旦乙畫 張芮漩

摘要：接地裝置是保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行和人身安全的重要基礎(chǔ)。國內(nèi)接地裝置以碳鋼等易腐蝕金屬材料為主，隨著投運(yùn)時(shí)間增加，難以避免腐蝕斷裂等問題，容易引發(fā)接地裝置腐蝕導(dǎo)致的過電壓、跳閘等事故。因此，研究接地裝置腐蝕特性及其診斷技術(shù)能夠有效避免接地裝置腐蝕導(dǎo)致的電力事故，具有重大意義。文中從接地裝置腐蝕特性的角度出發(fā)，介紹了碳鋼接地材料的腐蝕機(jī)理、常用接地材料的腐蝕特性、土壤的腐蝕特性、電流對接地裝置腐蝕的影響；分析了接地裝置腐蝕防護(hù)措施的特點(diǎn)，對比了電化學(xué)腐蝕診斷方法、電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法、電磁場分析診斷方法3類典型接地裝置腐蝕診斷方法的優(yōu)缺點(diǎn)；根據(jù)接地裝置的實(shí)際腐蝕情況，總結(jié)了現(xiàn)有研究面臨的挑戰(zhàn)。建議下一步研究重點(diǎn)圍繞解決不同接地材料之間的腐蝕研究、新型耐腐蝕接地材料研究、接地裝置實(shí)際腐蝕程度量化、接地裝置潛在腐蝕故障診斷、接地引下線腐蝕故障快速診斷等關(guān)鍵問題展開，為準(zhǔn)確診斷接地裝置的實(shí)際腐蝕程度、避免接地腐蝕故障導(dǎo)致的電力事故奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：接地裝置；腐蝕特性；腐蝕防護(hù)措施；腐蝕診斷方法；實(shí)際腐蝕程度

中圖分類號：TU856? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1000-582X（2023）11-026-16

Corrosion characteristics and diagnosis technologies of grounding devices in power systems

DAN Yihua1， ZHANG Ruixuan2

（1. Department of Electronic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， P. R. China; 2. State Grid Chongqing Electric Power Corporation Economic and Technical Research Institute，?Chongqing 401121， P. R. China）

Abstract： Grounding devices serve as essential foundations to ensure the safe and stable operation of power equipment and personal safety. Typically constructed with corrosive metal materials like carbon steel， domestic grounding devices are prone to issues such as corrosion fractures over time， leading to potential overvoltage and tripping accidents. Therefore， studying the corrosion characteristics and diagnosis technologies of these grounding devices becomes crucial in preventing power accidents caused by corrosion. From the perspective of the corrosion characteristics of grounding devices， in this paper， the corrosion mechanism of carbon steel grounding materials， corrosion characteristics of common grounding materials， soil corrosion characteristics， and effects of current on grounding device corrosion are reviewed. Various anti-corrosion measures for grounding devices are evaluated， and electrochemical corrosion diagnosis methods， electrical network diagnosis methods， and electromagnetic field analysis diagnosis methods are compared， with their pros and cons highlighted. Challenges faced by existing research in dealing with grounding device corrosion are summarized， and it is suggested that future studies focus on exploring corrosion interactions among different grounding materials， developing new corrosion-resistant grounding materials， quantifying actual corrosion levels in grounding devices， diagnosing potential corrosion faults， and swiftly identifying corrosion issues in ground lead conductors to prevent power accidents effectively.

Keywords： grounding devices; corrosion characteristics; anti-corrosion measures; corrosion diagnosis method; actual corrosion degree

接地裝置泛指變電站接地網(wǎng)、輸電桿塔接地極等接地金屬設(shè)施，是保證輸變電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)[1-3]。發(fā)生故障或雷擊時(shí)，接地裝置需將故障電流、雷擊電流等快速散入土壤中，保證接地點(diǎn)的電位在工程允許范圍內(nèi)，有效避免反擊過電壓等電力事故[4-5]。因此，接地裝置的運(yùn)行狀態(tài)長期受到運(yùn)維部門的高度重視。出于資源層面考慮，國內(nèi)的接地裝置以碳鋼等易腐蝕金屬材料為主[6]。碳鋼類接地裝置長期埋設(shè)在土壤中，容易發(fā)生腐蝕斷裂等問題，導(dǎo)致電力安全隱患。在碳達(dá)峰、碳中和、“十四五”的背景下，電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型對接地系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求[7-8]。研究電力系統(tǒng)接地裝置腐蝕特性及其診斷技術(shù)至關(guān)重要。

國外接地裝置大多采用銅材料，腐蝕情況并不嚴(yán)重。因此，接地裝置腐蝕相關(guān)研究以國內(nèi)為主[6，9]。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)學(xué)者在常用接地材料的腐蝕機(jī)理及腐蝕特性、土壤的腐蝕特性、接地裝置的腐蝕防護(hù)措施、接地裝置的腐蝕診斷方法等方面開展了大量研究。務(wù)孔永等[10]、李松等[11]、李揚(yáng)森等[12]和張國鋒等[13]研究了碳鋼、銅覆鋼、不銹鋼、石墨基柔性復(fù)合接地材料等在土壤中的腐蝕特性及接地性能。曹慶洲等[14]、高攀[15]和Zhang等[16]分析了直流電流、交流電流作用下接地極的腐蝕機(jī)理及形變規(guī)律，并研究了接地極腐蝕過程對接地參數(shù)的影響。張萬友等[17]和秦曉霞[18]分析了影響土壤腐蝕性的環(huán)境因素和土壤腐蝕性的評價(jià)方法，并將灰色理論、模糊聚類方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等應(yīng)用于土壤腐蝕性的評價(jià)過程中，提高了土壤腐蝕性評價(jià)的準(zhǔn)確度。陳坤漢[19]、曹阿林[20]和閆風(fēng)潔等[21]分析了陰極保護(hù)、膨潤土緩蝕劑、導(dǎo)電防腐涂料、雜散電流排流、導(dǎo)電水泥及瀝青等方式在接地裝置防腐方面的效果。上述腐蝕防護(hù)措施具有不同的特點(diǎn)，實(shí)際接地工程中需要針對具體情況選擇適合的腐蝕防護(hù)方案。向睿[22]和Zhang等[23]提出了基于相對接地電阻的桿塔接地極腐蝕診斷方法，有效消除了土壤電阻率對診斷結(jié)果的影響，具有良好的適應(yīng)性。梅道珺[24]和Zhang等[25]基于模糊數(shù)學(xué)提出了引下線斷裂的診斷方法、接地裝置腐蝕性綜合評估方法及腐蝕接地極的壽命預(yù)測方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出方法的有效性。針對大型接地網(wǎng)的腐蝕診斷問題，劉健等[26]、劉渝根等[27]、Yu等[28-29]提出了基于分層約簡模型的診斷方法、基于啟發(fā)式優(yōu)化算法的診斷方法和基于瞬變電磁法的診斷方法，上述方法在實(shí)際腐蝕診斷過程中取得了良好的測試結(jié)果。

