1 前言

    發變電站接地網是埋入大地中并與大地緊密接觸的金屬網，為故障電流或雷電流快速泄放提供入地通道、保護人身安全和電氣設備安全 。當前，出于環境保護和成本考慮，我國普遍采用低碳鋼而不是銅網作為接地網材料，接地體在土壤中腐蝕會導致截面積變小、接地電阻增加，造成接地網壽命減短，嚴重時甚至危及電網的穩定運行。因此，研究接地網在線腐蝕監測方法，實現不斷電、不開挖情況下的腐蝕監測，以便及時發現故障，防患于未然，對于保障電力系統的可靠運行具有重要意義。

    當前大多數變電站接地網的腐蝕評估通常依靠測量接地網接地電阻值來間接判斷，然而，由于電磁干擾和測量精度的限制，直接測量地網接地電阻很難準確評估地網腐蝕狀態  。也有研究者通過分析接地網埋深位置的土壤，如測量土壤含水率、pH值、含鹽量等腐蝕性參數來間接評價地網腐蝕狀態，但該方法存在土壤取樣工作量大、分析周期長、且不能直接反映地網自身腐蝕速率等不足之處。對接地網進行開挖檢查最為直接，然而大面積開挖勢必存在盲目性，且還要切斷電網停電，存在一定的安全隱患。因此研究一種安全可靠、可操作性強、快速準確的發變電站接地網腐蝕診斷方法十分迫切 。

    接地網在土壤中的腐蝕屬于電化學腐蝕，可以采用多種電化學方法進行腐蝕監測，包括線性極化法 、恒電流階躍法和電化學阻抗法等。當前大多數電化學監測方法均需要預埋金屬試片于土壤中，只能測量土壤的腐蝕性，并不能直接測量地網自身的腐蝕速率。如果將被測地網作為工作電極，則必須將極化電流限制在一定區域內，否則，被極化接地網面積的不確定性，將會導致腐蝕速率測量產生極大的誤差。

    為了解決電流約束問題，Feliu等提出采用純阻容串并聯電路來模擬電流分布，但該計算過程復雜且誤差極大。Law等提出了護環法 （GRM） 來約束CE電極的極化電流，但是GRM技術是基于完全約束實現的，導致實際體系中經常出現過約束或欠約束現象。針對上述問題，我們在以前的研究工作基礎上提出了GE電流約束電路的改進方案，并且研制了集成小孔限流與GE電流約束的接地網腐蝕監測傳感器。該傳感器通過小孔限流將極化電流約束在接地網鋼板上的限定位置，同時通過護環電流約束電路，使彌散電流得到補償。現場實測表明：具有電流約束的小孔限流電極測量結果與參考電極具有較好的一致性。

    2 腐蝕監測傳感器設計

    2.1 電化學阻抗腐蝕監測

    電化學阻抗測量是用一個小幅值正弦波電位信號疊加在一個直流極化電位上，通過恒電位電路施加于被測體系，同步測量極化電位以及響應電流，再利用相關積分算法計算出被測電極體系的復數阻抗Z ，進而繪制出被測體系的Nyquist圖和Bode圖。選取適當的等效電路，通過計算機模擬可以獲取被測電極體系的界面電容、電荷傳遞電阻和Randle阻抗等諸多參數。

    改變激勵正弦波和參考信號的頻率，分別測量高、低兩個頻點 ω H 和 ω L 的阻抗值 Z H 和 Z L ，然后根據碳鋼在土壤中的腐蝕電化學等效電路 [16] ，取高頻端（100~1000 Hz） 的阻抗值為土壤電阻 R s ，而將低頻端 （0.005~0.01Hz） 的阻抗值記為 R s 與接地網鋼板極化電阻 （ R p ） 之和，顯然 R p =| Z L |-| Z H |。最后根據Stern公式CR= B / R p 計算腐蝕速率，其中，CR為腐蝕電流密度，單位：mA/cm 2 ， R p 代表極化電阻，單位：Ω·cm 2 ，B 為Stern系數，一般取值26 mV。

    2.2 電流約束傳感器

    對于接地網腐蝕監測，由于接地網面積巨大，因此極化電流的約束是關鍵 [18,19] ，為此我們設計了一款集成小孔限流與護環電極電流約束的接地網腐蝕監測傳感器，該傳感器采用自適應的電流補償技術，將來自輔助電極圓環的極化電流限制在接地網鋼板上的投影面積內，如圖1所示。

    圖1a顯示了單純小孔限流測量腐蝕速率的原理，由于小孔傳感器底部的開口緊緊貼合在接地網鋼板上，來自于輔助電極的極化電流無法泄露到孔外，因此所有極化電流均被限制在小孔的投影面積內。然而小孔限流方法有其天然的缺陷，圖1b顯示了由于小孔傳感器與接地鋼板之間存在一定的間隙 （由于安裝不良或土壤沉降造成），將導致一部分電流從縫隙處泄漏到小孔投影區外，這樣就會使實際受到極化的接地網面積大于小孔投影面積，導致測量的腐蝕速率偏大。

