基于云平臺(tái)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

沈中信+姜濤+韓丹丹

摘 要：接地網(wǎng)具有為電氣設(shè)備提供公共電位參考地和保護(hù)電氣設(shè)備的作用，當(dāng)短路和雷擊發(fā)生時(shí)，接地網(wǎng)能迅速引流沖擊電流，使站內(nèi)的地電位升降低，從而保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)。由于腐蝕的發(fā)生，使得接地網(wǎng)截面減小，當(dāng)有大的故障電流通過(guò)時(shí)，會(huì)使接地網(wǎng)造成熔斷，從而故障電流不能順利引流到大地，使得地電位升高，出現(xiàn)“反擊”現(xiàn)象，造成二次設(shè)備和低壓系統(tǒng)故障和損壞變壓器等，引起安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。為了確保接地網(wǎng)發(fā)揮正常的作用，就需要檢測(cè)接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)，以求在接地網(wǎng)的接地性能下降到無(wú)法正常使用之前進(jìn)行及時(shí)的維修和更換，以避免事故的發(fā)生。文章設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將電化學(xué)技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)腐蝕的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地利用互聯(lián)網(wǎng)將電化學(xué)腐蝕狀態(tài)采集儀采集到的數(shù)據(jù)送至云平臺(tái)，相關(guān)人員可以通過(guò)移動(dòng)終端接入到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；云平臺(tái)；電化學(xué)技術(shù)；腐蝕狀態(tài)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；移動(dòng)終端

1 概述

由于腐蝕導(dǎo)致的接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體侵蝕或者斷裂，使得其接地電阻變大，電氣性能變差，接地保護(hù)功能喪失。在設(shè)計(jì)建造接地網(wǎng)的過(guò)程中，相關(guān)人員也采取各種有效措施來(lái)限制接地網(wǎng)腐蝕的發(fā)生，但是采取各種有效措施也不能預(yù)見(jiàn)接地網(wǎng)因腐蝕導(dǎo)致的意外故障，從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。在實(shí)際接地網(wǎng)腐蝕程度檢測(cè)中，常根據(jù)一個(gè)地區(qū)的土壤腐蝕率粗略的來(lái)判斷，然后挖開(kāi)部分區(qū)域的接地網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際檢查。這種接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)手段原始單一、自動(dòng)化水平低、而且耗費(fèi)時(shí)間人力、具有一定的盲目性，而且無(wú)法檢測(cè)整個(gè)變電站接地網(wǎng)的腐蝕情況。

由于接地網(wǎng)深埋地下，接地網(wǎng)導(dǎo)體會(huì)發(fā)生土壤腐蝕。腐蝕速率反映腐蝕發(fā)生的快慢，土壤的電阻率與土壤的腐蝕速率存在著一定關(guān)系，所以可以用土壤的電阻率來(lái)衡量腐蝕發(fā)生的程度。土壤電阻率與濕度及土壤中各種化學(xué)成份有關(guān)，電阻率越大，其腐蝕性就越小。金屬會(huì)發(fā)生多種類(lèi)的腐蝕，化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的最常見(jiàn)形式[2]，而且在大多數(shù)情況下，這兩種腐蝕都是并存的發(fā)生，但以電化學(xué)腐蝕為主要形式，包括接地網(wǎng)腐蝕在內(nèi)，電化學(xué)腐蝕也是其主要形式。故可用電化學(xué)腐蝕檢測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)，借助電化學(xué)特征參量來(lái)描述腐蝕狀態(tài)[3]。電化學(xué)腐蝕檢測(cè)技術(shù)具有比其他檢測(cè)技術(shù)測(cè)試速度快、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常應(yīng)用于金屬腐蝕的檢測(cè)中。線性極化法[4]作為電化學(xué)檢測(cè)腐蝕速率的最為常用的方法之一，具有實(shí)施簡(jiǎn)單、快速方便的特點(diǎn)，在腐蝕檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將線性極化技術(shù)應(yīng)用在變電站接地網(wǎng)的腐蝕檢測(cè)中，可以準(zhǔn)確快速的測(cè)定接地網(wǎng)的腐蝕速率，響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量精度高。