整體而言，上述研究已為中國接地領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)，明晰了土壤中接地裝置的部分腐蝕機(jī)理，能夠?qū)崿F(xiàn)一些接地網(wǎng)腐蝕斷點(diǎn)的初步判斷。然而，接地裝置的實(shí)際腐蝕情況通常比現(xiàn)有研究中的近似等效更復(fù)雜，涉及電化學(xué)腐蝕機(jī)理、電磁場分析技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法等龐雜的內(nèi)容。為厘清接地裝置腐蝕研究的脈絡(luò)并分析現(xiàn)有研究面臨的挑戰(zhàn)，筆者重點(diǎn)從碳鋼接地材料的腐蝕機(jī)理、常用接地材料的腐蝕特性、土壤的腐蝕特性、電流對接地裝置腐蝕的影響等方面介紹接地裝置腐蝕特性的研究進(jìn)展，分析接地裝置腐蝕防護(hù)措施的特點(diǎn)，分析電化學(xué)腐蝕診斷方法、電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法、電磁場分析診斷方法3類典型接地裝置腐蝕診斷方法的研究現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有研究面臨的挑戰(zhàn)，并對下一步研究方向進(jìn)行展望。本文內(nèi)容可為未來接地裝置腐蝕相關(guān)研究提供方向，為發(fā)變電站、輸電線路的接地設(shè)計(jì)及接地相關(guān)的運(yùn)維部門提供技術(shù)支撐。

1 接地裝置腐蝕特性的研究進(jìn)展

接地裝置埋設(shè)在土壤環(huán)境中，其腐蝕主要受到接地裝置的材料、土壤腐蝕性、外加電流3方面的影響。

1.1 常用接地材料的腐蝕特性

接地材料的腐蝕特性指在土壤環(huán)境中接地材料自身腐蝕的主要特點(diǎn)。接地裝置常用材料主要分為金屬接地材料和非金屬接地材料兩大類。

1.1.1 碳鋼接地材料的腐蝕機(jī)理

接地裝置的腐蝕問題主要針對碳鋼等易腐蝕金屬接地材料。本節(jié)的分析主要以碳鋼為例。土壤中的水分覆蓋在碳鋼接地材料表面，形成微觀腐蝕電池，促進(jìn)局部腐蝕發(fā)生。針對碳鋼材料和土壤組成的腐蝕系統(tǒng)，碳鋼材料表面同時(shí)發(fā)生陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)。其中，陽極反應(yīng)為[15]

Fe→Fe^（2+）+2e。 （1）

陰極反應(yīng)分為2種情況：在氧氣充足區(qū)域，碳鋼材料表面的陰極（吸氧）反應(yīng)為

O_2+2H_2 O+4e→4OH^-； （2）

在缺氧或酸性環(huán)境下，碳鋼材料表面的陰極（析氫）反應(yīng)為

2H^++2e→H_2。 （3）

其中，H^+尺寸較小，容易滲入碳鋼材料腐蝕缺陷部位。式（3）表明，在缺氧或酸性環(huán)境下，大量滲入的H^+會在碳鋼材料腐蝕缺陷部位反應(yīng)生成H_2，并在H_2的聚集部位產(chǎn)生巨大的膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致氫脆，破壞碳鋼接地材料的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)式（1）～（3）可知，碳鋼接地材料表面的生成物會進(jìn)一步發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe^（2+）+2OH^-→Fe〖（OH）〗_2。 （4）

式中，F(xiàn)e〖（OH）〗_2并不穩(wěn)定，在潮濕的土壤中容易發(fā)生水解反應(yīng)：

4Fe〖（OH）〗_2+O_2+2H_2 O→4Fe〖（OH）〗_3； （5）

在較為干燥的土壤中，容易發(fā)生脫水反應(yīng)：

在缺氧的土壤中，F(xiàn)e2+容易聚集在碳鋼材料附近，發(fā)生如下反應(yīng)[16]：

8FeOOH+Fe^（2+）+2e→3Fe_3 O_4+4H_2 O。 （7）

綜上所述，不同土壤環(huán)境中碳鋼接地材料的腐蝕產(chǎn)物成分主要包括Fe_2 O_3、Fe_3 O_4、FeOOH。其中，F(xiàn)eOOH主要包括a-FeOOH和g-FeOOH[15]。

式（1）～（7）為無外加激勵(lì)作用下碳鋼接地材料的自然腐蝕機(jī)理。實(shí)際工程中，接地材料通常受到接地裝置中交流電流、直流電流和土壤中雜散電流的影響，上述電流的影響主要表現(xiàn)在對式（1）～（7）中化學(xué)反應(yīng)過程的促進(jìn)或抑制。各電流分量對接地材料腐蝕的影響在章節(jié)1.3進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1.2 金屬接地材料

接地裝置材料以金屬為主，不同金屬在土壤環(huán)境中的腐蝕機(jī)理及速率不同。金屬接地材料主要包括銅、碳鋼、鍍鋅鋼、鍍銅鋼、鋅包鋼等。

1） 銅材料。歐美國家的接地材料以銅為主。IEEE80-2013標(biāo)準(zhǔn)文件中關(guān)于接地設(shè)計(jì)中的材料選擇均以銅材料為主[9]。采用銅作為接地材料，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：a）導(dǎo)電性能好，純銅電阻率為17.5 nΩ·m，約為鋼電導(dǎo)率的8倍，能夠快速將電流散入大地，保證接地裝置的接地性能；b）不容易腐蝕，銅化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，使用壽命達(dá)50年以上。銅的腐蝕生成物CuO和Cu（OH）2能夠有效抑制進(jìn)一步腐蝕。銅材耐腐蝕性是普通鋼材的10倍以上，是鍍鋅鋼的3倍以上。主要缺點(diǎn)為：a）銅為有色金屬，資源短缺，造價(jià)高昂；b）銅為重金屬，埋設(shè)在土壤中容易污染土壤及地下水，存在環(huán)境污染問題。

2） 碳鋼材料。國內(nèi)桿塔接地極、變電站接地網(wǎng)等接地裝置主要采用碳鋼接地材料[30]。常見形式有圓鋼、扁鋼、角鋼等。采用碳鋼作為接地材料，其主要優(yōu)點(diǎn)是容易制造加工，經(jīng)濟(jì)性好，導(dǎo)電性能較好，電阻率約為170 nΩ·m，與銅材電導(dǎo)率相差一個(gè)數(shù)量級[31]，但能夠基本滿足接地裝置的電氣需求；主要缺點(diǎn)是容易腐蝕。碳鋼在土壤中易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕，腐蝕部位易出現(xiàn)起層、變脆、斷裂等情況，導(dǎo)致接地電阻增加，存在潛在電力安全隱患。

