文 | 張秀麗 莫逆 李永立 王應(yīng)高 王天君 羅毅 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司

一、接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)的重要意義

發(fā)電廠及變電站的接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障電氣設(shè)備和運(yùn)行人員安全的重要設(shè)施。目前在以美國(guó)為代表的許多發(fā)達(dá)國(guó)家銅為接地網(wǎng)的主要材料，在我國(guó)由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，接地網(wǎng)所用材料主要為普通碳鋼。由于接地網(wǎng)埋設(shè)在地下，既看不見(jiàn)，又無(wú)監(jiān)視裝置，當(dāng)接地網(wǎng)投運(yùn)后，腐蝕問(wèn)題就會(huì)暴露出來(lái)，而碳鋼接地網(wǎng)的腐蝕問(wèn)題尤為突出。接地網(wǎng)的腐蝕使得接地體截面減小，甚至斷裂，由此導(dǎo)致地網(wǎng)接地性能不良，熱穩(wěn)定性達(dá)不到要求，電路電流將會(huì)燒壞地網(wǎng)，使得變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成其它主要設(shè)備的毀壞事故，還會(huì)危及人身安全。在我國(guó)因地網(wǎng)腐蝕或發(fā)生斷裂而引起的電力系統(tǒng)事故時(shí)有發(fā)生，每次事故都帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。1981 年廣西合山電廠 110kV 開(kāi)關(guān)站內(nèi) A 相母線側(cè)的支柱瓷瓶在雨霧中閃絡(luò)，造成弧光接地，A 相接地發(fā)展成兩相短路，最后發(fā)展成三相短路，損壞二次電纜、端子排及二次設(shè)備，1 臺(tái)100MW 發(fā)電機(jī)損壞，造成全廠停電的重大事故。事故擴(kuò)大的主要原因是接地引下線在地表以下幾十公分處腐蝕嚴(yán)重而引起的。1985年至1986年，湖北省胡集、潛江、武鋼等 3 個(gè) 220kV 變電所因接地不良將變電所內(nèi)弧光短路事故擴(kuò)大為全站停電和設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞事故；1991 年浙江電網(wǎng)一個(gè) 110kV 變電所發(fā)生了 35kV開(kāi)關(guān)站接地短路，由于接地裝置存在問(wèn)題，使一次系統(tǒng)事故擴(kuò)大到二次系統(tǒng)，造成全廠停電 13h, 一、二次設(shè)備大量損壞；1994 年 1 月 1 日，四川華瑩山發(fā)電廠因變壓器中性點(diǎn)接地不良，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生污閃時(shí)，造成變壓器、發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?zé)龤У膼盒允鹿?，損失十分嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，接地網(wǎng)的故障已是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的心腹大患，診斷地網(wǎng)的斷點(diǎn)及地網(wǎng)的腐蝕情況已成為電力行業(yè)的一項(xiàng)重大反事故措施。

二、接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)現(xiàn)狀

網(wǎng)的主要材料，因此接地網(wǎng)的腐蝕問(wèn)題并不象在我國(guó)這樣突出，關(guān)于地網(wǎng)腐蝕程度檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器的文獻(xiàn)報(bào)道很少。目前國(guó)內(nèi)外發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）地網(wǎng)接地電阻測(cè)量：如果地網(wǎng)接地電阻值過(guò)高，地網(wǎng)將不能發(fā)揮其正常的排流作用，地網(wǎng)接地電阻值的測(cè)量是評(píng)價(jià)地網(wǎng)能否正常工作的重要手段。但是如果發(fā)現(xiàn)接地電阻不合格，只有通過(guò)開(kāi)挖查找地網(wǎng)的電氣連接故障點(diǎn)或腐蝕段，這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的限制。

（2）接觸電壓和跨步電壓測(cè)量：接觸電壓和跨步電壓是衡量地網(wǎng)安全性的重要指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)跨步電壓的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)因腐蝕等原因而發(fā)生斷裂的部位，但其并不能發(fā)現(xiàn)已發(fā)生嚴(yán)重腐蝕而未發(fā)生斷裂的地網(wǎng)腐蝕段。

（3）接地網(wǎng)腐蝕和斷點(diǎn)物理診斷法：該方法根據(jù)地網(wǎng)可測(cè)結(jié)點(diǎn)之間的電壓或電阻測(cè)量值，應(yīng)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，計(jì)算出各段導(dǎo)體的實(shí)際電阻值，將它與標(biāo)稱(chēng)值相比較，并按照一定的閾值來(lái)判斷地網(wǎng)導(dǎo)體是否有斷裂或腐蝕的情況存在。該方法要求準(zhǔn)確知道地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出確切的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)此數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)分析計(jì)算，方可得出各段地網(wǎng)導(dǎo)體的實(shí)際電阻值，由此可以看出影響該方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素較多，而且其對(duì)運(yùn)行多年舊地網(wǎng)的腐蝕診斷仍有一定的局限性。

