孫洪博， 彭敏放， 黃 歡， 高永沖， 吳育毅

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

接地網(wǎng)廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的發(fā)變電站內(nèi)，是保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要措施[1]。由于國(guó)內(nèi)銅資源的相對(duì)匱乏，大部分已經(jīng)投入使用的接地網(wǎng)均是以鍍銅鋼或鍍鋅鋼為材料制成，其經(jīng)濟(jì)性好，但是耐腐蝕程度卻相對(duì)較差，在土壤中的腐蝕速度相對(duì)較快，很有可能導(dǎo)致接地網(wǎng)的橫截面積縮小甚至斷裂，從而造成電力故障。目前,檢測(cè)接地網(wǎng)腐蝕最主要的手段仍是局部開(kāi)挖，為此，國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)都已經(jīng)開(kāi)展了檢測(cè)接地網(wǎng)腐蝕的相關(guān)研究。到目前為止有三種方法在此方面取得了成果[2]，即電化學(xué)方法[3,4]、電磁場(chǎng)方法[5]和電網(wǎng)絡(luò)法[6,7]。

文獻(xiàn)[8]利用虛擬儀器控制恒電位檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，但該系統(tǒng)需要測(cè)量大量數(shù)據(jù)，增加了測(cè)量成本；文獻(xiàn)[9]采用了電磁場(chǎng)方法進(jìn)行檢測(cè)，但由于變電站所處環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，存在很多磁場(chǎng)干擾，因此檢測(cè)結(jié)果會(huì)存在較大誤差；文獻(xiàn)[10]采用了激勵(lì)源的檢測(cè)方式，加入了阻抗變換器，降低了磁場(chǎng)干擾，但是該系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)少，所得結(jié)果可能會(huì)存在偶然誤差，從而降低了測(cè)量精度。

目前市面上投入使用的儀器為恒電位儀，通過(guò)測(cè)量自然腐蝕電位、極化電流，并依據(jù)接地電阻的大小來(lái)反映腐蝕情況。但其沒(méi)有內(nèi)部電源供電，對(duì)于不能接電的偏遠(yuǎn)輸電線路的接地網(wǎng)是無(wú)法檢測(cè)的，并且該儀器測(cè)量時(shí)，接地電阻需要人為計(jì)算，可能存在人為誤差，無(wú)法準(zhǔn)確地反映接地網(wǎng)的腐蝕情況。因此，開(kāi)發(fā)一種可以自主供電并且同時(shí)檢測(cè)接地電阻、腐蝕速率和腐蝕深度的裝置是十分必要的。

本文提出了基于STC8A8K單片機(jī)的接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)裝置，并通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的多次測(cè)量，證明了本裝置的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

1 檢測(cè)原理與算法

在腐蝕位置的附近，其極化電位與極化電流存在著線性規(guī)律。據(jù)此可以推導(dǎo)出在腐蝕電位相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)的附近區(qū)間,Δφ/ΔI(Δφ≤10 mV)和腐蝕電流is之間存在著如下關(guān)系

(1)

式中ba為陽(yáng)極塔菲爾常數(shù),bk為陰極塔菲爾常數(shù)，is為自然腐蝕電流，Δφ/ΔI為極化阻力。

極化阻力可以測(cè)量，而ba,bk也可以用電化學(xué)法進(jìn)行測(cè)量，由此便可算出電流is，從而根據(jù)法拉第定律推導(dǎo)出腐蝕速率v(g/m2h)。其等效電路模型圖如圖1所示[11,12]。

圖1 恒電位測(cè)量等效電路

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，Cd完成充電，此時(shí)圖1等效轉(zhuǎn)換為圖2。

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)等效電路

由此可以算出極化電阻Rp為

(2)

通過(guò)求出Rp，電流腐蝕密度便可求得，從而便算出腐蝕速率v(g/m2h)和腐蝕深度d(mm)

(3)

式中M(g/mol)為摩爾質(zhì)量，Z為金屬的原子量

(4)

式中ρ(g/cm3)為金屬密度。

最后對(duì)d進(jìn)行積分，便可求出年腐蝕深度，從而判斷接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)。

2 接地裝置硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器單元

系統(tǒng)采用三電極傳感器[13]作為測(cè)量單位，其三極分別為參考電極、輔助電極和研究電極，此三極均采用與接地電極相同的材料打造，中心向?qū)γ媪糇餮芯渴褂?，其余面均由環(huán)氧樹(shù)脂密封，并通過(guò)有機(jī)材料將三電極固定，由三電極的中心向外引出導(dǎo)線，作為與檢測(cè)裝置相連接的部分。

2.2 檢測(cè)裝置單元

檢測(cè)箱單元以STC8A8K單片機(jī)為核心部分，包含信號(hào)采集模塊，信號(hào)放大模塊及電源模塊等。除此之外，還增添了并行擴(kuò)展總線和串行擴(kuò)展總線，增加了外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)裝置單元結(jié)構(gòu)

1)信號(hào)采集模塊:分為電阻、電壓、電流測(cè)量模塊。在測(cè)量過(guò)程中。這三種電路由模擬開(kāi)關(guān)控制接入和斷開(kāi)，保證每一種測(cè)量獨(dú)立運(yùn)行，保障測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。電阻模塊由運(yùn)算放大器組成，并由模擬開(kāi)關(guān)選擇參考電阻量程，此模塊可測(cè)量最大電阻值為6 MΩ；電流模塊的輸入電壓由單片機(jī)控制PWM電路產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后，使輸入電壓進(jìn)入精密電阻，根據(jù)精密電阻前后電壓差得出電流值；電壓模塊由差分放大器組成，在系統(tǒng)不施加電壓的情況下，由差分放大器將參考電極和研究電極之間的電壓差值放大，得到自然腐蝕電位。2)信號(hào)放大模塊：是將信號(hào)采集模塊中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理，使每一個(gè)數(shù)據(jù)都能達(dá)到單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)量級(jí)，以防止檢測(cè)數(shù)據(jù)的丟失。3)電源模塊：分為內(nèi)部供電和外部供電。外部供電的輸入電壓為220 V的AC，經(jīng)過(guò)電源模塊的處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)椤? V及±12 V電壓為整個(gè)系統(tǒng)供電；內(nèi)電源為12 V的蓄電池，其作用為保證在外部無(wú)法供電的場(chǎng)所該裝置仍可以正常工作。

