基于云平臺的接地網腐蝕狀態監測系統的研究

沈中信+姜濤+韓丹丹

摘 要：接地網具有為電氣設備提供公共電位參考地和保護電氣設備的作用，當短路和雷擊發生時，接地網能迅速引流沖擊電流，使站內的地電位升降低，從而保護整個電力系統。由于腐蝕的發生，使得接地網截面減小，當有大的故障電流通過時，會使接地網造成熔斷，從而故障電流不能順利引流到大地，使得地電位升高，出現“反擊”現象，造成二次設備和低壓系統故障和損壞變壓器等，引起安全事故，造成經濟損失。為了確保接地網發揮正常的作用，就需要檢測接地網的腐蝕狀態，以求在接地網的接地性能下降到無法正常使用之前進行及時的維修和更換，以避免事故的發生。文章設計了一種基于云平臺的接地網腐蝕狀態監測系統，將電化學技術、自動檢測技術及云計算技術等相結合，實現了接地網腐蝕的遠程監測。該系統可以隨時隨地利用互聯網將電化學腐蝕狀態采集儀采集到的數據送至云平臺，相關人員可以通過移動終端接入到監測系統，遠程對接地網的腐蝕狀態進行監測。

關鍵詞：接地網；云平臺；電化學技術；腐蝕狀態；遠程監測；移動終端

1 概述

由于腐蝕導致的接地網金屬導體侵蝕或者斷裂，使得其接地電阻變大，電氣性能變差，接地保護功能喪失。在設計建造接地網的過程中，相關人員也采取各種有效措施來限制接地網腐蝕的發生，但是采取各種有效措施也不能預見接地網因腐蝕導致的意外故障，從而影響整個電力系統的安全運行[1]。在實際接地網腐蝕程度檢測中，常根據一個地區的土壤腐蝕率粗略的來判斷，然后挖開部分區域的接地網進行實際檢查。這種接地網腐蝕檢測手段原始單一、自動化水平低、而且耗費時間人力、具有一定的盲目性，而且無法檢測整個變電站接地網的腐蝕情況。

由于接地網深埋地下，接地網導體會發生土壤腐蝕。腐蝕速率反映腐蝕發生的快慢，土壤的電阻率與土壤的腐蝕速率存在著一定關系，所以可以用土壤的電阻率來衡量腐蝕發生的程度。土壤電阻率與濕度及土壤中各種化學成份有關，電阻率越大，其腐蝕性就越小。金屬會發生多種類的腐蝕，化學腐蝕和電化學腐蝕是金屬腐蝕的最常見形式[2]，而且在大多數情況下，這兩種腐蝕都是并存的發生，但以電化學腐蝕為主要形式，包括接地網腐蝕在內，電化學腐蝕也是其主要形式。故可用電化學腐蝕檢測技術來檢測接地網腐蝕狀態，借助電化學特征參量來描述腐蝕狀態[3]。電化學腐蝕檢測技術具有比其他檢測技術測試速度快、靈敏度高的優點，經常應用于金屬腐蝕的檢測中。線性極化法[4]作為電化學檢測腐蝕速率的最為常用的方法之一，具有實施簡單、快速方便的特點，在腐蝕檢測領域得到廣泛應用。將線性極化技術應用在變電站接地網的腐蝕檢測中，可以準確快速的測定接地網的腐蝕速率，響應時間短，測量精度高。

云計算[5]作為當前正在興起的數據存儲處理計算模式，正發展成為一種全新的商業模型。其已經成為企業在信息領域應用的必不可少的環節。云平臺運用虛擬化的計算資源為用戶提供服務平臺，用戶可根據自身需要獲得相應計算力、存儲數據和軟件功能。作為并行計算、分布式計算和網格計算發展的聚合體，云計算提供了嶄新的數據處理模式，整合海量數據，可靠性高，為用戶提供方便快捷、切實有效的分析功能，極大的提高了企業工廠的工作效率。將云平臺和接地網腐蝕監測系統對接，實現了一種全新的接地網腐蝕監測系統，在該系統中，通過電化學狀態傳感器三電極體系測得接地網的腐蝕速率、腐蝕深度，然后將該信息傳送至云平臺，經過云計算進行科學、全面綜合的分析，掌握接地網的運行狀況，同時對接地網的壽命進行預測，從而及時對接地網進行維修和更換。這種基于云平臺的接地網腐蝕狀態監測系統很大程度上實現了檢測系統的自動化、數字化程度，能夠及時避免因接地故障而導致的安全事故，因此該系統具有很強的應用價值。