3） 鍍銅鋼、不銹鋼、鍍鋅鋼等其他金屬材料[11-12]。為充分利用鋼材在造價(jià)等方面的優(yōu)勢，并解決鋼材在耐腐蝕性方面的不足，大量學(xué)者提出了采用基于鋼合金材料的解決方案。常見的合金接地材料有鍍銅鋼、不銹鋼、鍍鋅鋼等。其中，鍍銅鋼存在造價(jià)較高的問題。不銹鋼材料容易發(fā)生點(diǎn)蝕，由于不銹鋼的合金含量較高，導(dǎo)電能力存在一定下降。鍍鋅鋼是目前接地領(lǐng)域采用較多的合金材料，具備工藝簡單、價(jià)格低廉、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)。然而，鍍鋅鋼是以鍍鋅層作為犧牲陽極，形成氧化膜，保護(hù)內(nèi)部的碳鋼。鍍鋅層的腐蝕速率和碳鋼相當(dāng)，且和土壤環(huán)境相關(guān)，在酸性土壤中耐腐蝕性差。因此，鍍鋅層破壞或腐蝕殆盡后，鍍鋅鋼接地極的耐腐蝕性會顯著下降。為提高鍍鋅層的耐腐蝕性，周開顏等[32]提出采用Zn-Mg鍍層的方式。整體而言，鍍鋅材料及大部分合金鍍層方式能夠一定程度延長碳鋼接地極的壽命，但其可持續(xù)性不足，并非一種一勞永逸的解決方案。

1.1.3 非金屬接地材料

非金屬接地材料[10，13]主要指石墨類接地材料和導(dǎo)電防腐涂料等。石墨類接地材料主要包括石墨金屬復(fù)合材料、柔性石墨復(fù)合材料、石墨導(dǎo)電混凝土、石墨接地模塊等。石墨材料具有熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。在腐蝕過程中，石墨電解速度比多數(shù)金屬緩慢，表現(xiàn)出比多數(shù)合金更好的耐腐蝕性[33]。但石墨材料質(zhì)地較脆，運(yùn)輸過程中容易導(dǎo)致?lián)p壞。因此，石墨接地材料主要作為現(xiàn)有接地方式的補(bǔ)充，有助于提高現(xiàn)有接地裝置的導(dǎo)電性能及耐腐蝕性[34]。導(dǎo)電防腐涂料是一種外加式防腐方法，主要分為本征型涂料（非添加型）和復(fù)合摻雜型涂料（添加型）[35]。本征型涂料通過直接合成導(dǎo)電高分子聚合物，并制備成涂料，其各方面性能整體不如復(fù)合摻雜型涂料。因此，接地裝置防腐涂料以復(fù)合型導(dǎo)電防腐涂料為主，比如石墨烯復(fù)合型涂料、碳納米管復(fù)合型涂料、石墨烯/碳納米管復(fù)合型涂料等[36-37]。整體而言，大多導(dǎo)電防腐涂料仍存在成本高、容易破損、破損后容易加速接地裝置局部腐蝕等問題。

1.2 土壤腐蝕性

土壤腐蝕性主要指金屬材料在土壤中發(fā)生腐蝕的難易程度。接地裝置埋設(shè)在土壤中，直接受到土壤腐蝕性的影響。土壤是一個(gè)由氣、液、固三相物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜多孔介質(zhì)，具有電解質(zhì)的特征。實(shí)際工程中土壤環(huán)境非常復(fù)雜，僅國內(nèi)就有多達(dá)40余種土壤類型[38]。

1.2.1 土壤腐蝕性的主要影響因素

按照《國家材料環(huán)境腐蝕野外科學(xué)試驗(yàn)網(wǎng)站材料土壤腐蝕試驗(yàn)規(guī)程》，土壤包含28種環(huán)境因素，文中重點(diǎn)介紹以下7種對土壤腐蝕性影響較大的參數(shù)：含水量、含氧量、含鹽量、微生物含量、孔隙度、pH值和電阻率[38]。

1）含水量。土壤含水量[39]升高，含鹽量和腐蝕電流增加，土壤腐蝕性增強(qiáng)。然而，當(dāng)土壤含水量過高時(shí)，氧氣的擴(kuò)散效應(yīng)受到阻礙，土壤腐蝕性減弱。當(dāng)土壤含水量小于10%時(shí)，含鹽量減小，土壤電阻率增加，土壤腐蝕性降低。

2）含氧量。土壤中含氧量[20]不同容易造成濃差電池腐蝕，增加土壤腐蝕性。土壤含氧量較少時(shí)，金屬材料通常作陽極運(yùn)行，容易腐蝕。土壤含氧量較多時(shí)，金屬材料通常作陰極運(yùn)行，不易腐蝕。土壤含氧量和土壤含水量、土壤孔隙度密切相關(guān)。土壤含水量較低（干燥）或孔隙度較大（稀疏）時(shí)，氧氣容易通過，土壤中氧氣含量較高，土壤腐蝕性通常較弱。土壤含水量較高（濕潤）或土壤孔隙度較小（密實(shí)）時(shí)，氧氣難以通過，土壤中氧氣含量較低，土壤腐蝕性通常較強(qiáng)。

3）含鹽量。土壤電解質(zhì)中陽離子有K+、Ca2+、Na+、Mg2+等，陰離子有 、 、Cl-等[40]。一般來說，土壤含鹽量越大，電阻率越低，土壤腐蝕性越強(qiáng)。另一方面，Ca2+和Mg2+在非酸性土壤中可生成氧化物和鹽的保護(hù)層， 和土壤中Pb2+可生成PbSO4保護(hù)層，保護(hù)層附著在接地金屬材料表面，能夠一定程度上降低土壤腐蝕性。

4）微生物含量。土壤中的微生物[41]有厭氧的硫酸鹽還原菌、硫桿菌和好氧的鐵桿菌。在大多土壤環(huán)境條件下，多種微生物共存，對土壤腐蝕性產(chǎn)生更復(fù)雜的影響。微生物主要通過以下方式影響土壤腐蝕性：a）微生物新陳代謝會產(chǎn)生無機(jī)酸、有機(jī)酸、硫化物、氨等產(chǎn)物，上述代謝產(chǎn)物均具有腐蝕作用；b）微生物會改變接地金屬材料附近的氧濃度、含鹽量、酸度等，形成局部濃差腐蝕電池；c）微生物容易破壞接地金屬材料表面保護(hù)層的穩(wěn)定性；d）微生物可促進(jìn)接地金屬材料腐蝕的陰極去極化過程。

