基于云平台的接地网腐蚀状态监测系统的研究

沈中信+姜涛+韩丹丹

摘 要：接地网具有为电气设备提供公共电位参考地和保护电气设备的作用，当短路和雷击发生时，接地网能迅速引流冲击电流，使站内的地电位升降低，从而保护整个电力系统。由于腐蚀的发生，使得接地网截面减小，当有大的故障电流通过时，会使接地网造成熔断，从而故障电流不能顺利引流到大地，使得地电位升高，出现“反击”现象，造成二次设备和低压系统故障和损坏变压器等，引起安全事故，造成经济损失。为了确保接地网发挥正常的作用，就需要检测接地网的腐蚀状态，以求在接地网的接地性能下降到无法正常使用之前进行及时的维修和更换，以避免事故的发生。文章设计了一种基于云平台的接地网腐蚀状态监测系统，将电化学技术、自动检测技术及云计算技术等相结合，实现了接地网腐蚀的远程监测。该系统可以随时随地利用互联网将电化学腐蚀状态采集仪采集到的数据送至云平台，相关人员可以通过移动终端接入到监测系统，远程对接地网的腐蚀状态进行监测。

关键词：接地网；云平台；电化学技术；腐蚀状态；远程监测；移动终端

1 概述

由于腐蚀导致的接地网金属导体侵蚀或者断裂，使得其接地电阻变大，电气性能变差，接地保护功能丧失。在设计建造接地网的过程中，相关人员也采取各种有效措施来限制接地网腐蚀的发生，但是采取各种有效措施也不能预见接地网因腐蚀导致的意外故障，从而影响整个电力系统的安全运行[1]。在实际接地网腐蚀程度检测中，常根据一个地区的土壤腐蚀率粗略的来判断，然后挖开部分区域的接地网进行实际检查。这种接地网腐蚀检测手段原始单一、自动化水平低、而且耗费时间人力、具有一定的盲目性，而且无法检测整个变电站接地网的腐蚀情况。

由于接地网深埋地下，接地网导体会发生土壤腐蚀。腐蚀速率反映腐蚀发生的快慢，土壤的电阻率与土壤的腐蚀速率存在着一定关系，所以可以用土壤的电阻率来衡量腐蚀发生的程度。土壤电阻率与湿度及土壤中各种化学成份有关，电阻率越大，其腐蚀性就越小。金属会发生多种类的腐蚀，化学腐蚀和电化学腐蚀是金属腐蚀的最常见形式[2]，而且在大多数情况下，这两种腐蚀都是并存的发生，但以电化学腐蚀为主要形式，包括接地网腐蚀在内，电化学腐蚀也是其主要形式。故可用电化学腐蚀检测技术来检测接地网腐蚀状态，借助电化学特征参量来描述腐蚀状态[3]。电化学腐蚀检测技术具有比其他检测技术测试速度快、灵敏度高的优点，经常应用于金属腐蚀的检测中。线性极化法[4]作为电化学检测腐蚀速率的最为常用的方法之一，具有实施简单、快速方便的特点，在腐蚀检测领域得到广泛应用。将线性极化技术应用在变电站接地网的腐蚀检测中，可以准确快速的测定接地网的腐蚀速率，响应时间短，测量精度高。

云计算[5]作为当前正在兴起的数据存储处理计算模式，正发展成为一种全新的商业模型。其已经成为企业在信息领域应用的必不可少的环节。云平台运用虚拟化的计算资源为用户提供服务平台，用户可根据自身需要获得相应计算力、存储数据和软件功能。作为并行计算、分布式计算和网格计算发展的聚合体，云计算提供了崭新的数据处理模式，整合海量数据，可靠性高，为用户提供方便快捷、切实有效的分析功能，极大的提高了企业工厂的工作效率。将云平台和接地网腐蚀监测系统对接，实现了一种全新的接地网腐蚀监测系统，在该系统中，通过电化学状态传感器三电极体系测得接地网的腐蚀速率、腐蚀深度，然后将该信息传送至云平台，经过云计算进行科学、全面综合的分析，掌握接地网的运行状况，同时对接地网的寿命进行预测，从而及时对接地网进行维修和更换。这种基于云平台的接地网腐蚀状态监测系统很大程度上实现了检测系统的自动化、数字化程度，能够及时避免因接地故障而导致的安全事故，因此该系统具有很强的应用价值。

2 接地网腐蚀状态检测单元

2.1 线性极化法

线性极化法是快速测定金属瞬时腐蚀速率的电化学腐蚀检测方法之一。其原理是：对处于自腐蚀状态的金属电极施加电位 进行阴极极化时，电极电位将发生负移，根据金属腐蚀动力学原理，此时的阴极极化电流ik为：

