發(fā)了成套的便攜式電化學檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用小孔限流型探頭限流，并開發(fā)了恒電流階躍測試相應的數(shù)據(jù)處理程序，通過小波變換濾波和L-M擬合充電曲線，能迅速得到極化阻力等電化學參數(shù)，系統(tǒng)在盤山發(fā)電廠變電站，安定500kV變電站和高井熱電廠升壓站應用，效果令人滿意。

2.2.2 恒電位充電曲線技術

恒電位充電曲線技術抗干擾能力強，指的是通過控制電位恒定的方式采集極化電流信號的過程，曲線解析后能快速獲得腐蝕信息，進而對接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)進行有效評估。王鑫[23]基于恒電位階躍法得到恒電位充電曲線，結合Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡對接地網(wǎng)不同腐蝕狀態(tài)進行判斷，測評效果良好，試驗表明恒電位充電曲線技術是一種可靠的腐蝕評估手段。

2.3 交流阻抗技術

交流阻抗技術[26]是一種交流信號測量技術，評估的是測試體系對于小幅度交流信號擾動的反應情況，通過交流阻抗譜圖的解析，能獲取與電極表面狀態(tài)相關的電化學參數(shù)。郝晉堂等[27]研究開發(fā)了一套變電站接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括一套嵌入三電極體系的腐蝕監(jiān)測傳感器，與功率放大器、電流約束電路和主極化電路相配合，具備極強的抗干擾能力，測試結果令人滿意。

2.4 恒電量技術

恒電量技術[28,29]是一種暫態(tài)測量技術，測試的是電位衰減變化過程，評估了體系在恒電量激勵下的張弛，通過建立恒電量微擾模型分析獲得電化學參數(shù)，以測定金屬的腐蝕速率。黃小瓊[13]基于恒電量技術，提出利用極化衰減曲線的擬合參數(shù)來評價地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)的方法，并通過擬合得出的極化參數(shù)、衰減時間常數(shù)和平衡常數(shù)三個參量，有效的評估了接地網(wǎng)表面的腐蝕狀態(tài)。

2.5 電化學噪聲技術

電化學噪聲技術[30]是一種原位檢測技術，監(jiān)測的是測試體系內電化學參量隨機非平衡波動的過程，電化學噪聲又分為電位噪聲和電流噪聲，通過對噪音譜的解析能有效模擬腐蝕過程。陳偉健等[31]選用了一套電化學噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，利用電位/電流（E/I）噪聲圖、點蝕指數(shù)、表面不穩(wěn)定指數(shù)噪聲圖來評估變電站接地網(wǎng)土壤腐蝕狀況，發(fā)現(xiàn)電化學噪聲監(jiān)測系統(tǒng)對土壤腐蝕環(huán)境的變化反應靈敏，根據(jù)所測定的實時腐蝕數(shù)據(jù)，結合電極的形貌分析結果來判斷腐蝕趨勢，為變電站的安全運行提供了有力支撐。

3 結語

目前，基于電化學測量技術已經(jīng)開發(fā)了多套接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，且有成功運用到工程上的案例，限流電化學傳感器、濾波元件等元件的研發(fā)讓電化學在線監(jiān)測技術在接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測領域有了更為廣闊的發(fā)展前景，但仍然沒有一項電化學在線監(jiān)測技術被納入接地網(wǎng)腐蝕診斷的技術導則，主要是因為復雜的環(huán)境容易導致電化學響應及特征參數(shù)的波動，因此，還需一定程度的基礎研究工作來支撐，為電化學在線監(jiān)測技術的大規(guī)模現(xiàn)場應用提供依據(jù)。

總之，電化學在線監(jiān)測技術在接地網(wǎng)金屬腐蝕監(jiān)測應用中具有重要意義，在大力發(fā)展新型電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的背景下，電化學在線監(jiān)測技術在接地網(wǎng)金屬腐蝕監(jiān)測領域中將可能煥發(fā)新的生命力，未來有望建立以電化學測量技術為主的新的評估體系，以保障接地網(wǎng)的安全穩(wěn)定。