5）孔隙度?？紫抖萚42]是土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，和土壤含水量、含氧量相關(guān)。其中，含水量和含氧量是影響土壤腐蝕性的重要因素?？紫抖容^大，可為土壤中滲透更多氧氣及水分奠定基礎(chǔ)。另一方面，孔隙度較大的土壤容易促進(jìn)接地金屬材料生成具有保護(hù)能力的腐蝕產(chǎn)物層?？紫抖容^小的區(qū)域，氧濃差腐蝕電池容易導(dǎo)致接地金屬材料的陽極反應(yīng)區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

6）pH值。pH值[43]表征土壤酸堿性。pH在3.0到6.0之間的土壤為酸性土壤（腐殖土和沼澤土），pH在6.0到7.5之間的土壤為中性土壤，pH在7.5到9.5之間的土壤為堿性土壤（砂質(zhì)黏土和鹽堿土）。一般來說，土壤腐蝕性隨pH減小而增強(qiáng)。因?yàn)樗嵝詶l件能夠促進(jìn)氫的去極化過程，導(dǎo)致土壤腐蝕性增強(qiáng)。此外，當(dāng)土壤中含有大量有機(jī)酸時(shí)，即使土壤pH值接近中性，仍具有較強(qiáng)腐蝕性。土壤酸度的來源復(fù)雜，包括酸性礦物質(zhì)、微生物活動產(chǎn)生的有機(jī)酸和無機(jī)酸、工業(yè)污染等。因此，通常通過測定土壤總酸度（酸性物質(zhì)含量）來評估土壤腐蝕性。

7）電阻率。土壤電阻率[38]和土壤孔隙度、含水量及含鹽量等相關(guān)，可視為綜合體現(xiàn)土壤腐蝕性的一個(gè)參數(shù)。大多數(shù)情況下，土壤電阻率越小，腐蝕性越強(qiáng)；反之，腐蝕性越弱。

1.2.2 土壤腐蝕性的評價(jià)方法

土壤腐蝕性主要通過土壤中金屬樣品的腐蝕速率判斷，主要包括失重法、電化學(xué)測試分析法、單一指標(biāo)評價(jià)法、多指標(biāo)綜合評價(jià)法[44]。

1）失重法。將接地金屬材料樣品放置在土壤試樣中一段時(shí)間，按一定周期對樣品進(jìn)行清洗、除銹、干燥、稱量等處理，確定接地金屬材料樣品在土壤中的腐蝕失質(zhì)量率和腐蝕速率。該方法能夠準(zhǔn)確反映土壤腐蝕性，常作為參考標(biāo)準(zhǔn)。但失重法耗時(shí)長、工作量大，存在測量效率不足等問題[45]。

2）電化學(xué)測試分析法。土壤中的接地金屬腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)腐蝕過程。通?？刹捎秒娀瘜W(xué)測試分析法（極化曲線分析法、電化學(xué)阻抗譜分析法）對土壤的腐蝕特性進(jìn)行分析。

極化曲線分析法主要包括Tafel直線外推法、線性極化法和弱極化區(qū)極化曲線法[46]。Tafel直線外推法需要測量土壤樣品中接地金屬的極化曲線，通過外推強(qiáng)極化區(qū)的直線，求得Tafel斜率等參數(shù)。然而，金屬在土壤中的電化學(xué)腐蝕通常存在多對腐蝕反應(yīng)，Tafel區(qū)可能并不明顯。因此，該方法通常誤差較大。線性極化法是通過外加電流測試接地金屬極化電位在自然腐蝕電位附近正負(fù)10 mV內(nèi)的極化電阻[47]。結(jié)合其他途徑獲取的Tafel常數(shù)，可計(jì)算接地金屬在土壤樣品中的腐蝕電流和腐蝕速率。該方法無法直接測得Tafel常數(shù)，腐蝕電位漂移大，容易導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。弱極化區(qū)極化曲線法通過測量土壤試樣中接地金屬弱極化區(qū)的數(shù)據(jù)，分析測量腐蝕電流、Tafel常數(shù)等電化學(xué)參數(shù)，得出土壤中接地金屬的腐蝕速率。該方法常采用曲線擬合等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存在擬合結(jié)果容易不收斂等問題。

電化學(xué)阻抗譜又稱交流阻抗技術(shù)[48]，通過外加小幅度交流信號，測試土壤中接地金屬的響應(yīng)電流等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析得到阻抗變化圖譜，分析圖譜中包含的電化學(xué)信息，得出土壤中接地金屬腐蝕的相關(guān)參數(shù)。該方法是目前金屬腐蝕研究中最常用的測試手段之一，但實(shí)際腐蝕過程的阻抗譜通常比較復(fù)雜，在阻抗譜參數(shù)解析方面存在一些困難。

3）單項(xiàng)指標(biāo)法。影響土壤腐蝕性的主要土壤參數(shù)已在章節(jié)1.2.1中進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，影響土壤腐蝕性的主要指標(biāo)通常存在相互影響。比如，含水量、含氧量和土壤孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，土壤電阻率和含水量、含鹽量等相關(guān)。各個(gè)指標(biāo)均通過不同的方式影響著土壤腐蝕性，如圖1所示。

因此，采取單項(xiàng)指標(biāo)[19]評價(jià)通常僅能從某一方面判斷土壤腐蝕性，分析結(jié)果具有一定片面性。

4）多項(xiàng)指標(biāo)法。多項(xiàng)指標(biāo)法[18，49]是指通過分析多個(gè)土壤參數(shù)對土壤腐蝕性的綜合影響，實(shí)現(xiàn)土壤腐蝕性的準(zhǔn)確判斷。針對多項(xiàng)指標(biāo)法的土壤腐蝕性綜合評估方法研究，國外學(xué)者提出了Baeckman評價(jià)法、DIN50929評價(jià)法、ANSI A21.5評價(jià)法等廣泛應(yīng)用的方法[50]。國內(nèi)學(xué)者將線性映射、主成分分析、Fisher判別、聚類分析、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等多種識別技術(shù)用于土壤腐蝕性的綜合判斷[24，51]，并取得了良好的識別結(jié)果。整體而言，土壤中的實(shí)際腐蝕情況包含各種影響因素，且各影響因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，現(xiàn)有土壤腐蝕性多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)方法在準(zhǔn)確性、可靠性、適應(yīng)性等方面仍存在一定局限性。

