接地网腐蚀的电化学在线监测技术

刘志峰 廖建平 徐永烨 高 帆 陈宇飞 呙 锴

（超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663）

0 引言

接地网是保障电力系统安全可靠运行、电气设备与人身安全的重要设施[1-3]，但接地网在土壤环境中易发生腐蚀，严重时的腐蚀速率可达到8mm/a，严重威胁电网的安全稳定运行[4]。由于土壤介质的多相性、不均匀性等特点，以及土壤中微生物的存在，导致接地网腐蚀研究异常复杂。目前，现场一般通过测量接地电阻与开挖检查相结合的方式来评估接地网的腐蚀情况，这种方法效率低、速度慢[5,6]，部分学者基于电磁感应、电网络等电学理论开发了些接地网腐蚀诊断技术，但因为电磁环境不好控制、地网拓扑结构图不好构建等原因均被限制了发展。

接地网在土壤介质中的电化学腐蚀情况是不可避免，其腐蚀状态可以用电化学特征参数来表现[4,7]。电化学测量技术可实现对金属腐蚀的原位、无损、实时监测的过程，能发现接地网严重腐蚀的区域段，在事故发生前，对电化学的特征参数进行分析后，能预测未遂事故的发生[8-11]。随着电网规模的逐步发展，老旧变电站数量越来越多，接地网腐蚀将逐渐暴露出来，同时，伴随着新型电力系统的深入研究与建设，电网数字化势不可挡，因此，对传统接地网腐蚀监测技术开展智能化、数字化方面的研究大有必要。

1 接地网腐蚀机理

土壤是一个由气、液、固三相物质构成的多介质胶体，颗粒间充满空气、水分和各种盐类等物质，同时还存在若干土壤微生物和杂散电流，因此，接地网腐蚀一般分为电化学腐蚀、微生物腐蚀和杂散电流腐蚀三类[12]。

1.1 电化学腐蚀

电化学腐蚀是指由于土壤的组成、结构及其性质都不均一，各区域接地材料的电极电位存在差异，进而形成了腐蚀原电池结构而发生腐蚀的一种腐蚀形式[13-15]，这是接地网腐蚀的主要形式，又可细分为宏电池腐蚀和微电池腐蚀两种。宏电池腐蚀指的是不同区域接地材料电位差引发的电化学腐蚀形式，如由土壤含盐量不同造成的盐浓差宏电池腐蚀，氧浓度差造成的氧浓差宏电池腐蚀[16]等。此外，当电偶序不同的金属[17]焊接在一起并埋于同一土壤层时，虽然所处电解质环境相同，同样会导致宏电池腐蚀，最常见于新旧接地网改造工程，这是因为新接地材料表面通常会有镀锌工艺。微电池腐蚀是指同一区域金属表面形态不均匀而产生的一种腐蚀形式，也较为普遍。一般来说，接地网电化学腐蚀是宏电池和微电池共同作用的结果，其腐蚀机理如下：

在酸性土壤中：

中碱性土壤中：

氢氧化亚铁可进一步氧化：

1.2 微生物腐蚀

微生物腐蚀[13]是指土壤中微生物间接参与腐蚀过程的一种腐蚀形式。微生物本身对接地网腐蚀无影响，但其代谢产物（如有机酸）却含有很强的侵蚀性，通常来说，其多发生在沼泽地带和有机质含量较高的区域中，以SRB为例，其参与的腐蚀过程表现如下：

1.3 杂散电流腐蚀

杂散电流是指因土壤中杂乱无章电流而发生腐蚀的一种腐蚀形式。以换流站为例，换流站通常分为直流侧和交流侧，不同侧设备的入地电流性质可能存在差异，因而，杂散电流又分为直流杂散电流和交流杂散电流两类，主要来源于直流电接地极、地下电缆、有轨电车等。杂散电流加速接地网腐蚀过程，其中电流流入端发生阴极保护作用，而电流流出端遭受更为剧烈的阳极腐蚀。交流电流的腐蚀机理比直流电流复杂，但一般认为在同样的电流条件下，交流腐蚀要比直流腐蚀小得多[18]。

2 电化学在线监测技术的应用现状

电化学腐蚀是接地网腐蚀的主要形式，因此对接地网腐蚀进行电化学在线监测是切实可行的。电化学测试技术是一种原位测量技术，通过对工作电极表面状态进行连续监测，可获得金属的瞬时腐蚀信息，是一种高还原度、高效、高灵敏度的测量技术[19-21]。目前，运用于接地网腐蚀上的电化学在线监测技术主要有线性极化技术、充电曲线技术、交流阻抗技术等。

