王亞舟1,鄭智慧,嚴(yán)玉婷1,印希宇,滕 蕓,魯海亮

(1. 南方電網(wǎng)公司 深圳供電局，深圳 518000； 2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

電力系統(tǒng)中，因變電站接地網(wǎng)故障而引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，每次事故產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失約為數(shù)十萬(wàn)元至幾千萬(wàn)元，間接損失則更大[1-4]。腐蝕是接地網(wǎng)性能劣化的主要原因之一：腐蝕導(dǎo)致接地導(dǎo)體發(fā)生斷裂，改變接地網(wǎng)原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；腐蝕產(chǎn)物影響接地導(dǎo)體的散流能力，造成接地網(wǎng)性能劣化[5]。

目前，針對(duì)接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)，國(guó)內(nèi)常用方法有：電磁感應(yīng)方法[6-7]，即向接地網(wǎng)施加一定的電流激勵(lì)，然后檢測(cè)地表垂直導(dǎo)體方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，或地表電位分布，來(lái)確定斷點(diǎn)數(shù)目和位置，該方法可解決接地導(dǎo)體斷裂故障的定位問(wèn)題，但對(duì)于發(fā)生腐蝕尚未斷裂的導(dǎo)體，該方法的效果略遜；電網(wǎng)絡(luò)法[9-11]是通過(guò)可及節(jié)點(diǎn)向接地網(wǎng)注入一定的直流電流，通過(guò)另一可及節(jié)點(diǎn)抽取同樣大小的直流電流，測(cè)量可及節(jié)點(diǎn)之間電壓，求得各支路電阻值，其中電阻值異常大的支路即認(rèn)為是存在斷電的支路。但在實(shí)際情況下，因測(cè)量數(shù)據(jù)是微小的電壓，易受到接觸電阻和接地引下線電阻的影響，會(huì)造成一定誤差；電化學(xué)方法[12-16]應(yīng)用原理是由于導(dǎo)體段的極化過(guò)程與其自身的腐蝕狀態(tài)有關(guān)，因此求得接地導(dǎo)體的極化電阻即可判斷接地網(wǎng)的腐蝕程度，但電化學(xué)方法受試驗(yàn)條件限制，未能在工程中得到應(yīng)用和推廣。這三種檢測(cè)方法在工程中的應(yīng)用相對(duì)缺乏，按照中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司發(fā)布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(Q/CSG114002-2011)，需要按周期對(duì)變電站“選擇5～8點(diǎn)沿接地引下線開挖檢查，采用外觀檢查、取樣測(cè)試腐蝕率和腐蝕速率等量化指標(biāo)判斷變電站接地網(wǎng)的腐蝕情況”。但是接地網(wǎng)的開挖及取樣會(huì)破壞變電站的原有結(jié)構(gòu)，且部分變電站不滿足開挖條件。在開挖過(guò)程中可能會(huì)遺漏局部嚴(yán)重腐蝕的情況，同時(shí)受時(shí)間環(huán)境等條件的限制，無(wú)法及時(shí)掌握地網(wǎng)的腐蝕情況。

本工作針對(duì)變電站及輸電線路接地桿塔的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測(cè)現(xiàn)狀，提出“變電站及輸電線路接地桿塔的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法”，擬研制基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，將裝置預(yù)置于與地網(wǎng)導(dǎo)體相同的散流狀態(tài)及土壤環(huán)境中，若接地網(wǎng)的腐蝕到了預(yù)警程度，該裝置可以發(fā)出信號(hào)將信息反饋給站內(nèi)巡視人員，檢修人員進(jìn)行處理并利用該裝置監(jiān)測(cè)接地網(wǎng)的腐蝕情況。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置分為腐蝕單元、指示單元和連接單元三部分，并充有狀態(tài)指示物，裝置整體是呈中空密封狀態(tài)的。在接地網(wǎng)建設(shè)階段，該裝置與接地網(wǎng)導(dǎo)體一同埋入土壤中，腐蝕單元與接地導(dǎo)體都基于點(diǎn)腐蝕反應(yīng)，當(dāng)接地導(dǎo)體腐蝕深度等于腐蝕單元的厚度時(shí)，腐蝕單元被蝕穿。腐蝕單元蝕穿后，裝置由之前的密封狀態(tài)變成非密封狀態(tài)，此時(shí)檢測(cè)裝置的密封性即可判斷腐蝕單元的腐蝕狀態(tài)。設(shè)置不同厚度的腐蝕單元，對(duì)應(yīng)不同腐蝕深度的接地導(dǎo)體，可以實(shí)現(xiàn)地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