    實際上單純依靠小孔限流還存在另一個問題，由于小孔內是一個密封環境，如果小孔緊緊貼合在接地鋼板表面，則孔內土壤與外部土壤失去電解質交換，形成了一個孤立的“死區”，這樣測得的接地網腐蝕速率只能反映這部分“死區”土壤的腐蝕性，而無法反映外部土壤四季變化過程中對接地網的腐蝕情況。為了避免內部形成“死區”，必須在傳感器圓柱側壁開孔，如圖1c側面的交換孔，這樣就可以保證孔內外的電解質 （水分） 交換。

    顯然傳感器側面開交換孔后，來自腔內輔助電極CE的電流也會從交換孔中泄露，導致腐蝕速率的測量出現大的偏差。為此，我們設計了基于護環電極 （GE） 的電流約束環，如圖1c中的GE電極環，該GE緊緊套在傳感器外側，用于約束傳感器內側CE環所發出的極化電流。

    基于GE的電流約束技術早期主要用于大型混凝土結構中鋼筋銹蝕速率的測量 [16,17] ，對于接地網的腐蝕測量，由于地網鋼板面積巨大，來自CE的極化電流在地網表面分布是非常不均勻的。為了防止來自CE的極化電流彌散，用來自GE的電流約束住CE電流，圖1c中，由于GE與CE具有相同的電勢，使CE電流不能從圖1c中傳感器側面的交換孔或者底部的間隙流出，從而使CE電流完全約束在小孔投影面內。

    圖1c顯示了小孔限流與護環電極限流共同控制下的電力線約束情況，此時即使傳感器開口有一定程度的密封不良，也可以通過傳感器外壁的GE電極來將孔內CE電流約束在孔內。

圖1 電流約束型地網腐蝕監測傳感器: (a) 緊密接觸時小孔限流電流分布; (b) 間隙較大時小孔限流

電流發散, (c) 間隙較大但外加GE護環時的流線

    2.3 電流約束電路

    為了將極化電流約束在小孔投影面內，在地網腐蝕速率監測裝置中設計有兩套恒電位極化電路（如圖2），主回路由U1和U2兩個運算放大器組成，U2輸出電壓加載到輔助電極CE上，使接地網鋼板處于極化狀態，同時通過差分放大器監測流過取樣電阻R c 的極化電流；第二套恒電位極化電路由U2和U3組成，來自U2輸出端的電壓信號加載到U3反相端，從而使GE輸出的電壓信號與CE具有完全相同的相位和幅值，即 CE 與 GE 形成了一個等電勢輸出，U3輸出的電流則通過GE流向小孔投影面外側的接地鋼板，壓制了CE電極的泄漏電流。

    圖2 電流約束電路原理圖 （ U 1 為阻抗變換器， U 2 為加法器和功率放大器， U 3 為單位增益電壓跟隨器， R 1 端輸入直流電壓， R 2 輸入正弦波信號， R c 為電流取樣電阻， R s 及 R s ‘分別為傳感器小孔內、外的土壤電阻，R p 、 R p ’分別為小孔內外接地網的極化電阻， WE為與引上線相連的接地網）

    3 結果與討論

    3.1 室內實驗

    為了考察腐蝕監測傳感器的電流約束能力，采用尺寸為500 mm×50 mm×2 mm的Q235鋼板，并焊接成150 mm等間距的正方形網格，作為模擬接地網。該接地網埋在550 mm×550 mm×200 m的土壤箱中，然后在箱內填入預先配制的中性土壤 （pH值為8.7） 或酸性 （pH值為5.5） 土壤中。將小孔電流約束傳感器垂直固定在鋼板表面，采用電化學阻抗法測量不同時段內埋地鋼板的 R p 值，結果見圖3。為了對比，同時測量一個面積約1 cm 2 的Q235電極的R p 值，以作為模擬接地網在同一環境中腐蝕速率的參考值。

    從圖3來看，在模擬酸性土壤中，當沒有開啟GE電流約束時，模擬接地網的 R p （1400 Ω·cm 2 ） 與作為參考值的獨立電極的 R p （2300 Ω·cm 2 ） 之間相差40%，而一旦開啟GE電流約束電路后，模擬接地網的極化電阻立刻增至2350 Ω·cm 2 ，與參考值的誤差小于5%。同樣的，對于模擬中性土壤也是如此，表明無論是在腐蝕性強或弱的土壤中，經過GE補償和小孔限流雙重約束后，模擬接地網的 R p 值均非常接近同材質碳鋼電極的 R p 值，這也證明GE補償比普通小孔限流電極能更好地將極化電流約束在小孔投影面積內，保證了測量結果的準確性。

    此外，在中性土壤中，由于土壤電阻率較高，IR降較大，因此小孔內的極化電流發散較為困難，所以即使不開啟GE電流約束電路，其測量結果與有GE約束的測量結果差別也不大，誤差僅為20%，小于酸性土壤下的測量誤差 （約為40%）。