1.3 電流對接地裝置腐蝕的影響

接地裝置不同于普通埋地金屬，其表面通常長期存在不同成分的電流。對于單極運(yùn)行的直流輸電系統(tǒng)，直流接地極中存在大量直流電流。對于交流輸電線路，當(dāng)輸電桿塔架空地線接地時(shí)，架空地線上存在自身和輸電導(dǎo)線之間的工頻感應(yīng)漏電流，該電流會通過架空地線、接地引下線注入桿塔接地極，導(dǎo)致桿塔接地極中存在架空地線上流入的工頻感應(yīng)漏電流。對于中性點(diǎn)接地的變壓器，當(dāng)變壓器三相不平衡運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)存在不對稱的工頻電流分量，導(dǎo)致變電站接地網(wǎng)中存在變壓器接地中性點(diǎn)流入的三相不對稱工頻電流。另一方面，類似于其他埋地金屬，接地裝置的腐蝕仍會受到土壤中雜散電流的影響。

1.3.1 直流腐蝕

將直流電流作用下土壤中接地金屬材料的腐蝕定義為直流腐蝕。對于單極運(yùn)行的直流接地極，電流總是從一個(gè)直流接地極流入，并從另一個(gè)直流接地極流出，如圖2所示[52]。

根據(jù)圖2可知，土壤、直流接地極和直流輸電系統(tǒng)可看作一個(gè)電解池系統(tǒng)。電流從土壤經(jīng)過直流接地極A流入直流輸電系統(tǒng)，直流接地極A作為陰極運(yùn)行。電流從直流輸電系統(tǒng)經(jīng)過直流接地極B流入土壤，直流接地極B作為陽極運(yùn)行。根據(jù)電解池原理可知，直流入地電流加速了接地極B的腐蝕溶解，對接地極A形成陰極保護(hù)，大大降低了接地極A的腐蝕速率。綜上所述，對于作陽極運(yùn)行的直流接地極，為避免接地腐蝕故障導(dǎo)致的電力事故，需要考慮對其采取額外的腐蝕防護(hù)措施。

1.3.2 交流腐蝕

將交流電流作用下土壤中接地金屬材料的腐蝕定義為交流腐蝕。變電站接地網(wǎng)、輸電桿塔接地極中均長期存在工頻電流分量，如圖3所示。

交流電流總是在正負(fù)2個(gè)周期內(nèi)交替變化。當(dāng)電流從接地材料流入土壤的半個(gè)周期內(nèi)，接地材料作陽極運(yùn)行，腐蝕速率增大。當(dāng)電流從土壤流入接地材料的半個(gè)周期內(nèi)，接地材料作陰極運(yùn)行，腐蝕速率減小。交流電流作用下，接地金屬材料陰極運(yùn)行、陽極運(yùn)行交替變化。整體而言，交流電流作用下接地金屬腐蝕速率比較緩慢，其危害性遠(yuǎn)小于直流腐蝕[53]。

1.3.3 雜散電流腐蝕

對于接地的電力設(shè)施而言，電流通過接地引下線和接地裝置流入土壤中，通常將這一部分土壤中的電流稱為雜散電流或迷走電流。雜散電流廣泛存在于交直流高壓輸電系統(tǒng)、軌道交通供電系統(tǒng)、手機(jī)基站供電系統(tǒng)、船舶供電系統(tǒng)等。以雜散電流腐蝕較嚴(yán)重的軌道交通系統(tǒng)為例，電流從接地裝置A、鐵軌流入土壤，并從遠(yuǎn)處的接地裝置B回流至牽引變電所，如圖4所示。在上述過程中，在接地裝置及鐵軌附近通常存在較大雜散電流。將雜散電流作用下土壤中金屬材料的腐蝕定義為雜散電流腐蝕。

雜散電流包括直流雜散電流和交流雜散電流，主要取決于入地電流的性質(zhì)，因此，雜散電流腐蝕可視為一種特殊的直流腐蝕或交流腐蝕。雜散電流腐蝕具有腐蝕強(qiáng)度大、腐蝕部位集中、點(diǎn)蝕可能性大等特點(diǎn)[54]。對于靠近鐵軌、直流接地極等設(shè)施的接地裝置，通常更容易發(fā)生雜散電流腐蝕。對于埋地金屬管道，雜散電流腐蝕主要通過金屬材料的對地電位差進(jìn)行判斷，不同國家的標(biāo)準(zhǔn)在20 mV到100 mV之間，當(dāng)超過標(biāo)準(zhǔn)電位差時(shí)，則認(rèn)為存在雜散電流腐蝕，需要進(jìn)行雜散電流排流等腐蝕防護(hù)措施[20，55]。然而，接地裝置中通常長期存在電流分量，并同時(shí)受到自然腐蝕、交流腐蝕、直流腐蝕、雜散電流腐蝕等多個(gè)因素影響，腐蝕情況更復(fù)雜。目前，雜散電流對電力系統(tǒng)接地裝置腐蝕的影響還有待研究。

2 接地裝置腐蝕防護(hù)措施的研究進(jìn)展

針對接地裝置的腐蝕問題，主要從材料選擇、接地裝置設(shè)計(jì)、添加緩蝕劑、陰極保護(hù)等方面對其進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

2.1 接地材料選擇

國內(nèi)接地金屬材料以碳鋼為主，第1.1節(jié)中涉及的鍍銅鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼、石墨、導(dǎo)電防腐涂料等材料均能夠一定程度上提高接地裝置的耐腐蝕能力。然而，鍍銅鋼造價(jià)較高。鍍鋅鋼等合金材料本質(zhì)上是通過犧牲鍍層金屬來保護(hù)碳鋼材料，使用壽命方面提升不大。石墨、導(dǎo)電防腐涂料通常作為提升現(xiàn)有接地裝置耐腐蝕性的一種補(bǔ)充手段。綜上所述，現(xiàn)有接地材料仍存在一些不足。綜合考慮成本、耐腐蝕性、使用壽命等方面，現(xiàn)階段仍缺乏一種能夠完全替代傳統(tǒng)碳鋼的新型接地材料[56]。

2.2 接地裝置設(shè)計(jì)

接地裝置設(shè)計(jì)[30，57]過程中，可采取截面較大的金屬來避免腐蝕斷裂引起的電力事故。目前，圓柱狀鋼、銅接地材料最小直徑在10～20 mm范圍內(nèi)，帶狀鍍鋅鋼、不銹鋼的最小截面積為90 mm2[34]。然而，增大接地金屬截面積的方法沒有減緩接地金屬材料在土壤中的腐蝕速率，未能從本質(zhì)上解決土壤中接地金屬的腐蝕問題。此外，接地材料截面積增加直接導(dǎo)致成本大幅增加。因此，接地裝置設(shè)計(jì)主要是作為避免腐蝕斷裂引起電力事故的手段，并非從機(jī)理層面提升接地裝置材料耐腐蝕性的方法。