腐蝕單元內(nèi)填充氣體指示物，腐蝕單元蝕穿會(huì)造成內(nèi)部氣體外泄，密封裝置內(nèi)壓降低，指示單元顯示壓力表數(shù)值發(fā)生變化。指示單元指示腐蝕單元的腐蝕狀態(tài)，反映監(jiān)測(cè)裝置的腐蝕情況。由于該裝置與接地網(wǎng)導(dǎo)體同期埋入土壤中，故可以間接反映接地網(wǎng)的腐蝕情況,見圖1。

圖1 基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of grounding net corrosion monitoring based on embedded indicator unit

1.2 地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

1.2.1 腐蝕單元

腐蝕單元需要與接地導(dǎo)體具有一致的腐蝕狀態(tài)，包括腐蝕環(huán)境和腐蝕產(chǎn)物，所以腐蝕單元的材料采用接地導(dǎo)體材料。腐蝕單元為一個(gè)中空的金屬結(jié)構(gòu)，其被腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)厚度直接影響其被腐蝕穿透的時(shí)間長(zhǎng)短，也間接反映了接地網(wǎng)的腐蝕程度，因此，該厚度需要根據(jù)接地網(wǎng)的圓鋼腐蝕深度情況通過(guò)計(jì)算確定。建立兩者之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)分析接地網(wǎng)圓鋼在土壤中被腐蝕的特征，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的腐蝕單元厚度，并進(jìn)行驗(yàn)證方能確認(rèn)。

腐蝕單元的結(jié)構(gòu)形狀和接地導(dǎo)體具有一定的相似性，故確定腐蝕單元為一個(gè)中空的圓柱管，上端連接單元加厚處理，保證裝置連接處的耐蝕性高于腐蝕單元的，如圖2所示。根據(jù)某地網(wǎng)開挖檢查報(bào)告，圓鋼尺寸為φ22 mm，故取22 mm作為腐蝕單元的直徑。

圖2 腐蝕單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Structural design drawing of corrosion unit

預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置的可行性，可人為控制腐蝕單元的電流密度，為縮短試驗(yàn)時(shí)間，設(shè)計(jì)腐蝕單元中空?qǐng)A柱管壁高度140 mm，厚度加工為0.5 mm，初始質(zhì)量為345 g。

根據(jù)DL/T 1554-2016中《接地網(wǎng)土壤腐蝕評(píng)價(jià)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，土壤單指標(biāo)評(píng)價(jià)中評(píng)定金屬材料最大點(diǎn)蝕速率的指標(biāo)為點(diǎn)蝕坑深度，其測(cè)量應(yīng)符合如下要求： 對(duì)于成片的腐蝕坑，測(cè)量最深部位的深度，如圖3所示。

圖3 腐蝕坑深度的測(cè)量示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the measurement of corrosion pit depth

腐蝕坑相對(duì)深度應(yīng)按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：A為腐蝕坑相對(duì)深度；d為實(shí)測(cè)的腐蝕區(qū)域最大腐蝕坑深度，mm；t為試片公稱厚度，mm。

