接地裝置是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。我國普遍采用的接地網(wǎng)材料為碳鋼、鍍鋅鋼等，這些材料在土壤環(huán)境中很容易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致電力安全事故的發(fā)生，進而威脅人身安全，給電力系統(tǒng)的安全運行造成威脅。

目前，我國對接地網(wǎng)電氣連接故障點及腐蝕診斷還沒有形成系統(tǒng)、完備的方法，一般采用開挖檢測的方法進行，這往往造成人力物力的無效耗費。如何延長接地網(wǎng)的使用壽命、確保其安全性，已成為電力部門急待解決的難題。

近年來，為延長接地網(wǎng)的使用壽命和確保其安全性，研究人員對接地網(wǎng)開展了很多工作。一方面，從改善接地材料的耐腐蝕性能出發(fā)，采用了鋅包鋼、銅包鋼、不銹鋼覆層鋼、鋁鎂合金覆層鋼等新型的耐蝕性接地材料；另一方面，研究接地網(wǎng)材料的腐蝕行為與機理，建立接地材料腐蝕評估與預(yù)測方法，以指導(dǎo)實際現(xiàn)場接地網(wǎng)的選材。雖然這些措施有利于延長接地材料的使用壽命，對電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)具有重要意義。然而，在實際接地系統(tǒng)應(yīng)用中，我國不同區(qū)域土壤介質(zhì)與環(huán)境條件差異較大，且目前我國對于不同接地材料（特別是新型接地材料）的腐蝕數(shù)據(jù)積累并不充分，因此僅僅靠上述措施仍然無法完全解決延長接地網(wǎng)的使用壽命和確保電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的問題。

通過現(xiàn)場原位腐蝕監(jiān)測可以得到接地網(wǎng)材料在服役環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)比實驗室模擬試驗和加速腐蝕試驗得到的數(shù)據(jù)更接近于實際情況。因此，現(xiàn)場原位腐蝕監(jiān)測對于不同接地材料在不同介質(zhì)環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)積累具有重要意義。

傳統(tǒng)電化學腐蝕監(jiān)測技術(shù)如線性極化法、恒電流階躍法和電化學阻抗法等是通過現(xiàn)場埋設(shè)與接地網(wǎng)相同材料的電極進行測量，得到接地網(wǎng)材料的腐蝕數(shù)據(jù)。但這些方法得到的不是實際埋設(shè)接地網(wǎng)金屬的腐蝕數(shù)據(jù)。近年來，應(yīng)用于混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域的護環(huán)電極方法開始被用于接地網(wǎng)金屬的腐蝕監(jiān)測。

護環(huán)電極腐蝕監(jiān)測技術(shù)以現(xiàn)場接地網(wǎng)金屬為工作電極，通過添加一個輔助電極及護環(huán)電極將中心輔助電極的電力線限制在預(yù)定接地金屬表面積內(nèi)，從而解決了被測接地網(wǎng)金屬面積不確定的問題，獲得了實際埋設(shè)的接地網(wǎng)金屬的極化電阻，進而得到其腐蝕速率。

試驗材料與現(xiàn)場土壤性質(zhì)

采用市購普通熱浸鍍鋅圓鋼（ф10 mm）為試驗材料，其基體為Q235鋼，表面鍍鋅層厚度為60~70 μm。將鍍鋅圓鋼分別加工成自腐蝕試樣、模擬接地網(wǎng)和電化學監(jiān)測探頭。

武漢土壤為棕壤土，取開挖現(xiàn)場深度0.6 m的土壤樣品，分析得到土壤的基本性質(zhì)如下：pH 6.9，電阻率4247 Ω·cm，含水量21%，飽和含水量43%，總鹽含量30%。從土壤性質(zhì)來看，試驗土壤屬于低腐蝕性土壤。

試樣制備

1 自腐蝕試樣

將上述鍍鋅圓鋼材料加工成ф10 mm×50 mm的自腐蝕試樣（36個），加工過程中不破壞鍍鋅圓鋼原有表面狀態(tài)。使用無水乙醇、丙酮擦洗試樣表面，用冷風吹干后，置于干燥器中24小時。用TG328A分析天平（精度0.1 mg）對試樣進行稱量，結(jié)果取3次稱量平均值。對稱量后的試樣兩端進行絕緣封裝，留出工作面積11.0 cm2（ф10 mm×35 mm）。封裝完成后的試樣可進行現(xiàn)場埋設(shè)。

2 模擬接地網(wǎng)