2 接地網腐蝕狀態檢測單元

2.1 線性極化法

線性極化法是快速測定金屬瞬時腐蝕速率的電化學腐蝕檢測方法之一。其原理是：對處于自腐蝕狀態的金屬電極施加電位 進行陰極極化時，電極電位將發生負移，根據金屬腐蝕動力學原理，此時的陰極極化電流ik為：

將式（1）中以級數形式展開，因為過電位Δ？漬很小且小于10mV，可將級數中的高次項忽略，可得：

進一步變換，可得：

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

或者

其中，S為電極面積；I為電流強度。由式（2）和式（4）可得：

上式稱為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。因為是在Δφ很小的情況下，過電位與極化電流成線性關系，極化電阻Rp為其直線的斜率，因此，該方法被稱為線性極化法。

根據法拉第定律，將式（6）腐蝕電流icorr轉化為腐蝕速率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；F為法拉第常數；？籽為金屬密度（g/cm3）。

2.2 三電極狀態傳感器

三電極測量體系是接地網腐蝕檢測系統的狀態傳感器，該傳感器由研究電極、輔助電極和參比電極組成。三個電極之間等間距固定且上端引出導線用于施加電位進行極化反應，三種電極在電化學腐蝕檢測體系中發揮不同的作用，其狀態結構示意如圖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生的電化學極化反應。對研究電極的要求是該電極上發生的電化學反應不會受電極自身反應的影響，反應接觸也面積不宜太大。各種能導電的材料均能用作電極，可以是固體也可以是液體。通常根據研究測試的性質及內容來預先確定電極材料。國內的接地網金屬一般用Q235碳鋼。

（2）參比電極

參比電極作為不極化電極，電極上基本沒有電流通過，其電動勢是已知的。該電極主要作為一個參照來測定研究電極的電勢。

（3）輔助電極

在極化反應的過程中，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，以保證電化學反應的發生。為了避免與電解質發生化學反應，對輔助電極的結構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，設研參考、研輔、輔參三個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。

實際所測得的參研、輔研及參輔電極之間的電阻值為m，n，s，則根據電組的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，且在輔研電極之間施加階躍電位E，？子為階躍信號持續的時間， ？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應滿足以下條件：

當電極之間施加小于10mv的小幅值過電位，且持續時間很短時，此時電極表面電化學反應很快，電極表面反應物濃度接近于零，電極表面相當于一個漏電的電容器，等效于一個電容和電阻的并聯，如圖4所示。

根據線性極化理論，結合圖3和圖4可得三電極狀態傳感器系統極化時的等效電路如圖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 硬件的選擇與設計

系統的硬件部分主要有以下四部分構成：在輔助電極與研究電極之間施加極化激勵信號的0-100uA階躍電流信號模塊；采集參比電極和研究電極之間激勵響應的獨立雙積分電壓數據采集模塊；為裝置各模塊供電的電源管理模塊；對0-100uA階躍電流信號控制、雙積分數據采樣信號進行分析所得到的土壤腐蝕速率的微處理器模快。

0-100uA階躍電流信號模塊依次由REF200標準用100uA電流鏡像源、精密運算放大器OPA602、階躍式電阻配比繼電器控制模塊構成；REF200用于產生100uA的基準電流源，精密運算放大器OPA602用于對REF200產生100uA電流信號進行放大或者縮小，階躍式電阻配比繼電器控制模塊用于控制OPA602運算放大器的放大或縮小倍數，如圖6所示。雙積分數據采樣ICL7135模塊用于測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后采集參比電極與研究電極之間的響應信號，如圖7。微處理器模塊用于控制0-100uA階躍電流信號的大小和采集雙積分數據采樣ICL7135模塊的數據，如圖8；并以此數據來分析計算出土壤的腐蝕速率后傳送至上位機顯示監測站。