目前國(guó)內(nèi)外已生產(chǎn)出了測(cè)量發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)系統(tǒng)的專(zhuān)用儀器，如澳大利亞紅相電力設(shè)備公司和維多利亞電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 8000 型接地網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)，可綜合完成上述測(cè)量。但目前國(guó)內(nèi)外發(fā)電廠、變電站的接地網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)都只側(cè)重于測(cè)量接地網(wǎng)系統(tǒng)工作的有效性和安全性，這些測(cè)量系統(tǒng)都無(wú)法對(duì)地網(wǎng)的腐蝕程度進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。

接地網(wǎng)斷點(diǎn)和腐蝕狀態(tài)的診斷一直是電力行業(yè)面臨的難題，國(guó)家自然科學(xué)基金曾資助過(guò)該方面的研究，但基于電化學(xué)測(cè)量原理對(duì)地網(wǎng)腐蝕程度進(jìn)行快速檢測(cè)和評(píng)價(jià)的研究，目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

三、接地網(wǎng)腐蝕機(jī)理

土壤是由固相、氣相和液相三相構(gòu)成的不均一多相體系，接地網(wǎng)材料在土壤中主要是局部腐蝕，且一般接地網(wǎng)中的所有腐蝕現(xiàn)象在本質(zhì)上都是電偶腐蝕。包括在同一電解質(zhì)（土壤）中存在不同的金屬（如鍍鋅鋼、裸露碳鋼和銅等）， 還包括同一材料處在不同的土壤中，或由于土壤的充氣差異引起的腐蝕。

1.宏電池腐蝕

宏電池是由于土壤性質(zhì)的差異，特別是埋地接地網(wǎng)不同部位上氧有效性不同而導(dǎo)致的一種腐蝕形式，從全國(guó)土壤網(wǎng)站 10 多年的埋設(shè)試驗(yàn)表明，鋼鐵試件 80% 左右的腐蝕是由宏電池腐蝕引起的。宏電池腐蝕類(lèi)型包括：

（1）土壤不均勻性而產(chǎn)生的宏電池腐蝕

這種腐蝕形式主要發(fā)生在大型碳鋼接地網(wǎng)材料上。在大范圍內(nèi)，由于土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地、含鹽量、松緊度、滲透率、地下水等的變化，在不同地段會(huì)引起接地網(wǎng)碳鋼材料自然腐蝕電位的差異，如圖 1 所示。當(dāng)碳鋼材料通過(guò)結(jié)構(gòu)不同和潮濕程度不同的土壤時(shí)（如通過(guò)沙土和粘土?xí)r）由于充氣不均形成氧濃差電池的腐蝕，處在沙土中的金屬部分，由于氧容易滲入，電位高，成為陰極，而處在粘土中的金屬部分由于缺氧，成為陽(yáng)極，它們之間構(gòu)成氧濃差電池，而使粘土中的金屬部分遭到腐蝕。

（2）土壤局部不均勻引起小距離宏電池腐蝕

圖1 構(gòu)件通過(guò)不同土壤時(shí)，構(gòu)成氧濃差電池的腐蝕

在小范圍內(nèi)，如在導(dǎo)電良好，氧充足的環(huán)境中，若有無(wú)滲透性成分（砂石、礫石）與碳鋼接地網(wǎng)表面接觸，則可以產(chǎn)生點(diǎn)蝕。對(duì)于土壤中石塊等夾雜物下面的碳鋼，夾雜物的透氣性如果比土壤本身的透氣性差，該區(qū)就成為腐蝕宏電池的陽(yáng)極，并且生成的 Fe 2+ 很快轉(zhuǎn)化為Fe（OH） 3 , 后者有膠粘作用，阻止了氧向夾雜物周?chē)鷶U(kuò)散，進(jìn)一步提高了陽(yáng)極活性，最終形成明顯的蝕坑，而和土壤本體區(qū)域接觸的碳鋼就成為陰極。所以埋設(shè)碳鋼接地網(wǎng)時(shí)，回添土壤的密度要均勻，不帶夾雜物。

（3）新舊碳鋼材料接觸而形成的宏電池腐蝕埋設(shè)在地下的接地網(wǎng)，由于維修而去掉舊的銹蝕鋼材而換上新的鋼材，新舊鋼材由于自然腐蝕電位不同，接觸便形成了電偶腐蝕宏電池，如圖 2所示。由于電位不同而形成的電偶腐蝕還包括不同金屬接觸（如碳鋼與銅的連接）的情況。這種宏電池腐蝕導(dǎo)致電位較負(fù)的新鋼材（或碳鋼）加速腐蝕。