云計(jì)算[5]作為當(dāng)前正在興起的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理計(jì)算模式，正發(fā)展成為一種全新的商業(yè)模型。其已經(jīng)成為企業(yè)在信息領(lǐng)域應(yīng)用的必不可少的環(huán)節(jié)。云平臺(tái)運(yùn)用虛擬化的計(jì)算資源為用戶(hù)提供服務(wù)平臺(tái)，用戶(hù)可根據(jù)自身需要獲得相應(yīng)計(jì)算力、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和軟件功能。作為并行計(jì)算、分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算發(fā)展的聚合體，云計(jì)算提供了嶄新的數(shù)據(jù)處理模式，整合海量數(shù)據(jù)，可靠性高，為用戶(hù)提供方便快捷、切實(shí)有效的分析功能，極大的提高了企業(yè)工廠的工作效率。將云平臺(tái)和接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了一種全新的接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，通過(guò)電化學(xué)狀態(tài)傳感器三電極體系測(cè)得接地網(wǎng)的腐蝕速率、腐蝕深度，然后將該信息傳送至云平臺(tái)，經(jīng)過(guò)云計(jì)算進(jìn)行科學(xué)、全面綜合的分析，掌握接地網(wǎng)的運(yùn)行狀況，同時(shí)對(duì)接地網(wǎng)的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而及時(shí)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行維修和更換。這種基于云平臺(tái)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很大程度上實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、數(shù)字化程度，能夠及時(shí)避免因接地故障而導(dǎo)致的安全事故，因此該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

2 接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測(cè)單元

2.1 線性極化法

線性極化法是快速測(cè)定金屬瞬時(shí)腐蝕速率的電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法之一。其原理是：對(duì)處于自腐蝕狀態(tài)的金屬電極施加電位 進(jìn)行陰極極化時(shí)，電極電位將發(fā)生負(fù)移，根據(jù)金屬腐蝕動(dòng)力學(xué)原理，此時(shí)的陰極極化電流ik為：

將式（1）中以級(jí)數(shù)形式展開(kāi)，因?yàn)檫^(guò)電位Δ？漬很小且小于10mV，可將級(jí)數(shù)中的高次項(xiàng)忽略，可得：

進(jìn)一步變換，可得：

由式（2）知，ik與Δφ成正比，既當(dāng)Δφ<10mV時(shí)極化曲線為直線，直線的斜率為極化電阻Rp，即：

或者

其中，S為電極面積；I為電流強(qiáng)度。由式（2）和式（4）可得：

上式稱(chēng)為Stern-Geary公式。由式（6）可以得出，腐蝕電流icorr與極化電阻Rp成反比，因此一旦知道bk、bA和Rp的值后，便可求得腐蝕電流icorr。因?yàn)槭窃讦う蘸苄〉那闆r下，過(guò)電位與極化電流成線性關(guān)系，極化電阻Rp為其直線的斜率，因此，該方法被稱(chēng)為線性極化法。

根據(jù)法拉第定律，將式（6）腐蝕電流icorr轉(zhuǎn)化為腐蝕速率V和腐蝕深度d，有：

式（7）和式（8）中，v為腐蝕速度（g/m2·h）；d為年腐蝕深度（mm，a）；icorr為腐蝕電流密度（？滋？住/cm2）；M為金屬的克原子量（g）；n為金屬的原子價(jià)；F為法拉第常數(shù)；？籽為金屬密度（g/cm3）。

2.2 三電極狀態(tài)傳感器

三電極測(cè)量體系是接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)傳感器，該傳感器由研究電極、輔助電極和參比電極組成。三個(gè)電極之間等間距固定且上端引出導(dǎo)線用于施加電位進(jìn)行極化反應(yīng)，三種電極在電化學(xué)腐蝕檢測(cè)體系中發(fā)揮不同的作用，其狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

（1）研究電極

所謂研究電極，是指研究的是該電極上發(fā)生的電化學(xué)極化反應(yīng)。對(duì)研究電極的要求是該電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)不會(huì)受電極自身反應(yīng)的影響，反應(yīng)接觸也面積不宜太大。各種能導(dǎo)電的材料均能用作電極，可以是固體也可以是液體。通常根據(jù)研究測(cè)試的性質(zhì)及內(nèi)容來(lái)預(yù)先確定電極材料。國(guó)內(nèi)的接地網(wǎng)金屬一般用Q235碳鋼。

（2）參比電極

參比電極作為不極化電極，電極上基本沒(méi)有電流通過(guò)，其電動(dòng)勢(shì)是已知的。該電極主要作為一個(gè)參照來(lái)測(cè)定研究電極的電勢(shì)。