激勵與檢測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據模塊的輸出電壓信號，微處理器模塊的輸入端接用于控制0-100uA階躍電流信號輸出大小的模塊。檢測時ICL7135雙積分電壓數據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電流激勵未加入研究電極與輔助電極之間的時候，記錄參比電極與研究電極之間的自腐蝕電位V0。然后，0-100uA階躍電流激勵施加階躍信號，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為I1=20uA、I2=24uA、I3=30uA、I4=36uA、I5=39uA、I6=47uA、I7=51u、I8=56uA、I9=62uA、I10=68uA、I11=75uA，并通過ICL7135雙積分電壓采集模塊記錄其相應的響應V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11。

由控制模塊將每次階躍激勵時，檢測的電壓值傳送至上位機，微處理器模塊將階躍式激勵電流作為X軸，雙積分采集電路所采集電壓響應作為Y軸，擬合出其關系曲線，并在所擬合的曲線上找出線性程度最優處，以該最優處所在的坐標（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，進一步得出土壤年腐蝕深度為d=9.65？鄢10-3Icorr。

3 云平臺的實現

微處理器模塊控制部分將所計算出的土壤腐蝕速率通過GPRS模塊傳輸至上位機，再由上位機經無線網絡傳送至云平臺，即云監測系統。

云監測系統主要由位于監測現場前端的電化學腐蝕檢測體系、位于云計算中心的后端測試服務軟件系統和工作人員手中的移動終端設備組成。通過互聯網與云平臺的對接，打破了以前只能進行小規模的監測、監測數據需通過專用網絡傳輸到監控中心和工作人員需安裝相應監測終端的繁瑣過程，不受離線操作的限制，實現了大面積、大規模監測接地網腐蝕的情況。前端設備主要由在線腐蝕速率傳感器和檢測儀組成，前端設備采集到的腐蝕信息，通過網絡的傳輸，經服務器進行數據的接受與處理，然后再存入云端，進行云存儲和云計算，并且通過WEB服務器進行數據的最后處理和公布。

基于云平臺的接地網腐蝕狀態監測平臺的開發，可以讓任何非專業人員通過專業的監控APP掌握接地網的運行情況。該平臺基于純HTML5技術和標準的工業總線技術，可以在包括平板電腦、手機及電腦在內的移動設備上應用。多比物聯網云監控平臺可以作為現有的SCADA系統，在無需改造現有系統的情況下可以提供很好的遠程移動控制和維護功能。

在變電站運行監控中心能夠遠程實時監控接地網情況；當接地網的腐蝕程度達到一定程度或者出現故障時，及時發出報警信號，協助遠程相關人員及時維修接地網；在有網絡信號的情況下，通過移動終端設備實時監控接地網運行狀態，及時獲取報警信息；包括傳統組態在內的所有功能在內，云平臺完全可以實現，包括實時顯示查詢、歷史數據記錄、報警功能、趨勢圖、流程圖及報表等。

4 結束語

本論文根據金屬導體電化學腐蝕的特點，設計了一種新的接地網腐蝕電化學檢測方法；提出了修正線性極化法，利用腐蝕電位與極化電位的關系來測定金屬腐蝕速率的方案。利用網關技術，實現了現場檢測儀數據經無線通訊技術傳送到云端，實現了基于云平臺的在線查詢、歷史數據和報警顯示功能的監測平臺。基于云平臺的接地網腐蝕監測系統為接地網的定期檢測提供了一種快速有效的手段，全面提高了接地網腐蝕狀態檢測的自動化水平和巡檢工作效率、質量。

參考文獻

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[5]趙俊華，文福栓，薛禹生，等.云計算：構建未來電力系統的核心計算平臺[J].電力系統自動化，2010，34（15）.