将式（1）中以级数形式展开，因为过电位Δ？渍很小且小于10mV，可将级数中的高次项忽略，可得：

进一步变换，可得：

由式（2）知，ik与Δφ成正比，既当Δφ<10mV时极化曲线为直线，直线的斜率为极化电阻Rp，即：

或者

其中，S为电极面积；I为电流强度。由式（2）和式（4）可得：

上式称为Stern-Geary公式。由式（6）可以得出，腐蚀电流icorr与极化电阻Rp成反比，因此一旦知道bk、bA和Rp的值后，便可求得腐蚀电流icorr。因为是在Δφ很小的情况下，过电位与极化电流成线性关系，极化电阻Rp为其直线的斜率，因此，该方法被称为线性极化法。

根据法拉第定律，将式（6）腐蚀电流icorr转化为腐蚀速率V和腐蚀深度d，有：

式（7）和式（8）中，v为腐蚀速度（g/m2·h）；d为年腐蚀深度（mm，a）；icorr为腐蚀电流密度（？滋？住/cm2）；M为金属的克原子量（g）；n为金属的原子价；F为法拉第常数；？籽为金属密度（g/cm3）。

2.2 三電极状态传感器

三电极测量体系是接地网腐蚀检测系统的状态传感器，该传感器由研究电极、辅助电极和参比电极组成。三个电极之间等间距固定且上端引出导线用于施加电位进行极化反应，三种电极在电化学腐蚀检测体系中发挥不同的作用，其状态结构示意如图1所示。

（1）研究电极

所谓研究电极，是指研究的是该电极上发生的电化学极化反应。对研究电极的要求是该电极上发生的电化学反应不会受电极自身反应的影响，反应接触也面积不宜太大。各种能导电的材料均能用作电极，可以是固体也可以是液体。通常根据研究测试的性质及内容来预先确定电极材料。国内的接地网金属一般用Q235碳钢。

（2）参比电极

参比电极作为不极化电极，电极上基本没有电流通过，其电动势是已知的。该电极主要作为一个参照来测定研究电极的电势。

（3）辅助电极

在极化反应的过程中，辅助电极的作用是与研究电极形成回路，使研究电极上的电流顺利畅通，以保证电化学反应的发生。为了避免与电解质发生化学反应，对辅助电极的结构和材料有一定的要求，辅助电极要有较大的表面积且自身电阻要小，不宜被极化，其通常由惰性材料制成，耐蚀性的金属合金、铂或者石墨都可以作为辅助电极。本文中所介绍的辅助电极采用石墨作为辅助电极。

2.3 三电极传感器等效模型

三电极传感器深埋土壤层且未被极化时，设研参考、研辅、辅参三个电极之间土壤的等效电阻分别为Rs1、Rs2、Rs3，等效电路模型如图2所示。

实际所测得的参研、辅研及参辅电极之间的电阻值为m，n，s，则根据电组的Y型连接与Δ型等效变化可得：

由此式便可得Rs1，Ra2和Ra3。

将参研电极间的自然腐蚀电位Ecorr做为基准，且在辅研电极之间施加阶跃电位E，？子为阶跃信号持续的时间， ？驻E为研参电极之间电位的变化值，如图3所示。

此外，在辅研电极之间所加的阶跃信号应满足以下条件：

当电极之间施加小于10mv的小幅值过电位，且持续时间很短时，此时电极表面电化学反应很快，电极表面反应物浓度接近于零，电极表面相当于一个漏电的电容器，等效于一个电容和电阻的并联，如图4所示。

根据线性极化理论，结合图3和图4可得三电极状态传感器系统极化时的等效电路如图5。其中，ΔE为极化电位，即研究电极与参考电极之间的电位改变值；i，i1，i2，ic和ip为相应的支路电流；u为双层电容上的充电电压。

2.4 硬件的选择与设计

系统的硬件部分主要有以下四部分构成：在辅助电极与研究电极之间施加极化激励信号的0-100uA阶跃电流信号模块；采集参比电极和研究电极之间激励响应的独立双积分电压数据采集模块；为装置各模块供电的电源管理模块；对0-100uA阶跃电流信号控制、双积分数据采样信号进行分析所得到的土壤腐蚀速率的微处理器模快。

0-100uA阶跃电流信号模块依次由REF200标准用100uA电流镜像源、精密运算放大器OPA602、阶跃式电阻配比继电器控制模块构成；REF200用于产生100uA的基准电流源，精密运算放大器OPA602用于对REF200产生100uA电流信号进行放大或者缩小，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，如图6所示。双积分数据采样ICL7135模块用于测量参比电极与研究电极的自腐蚀电位以及在研究电极和辅助电极施加激励后采集参比电极与研究电极之间的响应信号，如图7。微处理器模块用于控制0-100uA阶跃电流信号的大小和采集双积分数据采样ICL7135模块的数据，如图8；并以此数据来分析计算出土壤的腐蚀速率后传送至上位机显示监测站。