（3）輔助電極

在極化反應(yīng)的過(guò)程中，輔助電極的作用是與研究電極形成回路，使研究電極上的電流順利暢通，以保證電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。為了避免與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)輔助電極的結(jié)構(gòu)和材料有一定的要求，輔助電極要有較大的表面積且自身電阻要小，不宜被極化，其通常由惰性材料制成，耐蝕性的金屬合金、鉑或者石墨都可以作為輔助電極。本文中所介紹的輔助電極采用石墨作為輔助電極。

2.3 三電極傳感器等效模型

三電極傳感器深埋土壤層且未被極化時(shí)，設(shè)研參考、研輔、輔參三個(gè)電極之間土壤的等效電阻分別為Rs1、Rs2、Rs3，等效電路模型如圖2所示。

實(shí)際所測(cè)得的參研、輔研及參輔電極之間的電阻值為m，n，s，則根據(jù)電組的Y型連接與Δ型等效變化可得：

由此式便可得Rs1，Ra2和Ra3。

將參研電極間的自然腐蝕電位Ecorr做為基準(zhǔn)，且在輔研電極之間施加階躍電位E，？子為階躍信號(hào)持續(xù)的時(shí)間， ？駐E為研參電極之間電位的變化值，如圖3所示。

此外，在輔研電極之間所加的階躍信號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

當(dāng)電極之間施加小于10mv的小幅值過(guò)電位，且持續(xù)時(shí)間很短時(shí)，此時(shí)電極表面電化學(xué)反應(yīng)很快，電極表面反應(yīng)物濃度接近于零，電極表面相當(dāng)于一個(gè)漏電的電容器，等效于一個(gè)電容和電阻的并聯(lián)，如圖4所示。

根據(jù)線性極化理論，結(jié)合圖3和圖4可得三電極狀態(tài)傳感器系統(tǒng)極化時(shí)的等效電路如圖5。其中，ΔE為極化電位，即研究電極與參考電極之間的電位改變值；i，i1，i2，ic和ip為相應(yīng)的支路電流；u為雙層電容上的充電電壓。

2.4 硬件的選擇與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要有以下四部分構(gòu)成：在輔助電極與研究電極之間施加極化激勵(lì)信號(hào)的0-100uA階躍電流信號(hào)模塊；采集參比電極和研究電極之間激勵(lì)響應(yīng)的獨(dú)立雙積分電壓數(shù)據(jù)采集模塊；為裝置各模塊供電的電源管理模塊；對(duì)0-100uA階躍電流信號(hào)控制、雙積分?jǐn)?shù)據(jù)采樣信號(hào)進(jìn)行分析所得到的土壤腐蝕速率的微處理器模快。

0-100uA階躍電流信號(hào)模塊依次由REF200標(biāo)準(zhǔn)用100uA電流鏡像源、精密運(yùn)算放大器OPA602、階躍式電阻配比繼電器控制模塊構(gòu)成；REF200用于產(chǎn)生100uA的基準(zhǔn)電流源，精密運(yùn)算放大器OPA602用于對(duì)REF200產(chǎn)生100uA電流信號(hào)進(jìn)行放大或者縮小，階躍式電阻配比繼電器控制模塊用于控制OPA602運(yùn)算放大器的放大或縮小倍數(shù)，如圖6所示。雙積分?jǐn)?shù)據(jù)采樣ICL7135模塊用于測(cè)量參比電極與研究電極的自腐蝕電位以及在研究電極和輔助電極施加激勵(lì)后采集參比電極與研究電極之間的響應(yīng)信號(hào)，如圖7。微處理器模塊用于控制0-100uA階躍電流信號(hào)的大小和采集雙積分?jǐn)?shù)據(jù)采樣ICL7135模塊的數(shù)據(jù)，如圖8；并以此數(shù)據(jù)來(lái)分析計(jì)算出土壤的腐蝕速率后傳送至上位機(jī)顯示監(jiān)測(cè)站。