本系統(tǒng)的上位機(jī)采用的是安卓板，主要功能是信息的查詢與指令的下發(fā)。通過(guò)上位機(jī)輸入命令，傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信功能；同時(shí)安卓板將單片機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示以反映接地網(wǎng)的腐蝕狀況。將檢測(cè)裝置單元與傳感器單元相連接，如圖4所示。

圖4 硬件電路整體結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)分為A/D，D/A轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、信號(hào)傳輸模塊等，主要功能為接收上位機(jī)傳輸命令并進(jìn)行響應(yīng)與處理，測(cè)量上位機(jī)所需數(shù)據(jù)并傳送給上位機(jī)。

1)通信模塊：接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，并根據(jù)單片機(jī)的工作狀態(tài)給上位機(jī)回復(fù)，即準(zhǔn)備就緒或系統(tǒng)繁忙，在準(zhǔn)備就緒情況下，上位機(jī)可以發(fā)出測(cè)量命令使單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，當(dāng)系統(tǒng)繁忙時(shí)，表示現(xiàn)在不能開(kāi)啟測(cè)量工作，請(qǐng)稍后再發(fā)送命令。2)信號(hào)傳輸模塊：在測(cè)量過(guò)程中，如果上位機(jī)發(fā)送查詢命令，單片機(jī)會(huì)回應(yīng)正在測(cè)量電壓、電流或電阻，使測(cè)量人員了解到裝置的工作狀態(tài)。當(dāng)裝置采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，上位機(jī)發(fā)送查詢命令，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。3)A/D，D/A處理模塊：A/D模塊保證測(cè)量數(shù)據(jù)以正確形式傳送給單片機(jī)，使單片機(jī)得到正確的測(cè)量結(jié)果并發(fā)送給上位機(jī)；D/A模塊保證輸送給整個(gè)硬件電路的電壓值準(zhǔn)確且安全，既能滿足電路需要，又不會(huì)因電壓過(guò)大而燒毀電路。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括命令控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、人機(jī)交互以及通信等七部分，其主要工作是將單片機(jī)所采集數(shù)據(jù)完整的接收并利用檢測(cè)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而將腐蝕速率、腐蝕深度、年平均腐蝕深度等數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕狀況的分析功能。

1)命令控制：包括電阻測(cè)量命令、電壓測(cè)量命令及電流測(cè)量命令、數(shù)據(jù)查詢命令、終端命令等，其作用是將具體測(cè)量命令或者查詢命令發(fā)送給單片機(jī)，使單片機(jī)開(kāi)始工作。2)數(shù)據(jù)處理部分：將單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并在線計(jì)算出極化電阻、腐蝕電流密度、腐蝕速率及年平均腐蝕深度等參數(shù)，從而對(duì)接地網(wǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行安全性評(píng)估。3)人機(jī)交互：主要包括顯示屏上的操作按鈕，通過(guò)這些按鈕可以完成人機(jī)對(duì)話功能，使顯示的信息更加直觀、易于收集與分析。在整個(gè)裝置的操作欄安裝了USB接口，方便將采集并處理之后的數(shù)據(jù)拷貝出來(lái)進(jìn)行存檔與備案，同時(shí)也安裝了單片機(jī)的編程下載串口，以方便對(duì)單片機(jī)內(nèi)部程序的更新與升級(jí)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)接地網(wǎng)傳感器優(yōu)選埋設(shè)方法，分別在變電站A和B各埋設(shè)了3只傳感器，并在埋設(shè)3個(gè)月后分別用本裝置、已經(jīng)投入市場(chǎng)的恒電位儀以及萬(wàn)用表對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試，將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得變電站A，B腐蝕速率與腐蝕深度如表1所示。

表1 變電站A，B測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

由檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，本裝置與萬(wàn)用表所測(cè)得真實(shí)數(shù)據(jù)的誤差最大值為4.49×10-3，最小值為7.7×10-4，恒電位儀與萬(wàn)用表所測(cè)得真實(shí)數(shù)據(jù)的誤差最大值為2.221×10-2，最小值為1.97×10-3，兩個(gè)檢測(cè)儀均滿足誤差要求，但是本裝置的誤差更小，精確度更高，可以較準(zhǔn)確的測(cè)量出腐蝕速率、腐蝕深度，較好地反映接地網(wǎng)的腐蝕狀況，準(zhǔn)確可信。同時(shí)，由于本裝置配備了蓄電池，在變電站內(nèi)測(cè)量時(shí)不需要外接輸電線，減少了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工作量，彌補(bǔ)了恒電位儀不能自主供電的缺點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)桿塔等較為偏僻不易接電的地點(diǎn)增添了蓄電池供電模式，即內(nèi)外雙供電系統(tǒng)，使接地網(wǎng)儀器檢測(cè)不再存在死角，更好地預(yù)防事故的發(fā)生。使用STC8A8K單片機(jī)作為核心控制單元，精確度高、速度快。本文裝置可以自動(dòng)處理測(cè)量好的數(shù)據(jù)得到最終參數(shù)，不再需要人為計(jì)算，出現(xiàn)誤差的幾率大大降低，使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更高。