模擬接地網(wǎng)為兩根ф10 mm×2 m鍍鋅圓鋼（圓鋼1和圓鋼2）。每根鍍鋅圓鋼兩端鉆孔，配螺栓。將焊有接線片的兩根電纜（VV1000 1×10，長度2 m）連接到螺栓上（兩端各連1根），確認導(dǎo)線與鍍鋅圓鋼的電連接。用無水乙醇、丙酮清洗試樣，再用環(huán)氧重防腐蝕涂料涂封螺栓連接處。待試樣表面涂層干燥后進行現(xiàn)場埋設(shè)。

3 電化學監(jiān)測探頭

將鍍鋅圓鋼加工成ф10 mm×50 mm的電極試樣，在試樣一端焊接銅導(dǎo)電（長度2 m），用環(huán)氧樹脂封裝試樣兩端，留出工作面積11.0 cm2（ф10 mm×35 mm）。電化學監(jiān)測探頭由3支電極試樣按等邊三角形排列（彼此間距約2 cm）組成，共制備了3組電化學監(jiān)測探頭。

現(xiàn)場埋設(shè)布局

在室外開挖3.0 m×0.7 m×0.6 m的土坑，按圖1所示位置埋設(shè)試樣。模擬接地網(wǎng)（2 m鍍鋅圓鋼）位于土坑中央，兩端的連接電纜用ф30 mm×3 mm的電纜護管保護引出地面。在鍍鋅圓鋼兩端和中部同深度（0.6 m）位置，等距離埋設(shè)電化學監(jiān)測探頭3組（編號1~3），測試導(dǎo)線同樣用ф30 mm×3 mm的電纜護管保護引出地面。自腐蝕試樣平躺埋設(shè)，每3個自腐蝕試樣為一組，每組試樣間隔約0.2 m。在兩根鍍鋅圓鋼中部正上方留出ф50 cm，深度45 cm的空間用于護環(huán)電極測量。將開挖的土壤按順序回填，盡可能保持土壤原始狀態(tài)。記錄回填完成時間作為現(xiàn)場測試起始時間。

圖1 現(xiàn)場試樣埋設(shè)位置示意圖

電化學測試

電化學測試在CS353便攜式電化學工作站進行。試樣埋設(shè)后，以便攜式飽和硫酸銅電極為參比電極測量模擬接地網(wǎng)和電化學監(jiān)測探頭的自腐蝕電位（Ecorr）。分別測量3組電化學監(jiān)測探頭的電化學阻抗（EIS），測量時激勵信號為幅值±10 mV的正弦波，測試頻率范圍為0.01～105 Hz。然后采用Zview2.0軟件擬合處理EIS數(shù)據(jù)。

測量得到模擬接地網(wǎng)中2根圓鋼的自腐蝕電位隨時間的變化曲線類似，3組電化學監(jiān)測探頭的曲線也類似。因此以模擬接地網(wǎng)（圓鋼2）兩端以及電化學監(jiān)測探頭2中各電極為例，對其自腐蝕電位進行說明，如圖2所示。

(a) 模擬接地網(wǎng)  (b) 電化學監(jiān)測探頭

圖2 武漢土壤中鍍鋅圓鋼自腐蝕電位隨時間的變化曲線

從圖2可見，在埋設(shè)初期（小于40天），自腐蝕電位比較負，在-1.2～-1.0 V，該數(shù)值范圍為鍍鋅層的自腐蝕電位；埋設(shè)時間超過40天后，自腐蝕電位開始明顯正移。其中，埋設(shè)時間為40～60天時，自腐蝕電位正移幅度最大，這是由于鍍鋅層被逐漸破壞，基體Q235鋼暴露于土壤介質(zhì)中，二者偶合導(dǎo)致的結(jié)果；埋設(shè)時間超過90天后，自腐蝕電位在-0.9～-0.6 V區(qū)域波動，其數(shù)值更接近Q235鋼的自腐蝕電位，這說明此時試樣表面的鍍鋅層已經(jīng)大部分被破壞。

定期測量3組電化學監(jiān)測探頭的EIS，通過Zview2.0軟件擬合得到極化電阻Rp，并計算3組探頭極化電阻的均值和方差，結(jié)果如圖3所示。

(a) 極化電阻  (b) 極化電阻均值與方差

圖3 武漢土壤中鍍鋅圓鋼電化學監(jiān)測探頭測量的極化電阻及其均值和方差隨時間的變化曲線

從圖3(a)可見，由于3個探頭的埋設(shè)位置和狀態(tài)存在差異，其極化電阻之間有差異，但總體變化趨勢是基本一致的。從圖3(b)可見，在埋設(shè)初期（小于40天），極化電阻均值呈先增大后減小再增大的變化趨勢，埋設(shè)40天后則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