2.3 添加緩蝕劑

直流接地工程中，通常會在直流接地極附近埋設(shè)大量干燥的焦炭作為緩蝕劑[58]。干燥的焦炭是一種電子性導(dǎo)電材料[59]，電子在接地金屬和焦炭之間能夠自由交換。因此，干燥的焦炭和接地金屬之間不會發(fā)生電解反應(yīng)，能夠抑制接地金屬的腐蝕。同時(shí)，焦炭是非離子晶體，不能被電解，焦炭和土壤表面主要為離子放電，并伴隨氣體析出。施工過程中需注意，焦炭不夯實(shí)容易導(dǎo)致防腐能力不足，焦炭過于夯實(shí)容易導(dǎo)致析出氣體難以排除。目前該方法主要應(yīng)用于直流接地工程。

2.4 陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)法[60]主要分為犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法是采用比被保護(hù)接地金屬腐蝕電位更負(fù)、更容易腐蝕的金屬（Mg及其合金、Zn及其合金）與被保護(hù)接地金屬材料連接，以更容易腐蝕的金屬作為犧牲陽極，對被保護(hù)的接地金屬形成陰極保護(hù)。外加電流法需要將被保護(hù)的接地金屬長期連接至恒電位儀的負(fù)極，通過長期外接電源對接地金屬達(dá)到陰極保護(hù)的目的。上述陰極保護(hù)方法均能夠?qū)拥亟饘龠M(jìn)行較好的腐蝕防護(hù)，但在接地裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)維方面會增加一定成本。綜合考慮接地裝置的復(fù)雜性及現(xiàn)場實(shí)施條件，目前陰極保護(hù)法并未在實(shí)際接地工程中廣泛應(yīng)用。

3 接地裝置腐蝕診斷方法的研究進(jìn)展

腐蝕導(dǎo)致接地金屬材料變細(xì)、斷裂，腐蝕產(chǎn)物附著在接地裝置表面，劣化接地裝置的接地性能，容易造成反擊過電壓等電力安全事故。接地裝置的接地性能主要根據(jù)三極法等方式測量的接地阻抗進(jìn)行評估[61-62]。接地網(wǎng)中大部分導(dǎo)體主要起勻壓作用，導(dǎo)體之間距離較近，屏蔽作用顯著，單根導(dǎo)體對降低接地電阻的貢獻(xiàn)并不顯著，少數(shù)導(dǎo)體腐蝕斷裂后對接地網(wǎng)的接地阻抗影響并不大。因此，接地阻抗測試方法主要用于評估接地網(wǎng)整體的接地性能，難以準(zhǔn)確評估接地網(wǎng)局部腐蝕程度及具體腐蝕位置等。現(xiàn)有接地裝置腐蝕診斷方法主要分為電化學(xué)腐蝕診斷方法、電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法和電磁場分析診斷方法。

3.1 電化學(xué)腐蝕診斷方法

電化學(xué)腐蝕診斷方法是通過測量接地金屬材料腐蝕電化學(xué)參數(shù)分析接地裝置的腐蝕情況。以典型的變電站腐蝕接地網(wǎng)為例，基于三電極測量體系的電化學(xué)檢測系統(tǒng)如圖5所示。接地裝置通常作為工作電極，參比電極為Cu/CuSO4參比電極，輔助電極為石墨或不銹鋼等耐腐蝕性金屬[60]。參比電極和石墨電極通常埋設(shè)在接地網(wǎng)附近。

為抑制無關(guān)的干擾信號，接地網(wǎng)腐蝕程度電化學(xué)檢測過程中通常選擇暫態(tài)測量技術(shù)，并采用小波變換等濾波技術(shù)、Levenberg-Marquardt等擬合方法處理測量數(shù)據(jù)[63]。最終，通過分析充電曲線等參數(shù)，獲取接地網(wǎng)的極化電阻，進(jìn)而判斷土壤中接地網(wǎng)的腐蝕程度。為提高接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕診斷方法的準(zhǔn)確性，一些學(xué)者從傳感器研制、數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化、腐蝕分析軟件開發(fā)等方面改進(jìn)了傳統(tǒng)電化學(xué)診斷方法[64]。電化學(xué)腐蝕診斷方法的優(yōu)點(diǎn)是從腐蝕機(jī)理出發(fā)，能夠直接有效地表征接地網(wǎng)腐蝕參量。然而，電化學(xué)診斷方法主要存在兩方面問題：1）難以解決接地網(wǎng)上的強(qiáng)噪聲信號、土壤中的雜散電流和測量過程中弱測試信號之間的矛盾。由于噪聲信號、雜散電流等通常遠(yuǎn)強(qiáng)于電化學(xué)診斷方法的測試信號，傳感器的測量信號容易被上述強(qiáng)信號覆蓋，導(dǎo)致診斷結(jié)果不準(zhǔn)確。2）不同于典型三電極測量系統(tǒng)中的小尺寸待測物件，接地網(wǎng)尺寸較大，測試過程中極化電流存在于整個(gè)接地網(wǎng)上，被極化的接地網(wǎng)金屬面積難以確定，容易導(dǎo)致腐蝕電流密度計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。整體而言，電化學(xué)腐蝕診斷方法主要用于理論分析、實(shí)驗(yàn)室研究，尚未在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。

3.2 電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法

傳統(tǒng)接地網(wǎng)腐蝕斷點(diǎn)檢測方法主要是導(dǎo)通電阻測試法[65-66]。電流注入和電壓響應(yīng)測試在2個(gè)相同的可及節(jié)點(diǎn)上，通過可及節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)通電阻來判斷接地網(wǎng)的腐蝕斷點(diǎn)情況。當(dāng)接地導(dǎo)體的腐蝕斷點(diǎn)距離測試節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，測試節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)通電阻變化往往不明顯，難以發(fā)現(xiàn)腐蝕斷裂位置[66]。因此，導(dǎo)通電阻測試方法需要多次輪換測試不同可及節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)通電阻，確保每個(gè)可及節(jié)點(diǎn)附近均無腐蝕斷點(diǎn)，存在測量效率低、隨機(jī)性大等問題。為解決上述問題，大量研究將電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法引入接地網(wǎng)腐蝕診斷過程中。通過不同激勵(lì)方式測量不同接地引下線間的電壓響應(yīng)，進(jìn)而采用接地網(wǎng)腐蝕故障診斷算法評估接地網(wǎng)的腐蝕情況，如圖6所示。其中，接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)主要分為可及節(jié)點(diǎn)和不可及節(jié)點(diǎn)?？杉肮?jié)點(diǎn)通常通過接地引下線與外部電氣設(shè)備連接，反之，則為不可及節(jié)點(diǎn)。