2.1 线性极化技术

线性极化技术是一种常用的电化学测试技术，指的是当对测试体系施加微小扰动后，腐蚀电位附近区域的极化电流和电位会呈现线性关系的现象，极化曲线的斜率能间接反映金属的腐蚀速率。寄玉玉等[22]设计开发了一套基于线性极化技术的接地网腐蚀状态检测装置，主要由Cu/CuSO4电极、石墨电极、碳钢电极和CMB-2510A腐蚀速度测量仪组成，同时自制简易限流探头控制限流面积，具备较好的实践效果。

2.2 充电曲线技术

充电曲线技术是一种暂态测试技术，主要分为恒电流充电曲线技术和恒电位充电曲线技术，研究[23]表明：在土壤电阻较高或者现场干扰较小的情况下适合用恒电流充电曲线技术，而在土壤电阻较低或者现场干扰较大的情况下更适合用恒电位充电曲线技术。

2.2.1 恒电流充电曲线技术

恒电流充电曲线法[24]操作简单快捷，指的是当对测试体系施加恒电流阶跃扰动后，通过采集相应的电位响应信号，滤波处理获取恒电流充电曲线，解析曲线得到极化电阻来判断接地网的腐蚀情况。韩磊[25]基于恒电流充电曲线技术研究开发了成套的便携式电化学检测系统，系统采用小孔限流型探头限流，并开发了恒电流阶跃测试相应的数据处理程序，通过小波变换滤波和L-M拟合充电曲线，能迅速得到极化阻力等电化学参数，系统在盘山发电厂变电站，安定500kV变电站和高井热电厂升压站应用，效果令人满意。

2.2.2 恒电位充电曲线技术

恒电位充电曲线技术抗干扰能力强，指的是通过控制电位恒定的方式采集极化电流信号的过程，曲线解析后能快速获得腐蚀信息，进而对接地网腐蚀状态进行有效评估。王鑫[23]基于恒电位阶跃法得到恒电位充电曲线，结合Kohonen神经网络对接地网不同腐蚀状态进行判断，测评效果良好，试验表明恒电位充电曲线技术是一种可靠的腐蚀评估手段。

2.3 交流阻抗技术

交流阻抗技术[26]是一种交流信号测量技术，评估的是测试体系对于小幅度交流信号扰动的反应情况，通过交流阻抗谱图的解析，能获取与电极表面状态相关的电化学参数。郝晋堂等[27]研究开发了一套变电站接地网腐蚀监测系统，其中包括一套嵌入三电极体系的腐蚀监测传感器，与功率放大器、电流约束电路和主极化电路相配合，具备极强的抗干扰能力，测试结果令人满意。

2.4 恒电量技术

恒电量技术[28,29]是一种暂态测量技术，测试的是电位衰减变化过程，评估了体系在恒电量激励下的张弛，通过建立恒电量微扰模型分析获得电化学参数，以测定金属的腐蚀速率。黄小琼[13]基于恒电量技术，提出利用极化衰减曲线的拟合参数来评价地网材料腐蚀状态的方法，并通过拟合得出的极化参数、衰减时间常数和平衡常数三个参量，有效的评估了接地网表面的腐蚀状态。

2.5 电化学噪声技术

电化学噪声技术[30]是一种原位检测技术，监测的是测试体系内电化学参量随机非平衡波动的过程，电化学噪声又分为电位噪声和电流噪声，通过对噪音谱的解析能有效模拟腐蚀过程。陈伟健等[31]选用了一套电化学噪声监测系统，利用电位/电流（E/I）噪声图、点蚀指数、表面不稳定指数噪声图来评估变电站接地网土壤腐蚀状况，发现电化学噪声监测系统对土壤腐蚀环境的变化反应灵敏，根据所测定的实时腐蚀数据，结合电极的形貌分析结果来判断腐蚀趋势，为变电站的安全运行提供了有力支撑。

3 结语

目前，基于电化学测量技术已经开发了多套接地网腐蚀在线监测装置及系统，且有成功运用到工程上的案例，限流电化学传感器、滤波元件等元件的研发让电化学在线监测技术在接地网腐蚀监测领域有了更为广阔的发展前景，但仍然没有一项电化学在线监测技术被纳入接地网腐蚀诊断的技术导则，主要是因为复杂的环境容易导致电化学响应及特征参数的波动，因此，还需一定程度的基础研究工作来支撑，为电化学在线监测技术的大规模现场应用提供依据。

总之，电化学在线监测技术在接地网金属腐蚀监测应用中具有重要意义，在大力发展新型电力系统和智能电网的背景下，电化学在线监测技术在接地网金属腐蚀监测领域中将可能焕发新的生命力，未来有望建立以电化学测量技术为主的新的评估体系，以保障接地网的安全稳定。