判斷主網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度的方法有直觀法(肉眼觀察腐蝕情況，拍照記錄)、取樣量直徑法、取樣失重法(相對(duì)失重法、自然失重法)和針孔法(以腐蝕深度反映腐蝕率)等，因目前我國(guó)尚未制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一般理論，結(jié)合實(shí)際，腐蝕程度標(biāo)準(zhǔn)如下：腐蝕率小于10%，為一般腐蝕；腐蝕率大于等于10%，小于15%，為嚴(yán)重腐蝕；腐蝕率大于等于15%，小于25%，為很嚴(yán)重腐蝕；腐蝕率大于等于25%，為非常嚴(yán)重腐蝕。

當(dāng)腐蝕單元與接地導(dǎo)體的服役環(huán)境相同時(shí)，采用不同厚度腐蝕單元，其蝕穿后可表征導(dǎo)體不同的腐蝕程度，如表1所示。

表1 腐蝕單元厚度地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度的相關(guān)性Tab. 1 Correlation between thickness of corrosion unit and corrosion degree of grounding conductor

1.2.2 指示單元

根據(jù)設(shè)計(jì)，裝置內(nèi)部的填充物是無(wú)腐蝕性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且受外部環(huán)境變化的影響較小的氣體，不會(huì)對(duì)腐蝕單元造成腐蝕。向裝置中充入一定量氮?dú)猓麄€(gè)裝置處于完全封閉的狀態(tài)，保證裝置內(nèi)氣體不會(huì)外泄。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)：當(dāng)裝置內(nèi)氣體處于平衡態(tài)時(shí)，氣體壓強(qiáng)與體積成反比；當(dāng)腐蝕單元蝕穿造成氣體外泄時(shí)，氣體體積增大，壓強(qiáng)則會(huì)隨之降低。由于不易發(fā)現(xiàn)氣體外泄，故連接壓力表用以指示裝置內(nèi)部由于氣體外泄造成的壓強(qiáng)減小。

裝置內(nèi)充入氣體的體積約為4.396×104mm3。

壓力真空表示數(shù)表示所測(cè)氣體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)的差值，向裝置內(nèi)通入氮?dú)?，?dāng)壓力真空表示數(shù)為0.1 MPa時(shí)，裝置內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)為0.2 MPa，壓力真空表的精度為0.01 MPa。當(dāng)裝置蝕穿氣體向外溢出時(shí)，壓力真空表示數(shù)降至0.09 MPa，根據(jù)理想氣體方程，此時(shí)氣體體積為4.628×104mm3。

綜上所述，氣體體積增加5.2%，壓力表示數(shù)降低0.01 MPa。因此，當(dāng)氣體有略微溢出時(shí)，壓力真空表示數(shù)會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，表明此時(shí)腐蝕單元已被蝕穿。

土壤溫度也會(huì)對(duì)指示單元產(chǎn)生影響，當(dāng)土壤溫度由30 ℃降至最低值-10 ℃時(shí)，裝置內(nèi)壓強(qiáng)由初始值0.2 MPa降至0.17 MPa。在溫度較低的季節(jié)，當(dāng)壓力表示數(shù)低于0.07 MPa時(shí)，判斷此時(shí)腐蝕單元已被蝕穿。

1.2.3 連接單元

裝置外部需要長(zhǎng)期處于腐蝕性土壤中，其各單元連接處的密封處理顯得尤為關(guān)鍵，若因?yàn)槊芊獠涣紝?dǎo)致裝置漏氣漏液，會(huì)引起指示單元誤報(bào)，使裝置失去監(jiān)測(cè)功能。

裝置的連接單元處于空氣和土壤兩種不同的環(huán)境，且工作環(huán)境惡劣，必須經(jīng)受溫度、濕度、酸堿度、應(yīng)力變化以及動(dòng)物啃咬等多重考驗(yàn)，所以，裝置的連接單元應(yīng)該具備良好的耐蝕性。增加連接單元處材料的厚度，以保證連接單元的耐蝕性高于腐蝕單元的。