接地網(wǎng)腐蝕故障診斷方法主要基于特勒根定理和靈敏度矩陣[67]。根據(jù)圖6可知，可及節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常小于接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，腐蝕診斷方程具有欠定性和非線性。為采集更多相關(guān)數(shù)據(jù)，測量過程中通常需要輪換激勵(lì)源及測量響應(yīng)點(diǎn)的位置[68]。此外，電網(wǎng)絡(luò)腐蝕診斷法需要已知接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而，施工不規(guī)范等問題經(jīng)常導(dǎo)致實(shí)際接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和施工圖紙不完全一致。為修正接地網(wǎng)未知拓?fù)鋷淼恼`差，張瑞強(qiáng)[69]提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的修正方法、接地網(wǎng)未知拓?fù)渲貥?gòu)等方法。重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將遺傳算法、人工蜂群算法、支持向量機(jī)等優(yōu)化算法用于腐蝕診斷過程，提出了分步分塊的測量方法、導(dǎo)體腐蝕斷裂的診斷方法、接地網(wǎng)腐蝕診斷的優(yōu)化方法，提高了傳統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)診斷方法的測量效率和準(zhǔn)確度[27，70-71]。西安科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱蛹s簡的接地網(wǎng)腐蝕診斷模型[26，72]、基于蒙特卡羅法的接地網(wǎng)腐蝕診斷方案[73]、接地網(wǎng)故障診斷的4類可測性指標(biāo)等[74]，大量試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出方法的可靠性。綜上所述，國內(nèi)學(xué)者在基于電網(wǎng)絡(luò)分析的接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)方面已經(jīng)積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而，電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法主要存在以下問題：1）缺乏研究接地導(dǎo)體斷裂前接地網(wǎng)不同腐蝕程度的診斷技術(shù)，難以預(yù)防接地導(dǎo)體腐蝕斷裂導(dǎo)致的電力事故。腐蝕斷裂前接地導(dǎo)體上電磁信號變化并不顯著，因此，現(xiàn)有電網(wǎng)絡(luò)分析診斷方法側(cè)重于診斷接地網(wǎng)支路的斷裂與否。2）依賴接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在圖紙缺失的情況下，診斷結(jié)果容易存在較大誤差。3）測量及計(jì)算效率有待進(jìn)一步提高。由于不可及節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，測量數(shù)據(jù)不夠，容易造成方程欠定，需要對可及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)源、測量響應(yīng)點(diǎn)的位置輪換，工作量較大。整體而言，現(xiàn)有研究缺乏提出一種準(zhǔn)確、高效的接地網(wǎng)腐蝕診斷方法。

3.3 電磁場分析診斷方法

電磁場分析診斷方法通過測量地面電磁場對接地網(wǎng)導(dǎo)體缺陷進(jìn)行診斷，該方法由國外學(xué)者Dawalibi首次提出[75]。按照激勵(lì)方式分類，接地網(wǎng)腐蝕診斷的電磁場分析方法主要包括異頻電流激勵(lì)方法和發(fā)射機(jī)磁場激勵(lì)方法[76]。異頻電流激勵(lì)方法是通過對接地網(wǎng)注入異頻（30 Hz～30 kHz）正弦電流（幾安到幾十安），測量分析腐蝕接地網(wǎng)正上方地表磁場的變化，實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)腐蝕斷點(diǎn)的診斷[77]。發(fā)射機(jī)磁場激勵(lì)方法又叫瞬變電磁法，是通過在接地網(wǎng)附近放置一個(gè)發(fā)射機(jī)作為磁場激勵(lì)，發(fā)射機(jī)中的電流在某一個(gè)時(shí)刻被迅速關(guān)斷，大地會感應(yīng)出一個(gè)二次磁場來阻止一次磁場（發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的磁場）的變化[28-29]。二次磁場由于歐姆損耗逐漸減弱，在腐蝕接地網(wǎng)上形成電渦流。最終，通過分析腐蝕接地網(wǎng)表面電渦流產(chǎn)生的磁場，實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)的腐蝕診斷。國內(nèi)已經(jīng)有部分學(xué)者在基于瞬變電磁法的接地網(wǎng)診斷技術(shù)方面取得重要進(jìn)展[78]。整體而言，電磁場分析方法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在不受可及節(jié)點(diǎn)位置的影響，對非可及節(jié)點(diǎn)區(qū)域的接地網(wǎng)腐蝕缺陷情況仍具有較好精度，測量效率較高。然而，電磁場分析方法主要存在以下問題： 1）電流激勵(lì)類方法難以準(zhǔn)確測量距離電流注入節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)區(qū)域的接地網(wǎng)腐蝕缺陷情況。注入點(diǎn)附近的電磁場強(qiáng)，遠(yuǎn)離注入點(diǎn)處的電磁場弱且磁場分布不均勻，難以準(zhǔn)確提取腐蝕引起的電磁場變化特征，難以通過一次電流激勵(lì)準(zhǔn)確探測接地網(wǎng)整體的腐蝕缺陷情況。2）測量結(jié)果容易受到干擾。變電站內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜，諧波、開關(guān)操作和線路電流變化引起的工頻磁場干擾可達(dá)十幾微特斯拉。同時(shí)，變電站內(nèi)接地網(wǎng)上方的大量電力設(shè)備也會對測量過程中電磁場分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測量誤差。

4 現(xiàn)有研究面臨的挑戰(zhàn)

接地網(wǎng)腐蝕是國內(nèi)電力行業(yè)的一個(gè)典型問題，幾十年來，國內(nèi)學(xué)者及工程人員在接地網(wǎng)腐蝕相關(guān)研究中做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，筆者認(rèn)為現(xiàn)有接地裝置腐蝕相關(guān)的研究仍面臨以下幾方面挑戰(zhàn)。

4.1 不同接地材料之間的腐蝕研究

為解決碳鋼腐蝕問題，電力行業(yè)已經(jīng)提出了多種接地材料。綜合考慮成本、接地性能、接地系統(tǒng)體量等因素，各種新型接地材料難以完全替代傳統(tǒng)接地網(wǎng)。為改善現(xiàn)有接地極的接地性能，實(shí)際工程中石墨、鍍鋅鋼、非金屬涂層等接地材料通常和主體碳鋼接地裝置混合使用。因此，不同新型金屬材料之間的連接存在新的電化學(xué)腐蝕問題。例如，不同材料的腐蝕電位不同，2種不同接地材料連接后，容易導(dǎo)致腐蝕電位較低的材料及其連接點(diǎn)處加速腐蝕，對連接方式及工藝等均提出了新的要求。為解決不同接地材料的連接問題，不同新型接地材料之間的腐蝕機(jī)理及連接方式均需進(jìn)一步研究。