    3.2 現場實驗

    遠程自動化是當前現場腐蝕監測的一個發展方向，變電站遠程無線腐蝕監測系統主要由：接地網腐蝕監測裝置，限流型小孔腐蝕監測傳感器，GPRS無線收發器和中央監控服務器等4部分組成。中央監控服務器軟件能定時聯絡各個站點分散的無線收發器，并通過后者將現場腐蝕監測傳感器的測量數據上傳到服務器數據庫中，授權用戶通過局域網終端可以查看現場腐蝕數據或曲線。

    地網腐蝕監測裝置采用高速單片機和精密數模轉換電路，以電化學阻抗測量為基礎，實現了接地網極化電阻和土壤電阻率的同時測量，由于電化學阻抗技術內置相關積分算法，具有較好的抗電磁干擾和交流干擾能力，測量結果離散性小。無線數據通信則以成熟的GPRS網絡為基礎，實現了低成本下服務器與遠程設備之間的雙向通信。遠程腐蝕監測系統框圖如圖4。

圖4 GSM無線腐蝕監測網絡組建方案

    在山西太原某500 kV和陽泉某220 kV變電站各安裝了1套遠程接地網腐蝕監測系統，如圖5a。

圖5 安裝于陽泉某變電站的遠程接地網腐蝕監測系統 (a) 及接地網腐蝕監測網絡化管理平臺 (b)

    該現場腐蝕監測裝置采用30 W單晶硅太陽能電池供電，確保不受外部供電中斷的影響，且可以避免交流電的引入造成測量干擾。太陽能電池的大容量12 V/40Ah蓄電池則埋入地下1 m深處，可以防止冬季低溫對蓄電池的損害。而腐蝕監測裝置、無線收發器和太陽能電池控制器均安裝在防水型戶外箱中，可增強整套戶外監測系統的環境抵抗能力。圖5b為基于Internet的網絡化腐蝕監測軟件界面，主要實現監測站點管理、數據下載、曲線顯示、報表統計和報警管理等功能。

    圖6顯示了分別位于陽泉和太原的某兩個變電站接地網在土壤中的開路電位 （OCP） 和腐蝕速率變化曲線，其中數據采樣間隔為12 h，總時間為8個月，從2014年11月10日至2015年7月9日。接地網的OCP是以固態Ag/AgCl電極作為參比電極，從圖6中的OCP曲線來看，在腐蝕監測傳感器剛埋入土壤中的數天內，OCP均較正，隨后快速負移并接近正常值 （-0.48 V）。圖6a顯示，隨氣溫或降水的改變，陽泉接地網的 OCP 一般在-0.50~-0.44 V之間變化；而太原變電站接地網的OCP整體上是在-0.60~-0.53 V之間波動，可見陽泉接地網的OCP整體上較太原的要正80 mV左右，這可能是因為陽泉地區的土壤顆粒孔隙度更大，含氧率更高，因而OCP較正。

    從圖6a中的腐蝕速率曲線來看，陽泉變電站接地網冬季腐蝕速率較低，約為0.1~0.15 mm/a，而從 015年4月中旬降雨開始，腐蝕速率快速上升，從0.15 mm/a 增至0.48 mm/a，表明接地網在土壤中的腐蝕速率隨降雨的來臨 （土壤含水量上升） 而迅速增加，這一腐蝕速率已遠遠超過電力行業的相關標準（0.076 mm/a），半年平均腐蝕速率達到了0.22 mm/a。

    現場開挖也表明：陽泉接地網銹蝕非常嚴重。相反在太原某變電站的腐蝕速率曲線中 （如圖6b），腐蝕速率在2015年4月中旬前 （冬季） 均只有0.03 mm/a，只是從5月份后，腐蝕速率才逐步上升至0.1 mm/a，半年的平均腐蝕速率只有0.036 mm/a，僅為陽泉變電站的1/6。現場開挖也表明：雖然經過十年的運行，太原某變電站的接地網腐蝕也非常輕微。陽泉變電站接地網腐蝕速率高于太原接地網，實際上與前者的OCP較正是一致的，碳鋼在土壤中的OCP越正，表明土壤含氧量越高，土壤中氧陰極去極化能力越強，腐蝕速率自然也更高一些。

    4 結論

    （1） 接地網腐蝕速率測量精度取決于傳感器極化電流的約束能力，集成小孔限流與護環電極電流約束的腐蝕監測傳感器，可以有效地將極化電流約束在接地網于傳感器小孔投影區域內，防止電流彌散，提高了腐蝕速率測量精度。

    （2） 基于交流阻抗技術和相關積分算法的接地腐蝕監測裝置，實現了極化電阻和土壤電阻率的同時測量，具有較高的抗電磁干擾和交流干擾能力，其測量結果較傳統方法離散性小。

    （3） 在山西省安裝的兩套接地網無線腐蝕監測系統，實現了接地網腐蝕監測的遠程自動化。經過半年多的運行，監測系統的實時測量數據與現場開挖結果具有一致性，表明腐蝕監測結果可信度高。