激励与检测模块由控制模块控制，微处理器模块的输入端接入用于采集双积分电压数据模块的输出电压信号，微处理器模块的输入端接用于控制0-100uA阶跃电流信号输出大小的模块。检测时ICL7135双积分电压数据采集模块用于采集参比电极与研究电极之间的电位差V，并在0-100uA电流激励未加入研究电极与辅助电极之间的时候，记录参比电极与研究电极之间的自腐蚀电位V0。然后，0-100uA阶跃电流激励施加阶跃信号，每隔30s由微处理器模块控制继电器模块使得输出电流阶跃式由小到大变为I1=20uA、I2=24uA、I3=30uA、I4=36uA、I5=39uA、I6=47uA、I7=51u、I8=56uA、I9=62uA、I10=68uA、I11=75uA，并通过ICL7135双积分电压采集模块记录其相应的响应V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11。

由控制模块将每次阶跃激励时，检测的电压值传送至上位机，微处理器模块将阶跃式激励电流作为X轴，双积分采集电路所采集电压响应作为Y轴，拟合出其关系曲线，并在所拟合的曲线上找出线性程度最优处，以该最优处所在的坐标（I、U）得极化电阻RP=U/I，由极化电阻RP可求出腐蚀电流密度Icorr=25/Rp，由腐蚀电流Icorr可得出土壤年腐蚀速率V=8.56？鄢10-3？鄢Icorr，进一步得出土壤年腐蚀深度为d=9.65？鄢10-3Icorr。

3 云平台的实现

微处理器模块控制部分将所计算出的土壤腐蚀速率通过GPRS模块传输至上位机，再由上位机经无线网络传送至云平台，即云监测系统。

云监测系统主要由位于监测现场前端的电化学腐蚀检测体系、位于云计算中心的后端测试服务软件系统和工作人员手中的移动终端设备组成。通过互联网与云平台的对接，打破了以前只能进行小规模的监测、监测数据需通过专用网络传输到监控中心和工作人员需安装相应监测终端的繁琐过程，不受离线操作的限制，实现了大面积、大规模监测接地网腐蚀的情况。前端设备主要由在线腐蚀速率传感器和检测仪组成，前端设备采集到的腐蚀信息，通过网络的传輸，经服务器进行数据的接受与处理，然后再存入云端，进行云存储和云计算，并且通过WEB服务器进行数据的最后处理和公布。

基于云平台的接地网腐蚀状态监测平台的开发，可以让任何非专业人员通过专业的监控APP掌握接地网的运行情况。该平台基于纯HTML5技术和标准的工业总线技术，可以在包括平板电脑、手机及电脑在内的移动设备上应用。多比物联网云监控平台可以作为现有的SCADA系统，在无需改造现有系统的情况下可以提供很好的远程移动控制和维护功能。

在变电站运行监控中心能够远程实时监控接地网情况；当接地网的腐蚀程度达到一定程度或者出现故障时，及时发出报警信号，协助远程相关人员及时维修接地网；在有网络信号的情况下，通过移动终端设备实时监控接地网运行状态，及时获取报警信息；包括传统组态在内的所有功能在内，云平台完全可以实现，包括实时显示查询、历史数据记录、报警功能、趋势图、流程图及报表等。

4 结束语

本论文根据金属导体电化学腐蚀的特点，设计了一种新的接地网腐蚀电化学检测方法；提出了修正线性极化法，利用腐蚀电位与极化电位的关系来测定金属腐蚀速率的方案。利用网关技术，实现了现场检测仪数据经无线通讯技术传送到云端，实现了基于云平台的在线查询、历史数据和报警显示功能的监测平台。基于云平台的接地网腐蚀监测系统为接地网的定期检测提供了一种快速有效的手段，全面提高了接地网腐蚀状态检测的自动化水平和巡检工作效率、质量。

参考文献

[1]季诚，郝承磊，张秀丽，等.接地网腐蚀状态电化学检测传感器的研制[J].华北电力技术.

[2]赵志英.金属的电化学腐蚀与防护[J].内蒙古石油化工.

[3]杨滔.接地网腐蚀状态检测及其寿命预测[D].湖南大学，2011.

[4]王鑫.接地网腐蚀现场检测及化学镀镍防护技术[D].天津大学， 2011.

[5]赵俊华，文福栓，薛禹生，等.云计算：构建未来电力系统的核心计算平台[J].电力系统自动化，2010，34（15）.