4.2 新型耐腐蝕接地材料研究

添加緩蝕劑、陰極保護(hù) 等腐蝕防護(hù)措施存在有效期短、運(yùn)維成本高等問題。導(dǎo)電防腐涂料存在涂層易破損，涂層脫落后可能加速接地材料的局部腐蝕，導(dǎo)致整體服役周期不足等問題。整體而言，研究耐腐蝕接地材料更能夠從根本上解決接地裝置的腐蝕問題。現(xiàn)有接地材料以碳鋼、鋼合金材料為主。土壤中鋼材料本身腐蝕速率較大；各類鋼合金材料難以長時(shí)間保持較好的耐腐蝕性，合金鍍層容易在幾年內(nèi)脫落。另一方面，考慮到銅材料的成本，我國現(xiàn)階段難以采用銅材料完全替換現(xiàn)有接地裝置。為解決上述現(xiàn)有接地材料存在的腐蝕問題，亟需研究一種耐腐蝕性強(qiáng)、成本低、壽命長、能夠適用于不同土壤環(huán)境的新型耐腐蝕接地材料。

4.3 接地裝置實(shí)際腐蝕程度量化

接地裝置實(shí)際腐蝕程度量化可為接地裝置腐蝕診斷提供理論依據(jù)。實(shí)際腐蝕產(chǎn)物通常呈點(diǎn)腐蝕、面腐蝕等非均勻分布，為一個(gè)粗糙面。然而，現(xiàn)有研究通常將腐蝕產(chǎn)物近似為接地導(dǎo)體表面覆蓋的高電阻率均勻涂層，缺乏考慮實(shí)際腐蝕產(chǎn)物的非均勻性，和實(shí)際腐蝕情況存在一定差異。另外，腐蝕產(chǎn)物在不同腐蝕階段具有不同的成分、結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同腐蝕程度下腐蝕產(chǎn)物的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等電磁參數(shù)的不同。同時(shí)，實(shí)際腐蝕產(chǎn)物表面粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以直接通過現(xiàn)有儀器進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測試。上述方面均導(dǎo)致難以形成接地裝置實(shí)際腐蝕程度量化標(biāo)準(zhǔn)。因此，不同階段腐蝕產(chǎn)物的電磁特性及形貌特征、接地裝置實(shí)際腐蝕程度的量化等工作仍需進(jìn)一步研究。

4.4 接地裝置潛在腐蝕故障診斷

現(xiàn)有接地裝置的腐蝕診斷方法以電網(wǎng)絡(luò)分析診斷法和電磁場診斷方法為主，難以準(zhǔn)確診斷出接地導(dǎo)體腐蝕斷裂前的潛在腐蝕故障，即準(zhǔn)確診斷出接地導(dǎo)體的腐蝕程度及腐蝕斷裂的概率。在接地網(wǎng)腐蝕過程中，只要接地導(dǎo)體未徹底斷裂，電磁測量過程中不同腐蝕程度接地裝置的電磁響應(yīng)變化并不顯著，給準(zhǔn)確判斷接地裝置的腐蝕程度帶來了困難。另一方面，由于腐蝕導(dǎo)致的測量信號變化較小，變電站內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境容易對腐蝕診斷過程中的測量信號造成極大干擾。綜上所述，接地裝置潛在腐蝕故障診斷過程中的激勵(lì)方式、測量方式、數(shù)據(jù)處理方法等方面均有待進(jìn)一步研究。

4.5 接地引下線腐蝕故障快速診斷

接地引下線是電力設(shè)備和接地裝置的重要組成部分。實(shí)際工程中，接地引下線更容易發(fā)生腐蝕斷裂，導(dǎo)致電力設(shè)備和接地裝置斷開，造成潛在的電力安全事故。接地引下線腐蝕斷裂的位置主要有2處：1）空氣、土壤交界處；2）引下線和接地裝置焊接處。由于接地引下線一部分在空氣中，一部分在土壤中，接地引下線在空氣、土壤交界處涉及的環(huán)境更復(fù)雜，容易加速腐蝕。另一方面，接地引下線和接地裝置通過焊接方式固定在一起，焊接材料、焊接工藝均對腐蝕有較大影響。同時(shí)，當(dāng)引下線和接地裝置材料不同時(shí)，存在電偶腐蝕，容易進(jìn)一步加速焊接點(diǎn)的腐蝕斷裂。對于接地引下線焊接點(diǎn)處的腐蝕斷點(diǎn)問題，主要采用導(dǎo)通電阻測試法進(jìn)行診斷。當(dāng)引下線斷點(diǎn)不在電流注入、電壓響應(yīng)測試節(jié)點(diǎn)上，難以發(fā)現(xiàn)引下線的斷點(diǎn)問題。因此，該方法通常需要對每根接地引下線均做導(dǎo)通測試，由于變電站內(nèi)接地設(shè)備較多，測量效率較低。此外，現(xiàn)有方法仍難以在導(dǎo)體完全斷裂前準(zhǔn)確診斷接地引下線的腐蝕程度、腐蝕位置、腐蝕斷裂概率等。綜上所述，接地引下線腐蝕故障快速診斷方法還有待進(jìn)一步研究。

5 總 結(jié)

為保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確分析腐蝕接地裝置的接地特性和診斷接地裝置的腐蝕程度至關(guān)重要。文中系統(tǒng)分析了接地裝置腐蝕特性、接地裝置腐蝕診斷方法及現(xiàn)有研究方法面臨的挑戰(zhàn)。

1）接地裝置的腐蝕主要受到接地裝置材料、土壤腐蝕性、外加電流3方面的影響。接地裝置材料主要包含金屬材料和非金屬材料2類，國內(nèi)接地裝置材料整體以碳鋼為主。土壤腐蝕性主要受到含水量、含氧量、含鹽量、微生物含量、孔隙度、pH值和電阻率等參數(shù)的影響，其評價(jià)方法主要有失重法、電化學(xué)測試分析法、單一指標(biāo)評價(jià)法、多指標(biāo)綜合評價(jià)法。外加電流對接地裝置的腐蝕影響主要分為直流腐蝕、交流腐蝕、雜散電流腐蝕。其中，直流腐蝕和雜散電流腐蝕對接地裝置影響較大。

2）接地裝置腐蝕診斷方法主要分為電化學(xué)腐蝕診斷法、電網(wǎng)絡(luò)分析診斷法和電磁場分析診斷法。電化學(xué)腐蝕診斷法和電磁場分析診斷法均存在測量信號弱、容易被干擾等問題，電網(wǎng)絡(luò)分析診斷法存在需要已知接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等不足。整體而言，實(shí)際工程中接地裝置的腐蝕診斷以電網(wǎng)絡(luò)分析診斷法和電磁場分析診斷法為主。

3）現(xiàn)有研究主要面臨以下挑戰(zhàn)：不同接地材料之間的腐蝕研究、新型耐腐蝕接地材料研究、接地裝置實(shí)際腐蝕程度量化、接地裝置潛在腐蝕故障診斷、接地引下線腐蝕故障快速診斷等。建議后續(xù)研究圍繞解決以上問題開展，為準(zhǔn)確診斷接地裝置的腐蝕程度、避免接地裝置腐蝕導(dǎo)致的電力事故奠定基礎(chǔ)。

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