結(jié)合圖2中自腐蝕電位數(shù)據(jù)來看，埋設(shè)初期試樣主要表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為，這期間極化電阻的變化正好反映了鍍鋅層逐漸被腐蝕破壞的過程。埋設(shè)40天后，自腐蝕電位開始明顯正移，此時Q235鋼基體的影響逐漸增強，鍍鋅層腐蝕加速，極化電阻較小。隨后極化電阻逐漸增大，這可能與試樣表面生長的腐蝕產(chǎn)物對腐蝕的抑制作用有關(guān)。

護環(huán)電極測試

試樣埋設(shè)后，采用CST700護環(huán)測試儀測量模擬接地網(wǎng)的極化電阻。護環(huán)電極如圖4所示，圖中RE1，RE2，RE3均為飽和Cu/CuSO4參比電極，CE為輔助電極，GE為護環(huán)電極。在地面（測量深度即護環(huán)電極距離接地網(wǎng)距離0.6 m）和中心預(yù)留位置（測量深度0.15 m）分別測量模擬接地網(wǎng)的極化電阻，測量中護環(huán)面積均選擇5.4 cm2，觀察測量深度對測試結(jié)果的影響。

圖4 護環(huán)電極示意

由測量結(jié)果可知，埋設(shè)時間為38天和165天時，測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，其他測量數(shù)據(jù)的相對偏差在-38%~29%。

實際測量中，影響護環(huán)電極測試數(shù)據(jù)的因素較多，如測試距離和土壤含水率都會對測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯影響。埋設(shè)時間為38天時，是夏季土壤含水率很低的時間，這會影響護環(huán)電極發(fā)送電流在土壤中的分布，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)偏離很大。此外，測試時難以保證護環(huán)電極放置位置正好處于接地網(wǎng)試樣的正上方，這會影響其實際的投影面積。總體來看，護環(huán)電極測量的極化電阻數(shù)據(jù)波動較大，但如果條件控制得當，得到的數(shù)據(jù)與電化學監(jiān)測探頭測量的數(shù)據(jù)是具有可比性的。

失重法測試腐蝕速率

每個月取一組（3個）埋設(shè)自腐蝕試樣，開挖時不擾動附近的試樣。取出自腐蝕試樣后，清除試樣表面浮土，立即拍照記錄，放入試樣袋中保存。對于表面鍍鋅層未腐蝕掉的試樣，采用10%過硫酸銨溶液除掉試樣表面的腐蝕產(chǎn)物；對于鍍鋅層腐蝕試樣，先用酸洗液除掉試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，再用水清洗干燥。然后，用TG328A分析天平稱量試樣，再拍照記錄。采用失重法即根據(jù)試樣腐蝕前后質(zhì)量差，計算自腐蝕試樣的腐蝕速率。

圖5 武漢土壤中鍍鋅圓鋼腐蝕速率隨時間的變化曲線

從圖5可見，埋設(shè)時間為1～2月時，腐蝕速率vcorr較大且稍有增大趨勢，但埋設(shè)時間超過2月后，腐蝕速率逐漸減小，埋設(shè)2～3月期間，腐蝕速率減小幅度最大，埋設(shè)3月后，腐蝕速率減小趨勢變緩。

圖6 鍍鋅圓鋼在武漢土壤中埋設(shè)不同時間（1~6月）后的腐蝕形貌

從圖6中可以看出，埋設(shè)初期（前3月），鍍鋅層的腐蝕溶解并不均勻。埋設(shè)30天時，試樣表面部分區(qū)域鍍鋅層已完全被破壞。隨著埋設(shè)時間延長，鍍鋅層的破損區(qū)域逐漸增大。在這種狀態(tài)下，鍍鋅層與Q235基體會形成腐蝕電偶，加速鍍鋅層的溶解破壞，而Q235鋼基體將被保護。這一時期，試樣表面仍主要為鍍鋅層，因此測試得到的自腐蝕電位和腐蝕速率主要反映了鍍鋅層的腐蝕行為。埋設(shè)時間超過3月后，試樣表面殘留的鍍鋅層已很少。因此，試樣的自腐蝕電位逐漸正移到接近Q235鋼的自腐蝕電位值（見圖2）。但從圖6所示腐蝕形貌來看，埋設(shè)6月時試樣表面的鍍鋅層并未完全消失。總體來看，各試樣表面沒有出現(xiàn)明顯的局部腐蝕區(qū)域。

數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

根據(jù)腐蝕電化學原理，極化電阻Rp與試樣的腐蝕電流密度Jcorr呈反比關(guān)系，即Jcorr=B/Rp，其中B為Stern系數(shù)。因此，極化電阻倒數(shù)1/Rp可用來描述腐蝕速率的變化趨勢。