2.微電池腐蝕

圖2 新舊金屬構(gòu)件接觸形成的電偶宏電池

微電池腐蝕是由于碳鋼金屬組成、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)不均勻或表面膜不完整而產(chǎn)生的一種均勻腐蝕。由于大部分金屬的表面狀況不可能達(dá)到理想的均一，所以微電池腐蝕是一種普遍存在的腐蝕形式，在土壤性質(zhì)均勻或金屬構(gòu)件尺寸較小的情況下，微電池腐蝕則被認(rèn)為是主要的腐蝕形式。金屬構(gòu)件在密實(shí)和滲透率較小的粘土中腐蝕率低，而在疏松和透氣性好的土壤中腐蝕率較高，土壤電阻率對(duì)微電池作用很小，但由于反應(yīng)只在微觀狀態(tài)下進(jìn)行，電池反應(yīng)微弱，加上又是均勻腐蝕，在實(shí)踐中一般不會(huì)造成嚴(yán)重的危害。因此在實(shí)際工作中人們偏重于對(duì)宏電池腐蝕進(jìn)行研究。

由于土壤是一種復(fù)相體系，因此完全均一而全部由微電池作用引起的腐蝕的情況只有在特殊條件下才出現(xiàn)，例如打入缺氧的未攪動(dòng)土壤中的垂直接地極或是整個(gè)接地網(wǎng)構(gòu)件全部埋設(shè)在常年漬水的土壤中，在大多數(shù)情況下，接地網(wǎng)碳鋼土壤腐蝕是宏電池和微電池共同作用的結(jié)果。

3.雜散電流腐蝕

雜散電流是指在土壤介質(zhì)中存在的一種大小、方向都不固定的電流，這種電流對(duì)材料的腐蝕稱(chēng)為雜散電流腐蝕。雜散電流又分為直流雜散電流和交流雜散電流兩類(lèi)。

直流雜散電流對(duì)金屬的腐蝕機(jī)理同電解原理是一致的，即陽(yáng)極為正極，陰極為負(fù)極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。如圖 3, 電流從土壤進(jìn)入金屬構(gòu)件的地方帶有負(fù)電荷，這一區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，容易析氫；電流由金屬構(gòu)件流出的部位帶正電，該區(qū)域?yàn)殛?yáng)極區(qū)，陽(yáng)極將以鐵離子溶入土壤中而遭受腐蝕。雜散電流造成的集中腐蝕破壞是非常嚴(yán)重的。埋地金屬直流雜散電流腐蝕損耗量按照法拉第定律計(jì)算，一安培的電流一年能腐蝕約 9kg 鐵。這個(gè)數(shù)值是按照電化學(xué)當(dāng)量的計(jì)算值，實(shí)際的損耗量還要看電流效率的大小。由此可見(jiàn)直流雜散電流造成的腐蝕是很?chē)?yán)重的。

交流雜散電流一般為工頻雜散電流，它主要來(lái)源于交流電氣化鐵路，二線一地制輸電線路，高壓和超高壓輸電網(wǎng)等。一般交流雜散電流腐蝕的危害性要比直流的小，但是交流電的集中腐蝕性強(qiáng)。接地網(wǎng)泄流時(shí)的交流電通過(guò)接地網(wǎng)的時(shí)間不長(zhǎng)，因而交流腐蝕通常不考慮。但是通過(guò)接地網(wǎng)的超低頻諧波電流是需要加以限制。

圖3 直流雜散電流腐蝕

4.微生物腐蝕

土壤中微生物對(duì)接地網(wǎng)碳鋼材料的腐蝕是微生物的生命活動(dòng)參與下所發(fā)生的腐蝕過(guò)程，微生物自身對(duì)碳鋼并不直接具有腐蝕作用，而是其生命活動(dòng)的結(jié)果參與腐蝕的間接過(guò)程。這種間接過(guò)程主要表現(xiàn)為新陳代謝的腐蝕作用（微生物能產(chǎn)生一些句有腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如硫酸、有機(jī)酸和硫化物等，增強(qiáng)了環(huán)境的腐蝕性）； 微生物的活動(dòng)影響電極的動(dòng)力學(xué)過(guò)程（如硫酸鹽還原細(xì)菌的存在，能促進(jìn)腐蝕的陰極去極化過(guò)程）；改變了金屬周?chē)h(huán)境的狀況（如氧濃度、鹽濃度及 pH 等）， 形成局部腐蝕電池；破壞保護(hù)性覆蓋層的穩(wěn)定性。

