茆天宇， 何怡剛， 羅旗舞， 史露強(qiáng)， 高 鏡

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

變電站接地網(wǎng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施[1]。當(dāng)前，出于環(huán)境保護(hù)和成本考慮，我國(guó)普遍采用低碳鋼而不是銅網(wǎng)作為接地網(wǎng)材料，接地體在土壤中因腐蝕會(huì)導(dǎo)致截面積變小、接地電阻值增加，造成接地網(wǎng)壽命減短，嚴(yán)重時(shí)甚至危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2～4]。因此，對(duì)于接地網(wǎng)的腐蝕情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。當(dāng)前大多數(shù)對(duì)于接地網(wǎng)腐蝕的直接測(cè)量均依靠有線的方式進(jìn)行供電和通信，嚴(yán)重限制了腐蝕監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署。同時(shí)，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，需要一種抗干擾性能優(yōu)異的通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確傳輸。

本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線腐蝕傳感終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕狀況的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線腐蝕傳感器、中繼節(jié)點(diǎn)、后臺(tái)服務(wù)器和客戶(hù)終端組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)布設(shè)在變電站接地網(wǎng)的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，各個(gè)無(wú)線腐蝕傳感器采集到的電壓數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，再由中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)最終傳遞給后臺(tái)服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，再將處理后得到的腐蝕狀況數(shù)據(jù)傳送給各個(gè)客戶(hù)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)的云端化處理。

2 LoRa通信技術(shù)

LoRa技術(shù)采用線性跳頻脈沖系統(tǒng)(Chirp)，利用線性跳頻脈沖調(diào)制信號(hào)，擴(kuò)展通信信號(hào)頻譜帶寬，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信，并獲得較好的抗干擾性能[5,6]。

圖1 腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3 接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)定腐蝕速率的方法

1)開(kāi)路電位：工作電極(working electrode,WE)和參比電極(reference electrode,RE)之間的電勢(shì)差，給出了對(duì)于腐蝕可能性的一種估計(jì)，但并不提供關(guān)于實(shí)際腐蝕速率的信息。

2)線性極化：用于測(cè)量WE的瞬時(shí)腐蝕電流Icorr以及陽(yáng)極與陰極反應(yīng)的電化學(xué)方法。描述陽(yáng)極和陰極反應(yīng)的模型采用Butler-Volmer方程[7]

IT=Icorrexp[2.3(ET-EOC)/βa]-

Icorrexp[2.3(EOC-ET)/βc]

(1)

式中IT為在對(duì)電極(counter electrode,CE)和WE之間流動(dòng)的極化電流;ET為WE和RE之間的極化電位；EOC為開(kāi)路電位;βa和βc分別為陽(yáng)極和陰極反應(yīng)的Tafel常數(shù)。在線性極化測(cè)量中，極化電位ET在開(kāi)路電位EOC附近變化。在ET=EOC時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)均處于平衡狀態(tài)，此時(shí)極化電流IT= 0。通過(guò)計(jì)算斜率得到極化電阻值Rp與腐蝕速率。預(yù)測(cè)的腐蝕電流如圖2所示。

圖2 依據(jù)Butler-volmer方程預(yù)測(cè)的腐蝕電流

從圖2可以看出，在開(kāi)路電位附近，(ET-EOC)對(duì)IT曲線是接近線性的。ET=EOC時(shí)的曲線斜率定義為極化電阻值。由式(1)，ET=EOC處的曲線的斜率為

(2)

可以解出腐蝕電流

(3)

式中B為關(guān)于βa和βc的函數(shù)，可通過(guò)測(cè)量計(jì)算獲得[8,9]。最終計(jì)算獲得腐蝕電流Icorr。依據(jù)法拉第方程可以確定厚度減少的速率

(4)

3.2 腐蝕監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

如圖3，腐蝕測(cè)量電路使用三電極結(jié)構(gòu)，分別為CE， RE和WE[10]。具體測(cè)量方法如圖4所示。

圖3 腐蝕測(cè)量示意

圖4 腐蝕測(cè)量電路工作流程

4 無(wú)線腐蝕傳感監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

腐蝕監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)如圖5所示。系統(tǒng)中，供電模塊采用取能天線與太陽(yáng)能供電結(jié)合的方式，通過(guò)取能天線接收電網(wǎng)中的電磁波，對(duì)單片機(jī)(micro controller unit,MCU)模塊及腐蝕測(cè)量模塊供電。LoRa模塊通過(guò)電池組供電。MCU選用TI公司的MSP430F169低功耗芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)傳感電路工作的控制。LoRa芯片采用Semtech公司的SX1278，靈敏度可達(dá)148 dB，理論工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年。

圖5 無(wú)線腐蝕傳感終端模塊示意

5 無(wú)線終端測(cè)試

5.1 通信測(cè)試

將無(wú)線腐蝕傳感終端分別置于距離中繼節(jié)點(diǎn)不同距離的測(cè)試點(diǎn)，接收信號(hào)的強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)如表1所示。

表1 無(wú)線腐蝕傳感終端距離測(cè)試

5.2 腐蝕測(cè)試

WE由被測(cè)金屬制成，測(cè)試中使用A3鋼作為腐蝕樣本， RE采用飽和甘汞電極， CE采用鉑電極，測(cè)試樣本置于3.5 %的氯化鈉溶液中。使用HM—PS—100型電化學(xué)工作站在相同環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯g傳感終端可以對(duì)腐蝕趨勢(shì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確描述，對(duì)于準(zhǔn)確腐蝕評(píng)判具有指導(dǎo)作用。

表2 無(wú)線腐蝕傳感終端腐蝕測(cè)試

6 結(jié) 論

本文將腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)與LoRa技術(shù)相結(jié)合，并將其應(yīng)用于接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)中，可以作為接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要參考，能對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)時(shí)間觀察。同時(shí)憑借LoRa技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下的遠(yuǎn)距離抗干擾傳輸。監(jiān)測(cè)人員通過(guò)各種終端即可實(shí)時(shí)了解到接地網(wǎng)當(dāng)前腐蝕程度，對(duì)于判斷實(shí)際檢修位置具有重要的參考意義。