普通鋼管有螺紋連接、法蘭連接、焊接連接、承插連接、管道黏合連接等連接方法。在加工連接單元處，選用螺紋連接方式，通過(guò)內(nèi)外螺紋將腐蝕單元與指示單元連接起來(lái)，外絲螺紋處采用聚四氟乙烯(生膠帶)纏繞。聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐熱性、耐老化性、耐腐蝕性，且自黏性和貼合性好，密封效果極佳，可保證腐蝕單元與指示單元接口處的密封性要求[17]。壓力表指示單元與閥門、閥門與進(jìn)氣口連接處采用卡套連接，旋緊螺母時(shí)，卡套受到壓力，使其刃部咬入管子外壁，卡套外錐面又在壓力下與接頭體內(nèi)錐面密合，因而能夠可靠地防止泄漏，可以保證其各單元連接處的密封性[17]。

1.3 整體結(jié)構(gòu)

基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)，見圖4；本工作設(shè)計(jì)制作的基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置見圖5。

圖4 地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)圖Fig. 4 Design drawing of monitoring device for grounding net corrosion

圖5 地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)物圖Fig. 5 Physical picture of grounding net corrosion state monitoring device

2 可行性試驗(yàn)

對(duì)自制地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，包括密封性試驗(yàn)、腐蝕單元的腐蝕特征試驗(yàn)以及腐蝕單元蝕穿時(shí)指示單元的動(dòng)作試驗(yàn)。

2.1 裝置密封性試驗(yàn)

向裝置中充入0.19 MPa氮?dú)?，將裝置放置在外部條件(溫度/壓力等環(huán)境因素)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，靜置30 min后，觀察到壓力表的示數(shù)無(wú)明顯變化，說(shuō)明裝置密封性較好，可對(duì)裝置進(jìn)行通流腐蝕試驗(yàn)。

2.2 腐蝕單元的腐蝕特征試驗(yàn)

在尺寸為20 cm×20 mm×30 mm的有機(jī)玻璃土壤箱內(nèi)填滿土壤，在高濕度高酸度環(huán)境中進(jìn)行腐蝕加速試驗(yàn)，其中土壤含水率為80%，pH=5。有機(jī)玻璃箱底部采用銅板作為回流極，在銅板邊角處焊接螺絲用作導(dǎo)線連接，將針式溫度計(jì)插入土壤深度約10 cm處，測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中土壤的溫度變化，將一毫安級(jí)電流表串聯(lián)在電路中，控制電路的電流恒定。向裝置內(nèi)填充0.1 MPa氮?dú)夂?，將碳鋼腐蝕單元埋設(shè)在土壤箱中，距離土壤箱底部銅板回流極2 cm，導(dǎo)線串接在腐蝕單元上端加厚部分的孔上。試驗(yàn)連接圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)連接圖Fig. 6 Test connection diagram

腐蝕單元頂端注入2 A直流電流，進(jìn)行通流腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)腐蝕單元通入電流，測(cè)量腐蝕單元與土壤箱底部銅板回流極之間的電壓，得到電壓平均值196.1 V，電流穩(wěn)定為2 A。

2.3 指示單元的動(dòng)作試驗(yàn)

以2 A直流電流持續(xù)通電，在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤箱內(nèi)土壤溫度從初始溫度24.7 ℃上升至100 ℃，壓力表的示數(shù)也由初始值0.1 MPa上升到0.14 MPa并保持穩(wěn)定，這表明裝置的密封性良好。通流試驗(yàn)進(jìn)行2.5 h時(shí)，壓力表示數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，判斷此時(shí)腐蝕單元已被蝕穿。斷開裝置回路電源，經(jīng)過(guò)19 min后，壓力表示數(shù)降至0，裝置內(nèi)外無(wú)壓差。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)壓力表示數(shù)降到0后，將裝置從土壤箱中取出，再向裝置內(nèi)充入0.1 MPa的氮?dú)猓瑢⒀b置置于清水中，可明顯觀察到腐蝕單元蝕穿部位在水中有大量氣泡溢出。計(jì)算得到腐蝕單元的腐蝕質(zhì)量損失為5 g，平均腐蝕失重率為1.45%。