一般而言，微生物腐蝕多發(fā)生在地勢(shì)較低的沼澤地帶及有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤中。

四、腐蝕電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在接地網(wǎng)上的應(yīng)用可行性

由于接地網(wǎng)材料在土壤中腐蝕的電化學(xué)本質(zhì)，其腐蝕狀態(tài)可以用電化學(xué)特征參數(shù)來(lái)表征。對(duì)電化學(xué)腐蝕，通常還可用電流密度來(lái)表示腐蝕速度。在金屬電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，被腐蝕的金屬作為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)而不斷被溶解，同時(shí)釋放出電子。釋放出的電子數(shù)量越多，亦即輸出的電量越多，意味著金屬被溶解得多。因此，金屬電極上輸出的電量顯然與金屬電極的溶解量之間存在定量的關(guān)系，這個(gè)定量關(guān)系就是法拉第定律。

根據(jù)法拉第定律，由電極上通過(guò)的電量可以計(jì)算出金屬溶解的量。不同的電化學(xué)特征參數(shù)可以表征不同的腐蝕狀態(tài)，例如可以用擊穿電位評(píng)價(jià)金屬抗點(diǎn)蝕性的大小，電位越低，抗蝕性越差。金屬腐蝕速度的電化學(xué)測(cè)試技術(shù)有極化阻力技術(shù)、暫態(tài)線性極化技術(shù)、充電曲線技術(shù)和恒電量法等。采用線性極化或交流阻抗等電化學(xué)技術(shù)可以測(cè)量接地網(wǎng)碳鋼材料的極化電阻、腐蝕電流等電化學(xué)參數(shù)，但要完成接地網(wǎng)碳鋼材料的腐蝕電化學(xué)檢測(cè)，必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

1.腐蝕電化學(xué)測(cè)量傳感器的限流問(wèn)題

傳統(tǒng)的電化學(xué)三電極測(cè)量系統(tǒng)很難準(zhǔn)確測(cè)量地網(wǎng)金屬的腐蝕速度，因?yàn)橛铚y(cè)量的某一段地網(wǎng)金屬并不是一個(gè)獨(dú)立的電極，它與整個(gè)地網(wǎng)金屬是連接在一起的，因此通過(guò)輔助電極加在地網(wǎng)金屬上的極化電流并不會(huì)只局限在被測(cè)量的這段地網(wǎng)金屬上，被極化地網(wǎng)金屬面積的不確定性，將會(huì)在腐蝕電流密度的計(jì)算中引入較大的誤差。因此要實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)碳鋼材料的腐蝕電化學(xué)檢測(cè)，首先要解決腐蝕電化學(xué)測(cè)量傳感器的限流問(wèn)題。目前已開(kāi)發(fā)研究的限流傳感器有護(hù)環(huán)傳感器和小孔限流傳感器，要將這些傳感器用于接地網(wǎng)碳鋼材料的腐蝕檢測(cè)尚需進(jìn)一步的研究。

2.土壤中雜散電流對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾

由于土壤中存在的雜散電流對(duì)電化學(xué)測(cè)試技術(shù)的響應(yīng)信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，有時(shí)甚至完全淹沒(méi)真實(shí)的信號(hào)，得到的響應(yīng)信號(hào)信噪比很低，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。要解決土壤中雜散電流的干擾問(wèn)題，可以通過(guò)儀器本身的硬件來(lái)消除干擾，或采用適宜的多分辨分析小波濾波方法對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，濾除各種噪聲干擾。

五、腐蝕電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在接地網(wǎng)上的應(yīng)用前景

通過(guò)上述討論可以看出，若能解決接地網(wǎng)碳鋼材料腐蝕電化學(xué)檢測(cè)中的傳感器的限流和雜散電流干擾問(wèn)題，腐蝕電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在各個(gè)發(fā)電廠和變電站接地網(wǎng)上有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

目前接地網(wǎng)的斷點(diǎn)及地網(wǎng)的腐蝕情況的診斷方法通常是，發(fā)現(xiàn)接地電阻不合格或出現(xiàn)事故后，通過(guò)開(kāi)挖查找地網(wǎng)的電氣連接故障點(diǎn)或腐蝕段，這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且還受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的限制。采用腐蝕電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以在地面對(duì)地網(wǎng)定期進(jìn)行原位綜合腐蝕檢測(cè)（無(wú)需停運(yùn)和開(kāi)挖地網(wǎng)）， 根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地網(wǎng)金屬的腐蝕可能性或腐蝕程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域段，在其未產(chǎn)生嚴(yán)重事故前，及時(shí)采取有效措施，減少或杜絕因地網(wǎng)腐蝕而引起的電力系統(tǒng)事故的發(fā)生。