一种三电极接地网腐蚀速度测量仪的开发

高钏

摘 要：接地网在维持电力系统可靠稳定运行，及保护变电站工作人员的人身安全方面，都起着极其重要的作用。由于接地网被腐蚀断裂，而引起的电力系统的事故经常发生，文章采用接地网电化学腐蚀检测原理，针对以碳钢为主材的接地网，开发了用于腐蚀速度的测量系统。本测量仪采用了三电极传感器，和积分电压检测电路，基于阶跃恒流源金属电化学测试方法，有效地避免了发电厂、变电站等电力设备，以及土壤等测试环境对电化学测试响应信号的干扰。由实验得出控制加载的阶跃电流值在24-30uA左右时，就能保证极化电位处在线性范围内，又减小了响应电位的误差。

关键词：接地网；腐蚀；电化学检测；自腐蚀电位

引言

由于大的杂散电流的影响，使接地网的腐蚀防护不同于一般的地下金属设备的腐蚀与防护，接地网多则10年，少则3-4年便发生损坏甚至断裂，破坏电网系统稳定。目前主要利用接地引下线测量的方法，得到各段接地网金属导体的电阻值，通过建立数学模型，以及电阻值的变化反应地网的腐蚀情况[1-2]。在实际工程中，常根据地区的土壤腐蚀率，经验地估计接地网导体腐蚀程度，不能准确地判断腐蚀程度和断点[3]。文章利用相似性模型实验，研制了三电极传感器用于测量接地网的腐蚀状态，及阶跃型微安可变恒流激励源和积分毫伏电压采集电路，能测量包括自腐蚀电位、恒流源大小、极化电位等参数，基于拟合算法得出腐蚀速率大小。

1 接地网腐蚀状态测量原理

文章开发的接地网腐蚀状态检测系统，是基于金属阳极氧化原理，采用与被测接地网相同的碳钢材料作为研究电极，以不锈钢作为辅助电极，以饱和硫酸铜作为参考电极，组成三电极传感器，采取相似性模拟实验的方法，在实验室即可初步获得被测接地网的腐蚀状况。电化学检测系统还包括激励与检测电路和接地网土壤腐蚀电化学检测软件组成，系统组成如图1所示。恒电流充电曲线测试方法简单、快捷，因此适合接地网腐蚀状态的现场检测，基本原理是对腐蚀体系施加恒定阶跃电流，记录极化电位随时间的变化曲线[4]，图2为恒电流充电曲线，充电曲线方程式表示为：

式中：U是检测输出电压值；RP表示极化电阻；Cd表示界面电容；R1表示介质电阻。工作电极的极化电阻和土壤电阻可以通过计算充电曲线的斜率获得，并以极化电阻RP作为表征接地网腐蚀状态的特征参数，通过比较极化电阻值的不同时间点的相对大小，可判断被测地网的腐蚀的变化情况。

测量系统的检测过程为，首先标定接地网金属的自腐蚀电位，然后对接地网金属施加依次增加的恒电流阶跃信号，并实时采集响应信号即恒电流阶跃电位。以响应的电位信号与自腐蚀电位的差值，和施加的恒电流，土壤的电阻等相关参数，即可求出阳极极化电阻RP和腐蚀电流密度Icorr，其中Icorr=B/RP，B=25mV为Stern-Geary 常数。接地网年腐蚀深度可以通过腐蚀电流Icorr与被测接地网金属的电化学当量来计算获得，假设三电极传感器中的有效限流面积取，那么年腐蚀深度计算公式如下：

式中：D（m/y）代表年腐蚀深度；K为常数0.003 27；A表示金属原子量；Icorr（mA/cm2）表示腐蚀电流密度；n表示失电子数；ρ（g/cm3）表示被测金属的密度。

2 激励与数据检测模块设计

本系统使用0-100uA阶跃电流信号作为激励源，使电极之间发生极化反应。激励源使用REF200产生标准100uA电流镜像源，由精密运算放大器OPA602对电流放大和缩小，阶跃式电阻配比继电器控制模块用于控制OPA602运算放大器的放大或缩小倍数，如下图3所示。

由于采集的极化电压数据噪音较大，本系统采用ICL7135双积分电压数据采集模块，来采集参比电极与研究电极之间的电位差，减小高频噪声，双积分采集模块电路图如图4所示。

3 实验结果及讨论

土壤腐蚀速率监测是基于电化学极化分析法，实验使用了304型不锈钢作为研究辅助电极，Q235型碳钢作为研究电极，饱和硫酸铜溶液作为参比电极并以品字形分布的三电极土壤腐蚀速率检测传感器与相对应的采集装置。实验过程如下，先测量未加激励情况下的土壤自腐蚀电位，然后分别在研究电极和辅助电极之间施加0-100uA的恒流源激励信号，通过测量参比电极和研究电极之间的响应，并基于电化学理论计算出当前环境下土壤对膨胀节的腐蚀速率。

采集环境为土壤湿度为5%，测得土壤自腐蚀电位为590mV。阶跃电流在24-51uA波形较为稳定，也就是土壤极化反应电位的线性区，在该区域能够真实的反应土壤的腐蚀情况。当阶跃电流大于51uA后，由其引起的极化电位就已超出线性区；而当阶跃电流小于24uA时，经观测极化反应电位的测量误差比较大。在24-51uA范围内取阶跃电流36uA处可求得：

测量土壤电阻采用的方法是交流阻抗法，即在研究电极和辅助电极之间施加频率为1000Hz，幅值为5V的正弦波信号，并经电流电压变换后对交流信号进行整流转换为与土壤电阻RS大小相对应的0V-4V的直流电压信号，图5为用高斯数据拟合理论建立的现场实验中土壤电阻与电压信号之间的数学模型。

由实验可以得出在测量阶跃恒电流曲线时，如果施加的阶跃电流控制在24-51uA左右时，能保证极化电位处在线性区范围，同时能减小响应电位的测量误差。

4 结束语

接地网腐蚀检测可以有效避免由土壤腐蚀断裂而引起的电力系统的事故的发生，而恒电流充电曲线技术可以快速测量土壤对膨胀节的腐蚀速率。由该充电曲线解析得出极化电阻，通过分析阶跃电流值对极化电阻的影响以及不同阶跃电流下响应电位差值，研究了使极化在线性区内的阶跃电流范围。研究表明，施加的阶跃电流值控制在24-30uA左右时，既保证了极化电位在线性区范围内，又减小了响应电位的误差。本系统结构体积小，使用操作便捷，容量大，检测准确性好，实用性强，便于推广使用。

参考文献

[1]肖新华，刘华，陈先禄，等.接地网腐蚀和断点的诊断理论分析[J].重庆大学学报，2001，24（3）：72-75.

[2]Zeng Rong，He Jinliang，Zou Jun，et al.Novel method of corrosion diagnosis for grounding grid[C].Conference Record of the IEEE 37th IAS Annual Meeting-Industry Applications Conference，Beijing，2002：1120-1126.

[3]吴向东.500kV输电线路接地网腐蚀分析及防护措施[J].腐蚀与防护，2002，23（12）：545-547.

[4]宋诗哲.腐蚀电化学研究方法[M].北京：化学工业出版社，1988.