3 仿真試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)裝置尺寸及參數(shù)建立對(duì)應(yīng)仿真模型，取測(cè)量電壓數(shù)據(jù)平均值196.1 V和電流數(shù)據(jù)平均值2.0 A作為仿真數(shù)據(jù)，在有限元仿真軟件中建立碳鋼腐蝕單元在土壤中的散流模型，如圖7所示。

注入2 A電流，底部采用銅板作為回流極，土壤參數(shù)采用2.2節(jié)中實(shí)際土壤的參數(shù)。計(jì)算裝置的電壓結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見：該仿真模型可較好地還原試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)，具有可靠性。

圖7 腐蝕單元的仿真模型示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the simulation model of the corrosion unit

由于裝置整體具有對(duì)稱性，取腐蝕單元XZ平面，以及在XZ平面中的左表面作為研究對(duì)象。設(shè)定圓柱腐蝕單元為電極反應(yīng)表面，其電流溢散流線、電流溢散密度大小、電極腐蝕速率仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 裝置電壓仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 8 Simulation results of device voltage

因?yàn)楦g單元的上端進(jìn)行了加厚處理，所以腐蝕單元表面電極腐蝕速率最大值取圖9中圓圈位置的計(jì)算值，為5.863×10-8m/s=0.211 mm/h。

2.3節(jié)中，裝置通入2 A直流電流2.55 h后，腐蝕單元被蝕穿，在此電流作用下，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算腐蝕速率為0.2 mm/h。由于試驗(yàn)中土壤環(huán)境較為復(fù)雜，沒有達(dá)到仿真計(jì)算模型中的均勻性，導(dǎo)致腐蝕單元蝕穿點(diǎn)與仿真中位置不一致。但在數(shù)值計(jì)算上，仿真計(jì)算得到腐蝕單元最大腐蝕速率與實(shí)際試驗(yàn)計(jì)算得到的腐蝕速率結(jié)果誤差約為5%，兩者結(jié)果吻合度較好。

(a) 腐蝕單元XZ截面在土壤箱中溢流密度流線 (b) 腐蝕單元左表面電流溢散密度(注：電流密度的符號(hào)代表方向) (c)腐蝕單元左表面電極腐蝕速率圖9 仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 9 Simulation results: (a) overflow density flow line of the corrosion unit XZ section in the soil box； (b) current density of the left surface of the corrosion unit. (Note: the symbol of current density represents the direction); (c) corrosion rate of the left surface electrode of the corrosion unit

4 結(jié)論

首次提出了變電站及輸電線路接地桿塔的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，研制了基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。利用一系列試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置功能的可行性，并結(jié)合仿真計(jì)算較為系統(tǒng)和全面地解決了裝置功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)腐蝕單元厚度為0.5 mm時(shí)，通流加速試驗(yàn)中，通電流為5 A時(shí)，腐蝕單元被蝕穿，失重量為5 g，表征腐蝕單元的腐蝕最大深度為0.5 mm,腐蝕單元的最大腐蝕率為4.5%，平均腐蝕失重率為1.45%。根據(jù)接地網(wǎng)導(dǎo)體的尺寸確定腐蝕單元的厚度，不同厚度腐蝕單元蝕穿可表征接地導(dǎo)體的不同腐蝕深度，實(shí)現(xiàn)接地導(dǎo)體腐蝕狀態(tài)和腐蝕單元的有機(jī)結(jié)合，為接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)評(píng)價(jià)和檢測(cè)檢修提供了新的解決方案和技術(shù)支持。

對(duì)基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，既保障了運(yùn)維人員以及變電站周邊人員的人身安全，又提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行可靠性。另外，對(duì)基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行最優(yōu)化布置，可解決檢測(cè)接地導(dǎo)體腐蝕難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)的全面監(jiān)測(cè)，避免因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)開挖數(shù)量有限，無(wú)法發(fā)現(xiàn)局部腐蝕情況的局限性，具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。