根據(jù)失重法得到的腐蝕速率是一段時間內(nèi)的平均值，而電化學監(jiān)測探頭得到的極化電阻是某一時刻的瞬時值。因此，需根據(jù)連續(xù)測定的Rp，繪制1/Rp-t曲線，計算曲線下的面積即對時間進行積分，然后將積分值除以總的時間求出這段時間內(nèi)1/Rp的均值1/Rp均。該均值可以與腐蝕速率的變化趨勢對比，同時還可以根據(jù)vcorr和1/Rp均求出Stern系數(shù)B。

(a) 1/Rp     (b) 1/Rp均

圖7 武漢土壤中鍍鋅圓鋼電化學監(jiān)測探頭測量的1/Rp和1/Rp均隨時間的變化曲線

從圖7(b)可見，隨埋設(shè)時間延長，1/Rp均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，與圖5中腐蝕速率隨時間的變化趨勢基本一致。理論上根據(jù)腐蝕速率可得到腐蝕電流密度，再根據(jù)圖7(b)即可得到B。

鍍鋅圓鋼腐蝕后，鍍鋅層與基體Q235鋼之間形成電偶，對腐蝕數(shù)據(jù)的影響較大。根據(jù)埋設(shè)1月的腐蝕速率（1.246 g·dm-2·a-1）和1/Rp均（4.391×10-5 Ω-1·cm-2），按鋅溶解計算，得到Jcorr為1.167×10-6 A·cm-2，B為0.0266 V。這些結(jié)果進一步說明埋設(shè)1月時試樣主要表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為。

但根據(jù)埋設(shè)2～6月的數(shù)據(jù)計算的B迅速增大，根據(jù)埋設(shè)4～6月的數(shù)據(jù)計算的B遠遠超過B的正常范圍（0.017～0.026 V）。可見，此時用上面的方法估算Jcorr是不可行的。

盡管如此，根據(jù)法拉第定律可知腐蝕速率vcorr與Jcorr之間應(yīng)該是線性關(guān)系，而Jcorr與1/Rp均也呈線性關(guān)系。因此，vcorr與1/Rp均之間也應(yīng)該滿足線性關(guān)系，通過兩者之間的線性關(guān)系可以觀察其相關(guān)性。圖8為鍍鋅圓鋼失重法得到的vcorr與電化學監(jiān)測探頭得到的1/Rp均之間的關(guān)系圖。圖中每個數(shù)據(jù)點對應(yīng)的埋設(shè)時間相同。

圖8 鍍鋅圓鋼失重法得到的vcorr與電化學監(jiān)測探頭得到的1/Rp均之間的關(guān)系

線性擬合得到兩者之間的關(guān)系式為：vcorr=0.7397+0.1262×105×1/Rp均。其擬合度為0.928，皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)為0.9634，這說明電化學監(jiān)測探頭得到的極化電阻與失重法得到的腐蝕速率之間具有較好的相關(guān)性。

從圖8中也可見，埋設(shè)2月的數(shù)據(jù)偏離較大，這很可能與Zn-Q235之間電偶作用的影響較大有關(guān)。盡管如此，由于vcorr與1/Rp均之間有較好的線性關(guān)系，仍然可以通過Rp的測量來觀察鍍鋅圓鋼腐蝕速率的變化。

結(jié) 論

(1) 鍍鋅圓鋼在武漢土壤中埋設(shè)早期的自腐蝕速率較大（約1.26 g·dm-2·a-1），隨后逐漸減小。表面鍍鋅層溶解不均勻，在埋設(shè)1月時表面鍍鋅層已出現(xiàn)破損，但此時試樣仍表現(xiàn)出鍍鋅層的腐蝕行為（自腐蝕電位為-1.2~-1.0 V）。埋設(shè)3月后，試樣表面殘留的鍍鋅層已很少，逐漸表現(xiàn)出Q235鋼的腐蝕行為（自腐蝕電位為-0.8~-0.7 V）。

(2) 電化學監(jiān)測探頭得到的極化電阻與失重法得到的腐蝕速率之間的相關(guān)性較好。由于鍍鋅層破損后會與Q235鋼基體形成電偶，因此不能按傳統(tǒng)方法根據(jù)極化電阻得到腐蝕速率，但可以根據(jù)腐蝕速率與極化電阻倒數(shù)均值之間的線性關(guān)系來計算得到腐蝕速率。

(3) 現(xiàn)場采用護環(huán)電極法測量極化電阻的影響因素較多，特別是測量深度和投影面積的影響很大。本研究中在條件合適的情況下，護環(huán)電極法測量得到的極化電阻與電化學監(jiān)測探頭測量的極化電阻具有可比性。