激勵(lì)與檢測(cè)模塊由控制模塊控制，微處理器模塊的輸入端接入用于采集雙積分電壓數(shù)據(jù)模塊的輸出電壓信號(hào)，微處理器模塊的輸入端接用于控制0-100uA階躍電流信號(hào)輸出大小的模塊。檢測(cè)時(shí)ICL7135雙積分電壓數(shù)據(jù)采集模塊用于采集參比電極與研究電極之間的電位差V，并在0-100uA電流激勵(lì)未加入研究電極與輔助電極之間的時(shí)候，記錄參比電極與研究電極之間的自腐蝕電位V0。然后，0-100uA階躍電流激勵(lì)施加階躍信號(hào)，每隔30s由微處理器模塊控制繼電器模塊使得輸出電流階躍式由小到大變?yōu)镮1=20uA、I2=24uA、I3=30uA、I4=36uA、I5=39uA、I6=47uA、I7=51u、I8=56uA、I9=62uA、I10=68uA、I11=75uA，并通過(guò)ICL7135雙積分電壓采集模塊記錄其相應(yīng)的響應(yīng)V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11。

由控制模塊將每次階躍激勵(lì)時(shí)，檢測(cè)的電壓值傳送至上位機(jī)，微處理器模塊將階躍式激勵(lì)電流作為X軸，雙積分采集電路所采集電壓響應(yīng)作為Y軸，擬合出其關(guān)系曲線，并在所擬合的曲線上找出線性程度最優(yōu)處，以該最優(yōu)處所在的坐標(biāo)（I、U）得極化電阻RP=U/I，由極化電阻RP可求出腐蝕電流密度Icorr=25/Rp，由腐蝕電流Icorr可得出土壤年腐蝕速率V=8.56？鄢10-3？鄢Icorr，進(jìn)一步得出土壤年腐蝕深度為d=9.65？鄢10-3Icorr。

3 云平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

微處理器模塊控制部分將所計(jì)算出的土壤腐蝕速率通過(guò)GPRS模塊傳輸至上位機(jī)，再由上位機(jī)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至云平臺(tái)，即云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由位于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)前端的電化學(xué)腐蝕檢測(cè)體系、位于云計(jì)算中心的后端測(cè)試服務(wù)軟件系統(tǒng)和工作人員手中的移動(dòng)終端設(shè)備組成。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)的對(duì)接，打破了以前只能進(jìn)行小規(guī)模的監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心和工作人員需安裝相應(yīng)監(jiān)測(cè)終端的繁瑣過(guò)程，不受離線操作的限制，實(shí)現(xiàn)了大面積、大規(guī)模監(jiān)測(cè)接地網(wǎng)腐蝕的情況。前端設(shè)備主要由在線腐蝕速率傳感器和檢測(cè)儀組成，前端設(shè)備采集到的腐蝕信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，經(jīng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與處理，然后再存入云端，進(jìn)行云存儲(chǔ)和云計(jì)算，并且通過(guò)WEB服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的最后處理和公布。

基于云平臺(tái)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，可以讓任何非專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)的監(jiān)控APP掌握接地網(wǎng)的運(yùn)行情況。該平臺(tái)基于純HTML5技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線技術(shù)，可以在包括平板電腦、手機(jī)及電腦在內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用。多比物聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)控平臺(tái)可以作為現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)，在無(wú)需改造現(xiàn)有系統(tǒng)的情況下可以提供很好的遠(yuǎn)程移動(dòng)控制和維護(hù)功能。

在變電站運(yùn)行監(jiān)控中心能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控接地網(wǎng)情況；當(dāng)接地網(wǎng)的腐蝕程度達(dá)到一定程度或者出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，協(xié)助遠(yuǎn)程相關(guān)人員及時(shí)維修接地網(wǎng)；在有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的情況下，通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)獲取報(bào)警信息；包括傳統(tǒng)組態(tài)在內(nèi)的所有功能在內(nèi)，云平臺(tái)完全可以實(shí)現(xiàn)，包括實(shí)時(shí)顯示查詢(xún)、歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警功能、趨勢(shì)圖、流程圖及報(bào)表等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文根據(jù)金屬導(dǎo)體電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的接地網(wǎng)腐蝕電化學(xué)檢測(cè)方法；提出了修正線性極化法，利用腐蝕電位與極化電位的關(guān)系來(lái)測(cè)定金屬腐蝕速率的方案。利用網(wǎng)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線通訊技術(shù)傳送到云端，實(shí)現(xiàn)了基于云平臺(tái)的在線查詢(xún)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警顯示功能的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。基于云平臺(tái)的接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為接地網(wǎng)的定期檢測(cè)提供了一種快速有效的手段，全面提高了接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測(cè)的自動(dòng)化水平和巡檢工作效率、質(zhì)量。

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