基于中空充氣密封腐蝕單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測

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)十萬元至幾千萬元，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，針對接地網(wǎng)腐蝕檢測，國內(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，然后檢測地表垂直導(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題，但對于發(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]是通過可及節(jié)點(diǎn)向接地網(wǎng)注入一定的直流電流，通過另一可及節(jié)點(diǎn)抽取同樣大小的直流電流，測量可及節(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。但在實際情況下，因測量數(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)方法受試驗條件限制，未能在工程中得到應(yīng)用和推廣。這三種檢測方法在工程中的應(yīng)用相對缺乏，按照中國南方電網(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)防性試驗規(guī)程》(Q/CSG114002-2011)，需要按周期對變電站“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。在開挖過程中可能會遺漏局部嚴(yán)重腐蝕的情況，同時受時間環(huán)境等條件的限制，無法及時掌握地網(wǎng)的腐蝕情況。

本工作針對變電站及輸電線路接地桿塔的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測現(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)測接地網(wǎng)的腐蝕情況。

1 裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測裝置分為腐蝕單元、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，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)，此時檢測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，對應(yīng)不同腐蝕深度的接地導(dǎo)體，可以實現(xiàn)地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測。

腐蝕單元內(nèi)填充氣體指示物，腐蝕單元蝕穿會造成內(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間長短，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計算確定。建立兩者之間的關(guān)聯(lián)，通過分析接地網(wǎng)圓鋼在土壤中被腐蝕的特征，經(jīng)過精確計算，設(shè)計合理的腐蝕單元厚度，并進(jìn)行驗證方能確認(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)計圖Fig. 2 Structural design drawing of corrosion unit

預(yù)先在實驗室試驗裝置的可行性，可人為控制腐蝕單元的電流密度，為縮短試驗時間，設(shè)計腐蝕單元中空圓柱管壁高度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)土壤腐蝕評價導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，土壤單指標(biāo)評價中評定金屬材料最大點(diǎn)蝕速率的指標(biāo)為點(diǎn)蝕坑深度，其測量應(yīng)符合如下要求： 對于成片的腐蝕坑，測量最深部位的深度，如圖3所示。

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

腐蝕坑相對深度應(yīng)按式(1)計算。

(1)

式中：A為腐蝕坑相對深度；d為實測的腐蝕區(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，因目前我國尚未制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一般理論，結(jié)合實際，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，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，裝置內(nèi)部的填充物是無腐蝕性，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，不會對腐蝕單元造成腐蝕。向裝置中充入一定量氮?dú)猓麄€裝置處于完全封閉的狀態(tài)，保證裝置內(nèi)氣體不會外泄。

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，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，氣體體積增大，壓強(qiáng)則會隨之降低。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)表示所測氣體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)的差值，向裝置內(nèi)通入氮?dú)猓?dāng)壓力真空表示數(shù)為0.1 MPa時，裝置內(nèi)實際壓強(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，壓力真空表示數(shù)降至0.09 MPa，根據(jù)理想氣體方程，此時氣體體積為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，壓力真空表示數(shù)會發(fā)生較為明顯的變化，表明此時腐蝕單元已被蝕穿。

土壤溫度也會對指示單元產(chǎn)生影響，當(dāng)土壤溫度由30 ℃降至最低值-10 ℃時，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，判斷此時腐蝕單元已被蝕穿。

1.2.3 連接單元

裝置外部需要長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，若因為密封不良導(dǎo)致裝置漏氣漏液，會引起指示單元誤報，使裝置失去監(jiān)測功能。

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)力變化以及動物啃咬等多重考驗，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，通過內(nèi)外螺紋將腐蝕單元與指示單元連接起來，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，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)測裝置整體結(jié)構(gòu)，見圖4；本工作設(shè)計制作的基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測裝置見圖5。

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

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

2 可行性試驗

對自制地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測裝置的功能進(jìn)行實驗室驗證，包括密封性試驗、腐蝕單元的腐蝕特征試驗以及腐蝕單元蝕穿時指示單元的動作試驗。

2.1 裝置密封性試驗

向裝置中充入0.19 MPa氮?dú)猓瑢⒀b置放置在外部條件(溫度/壓力等環(huán)境因素)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，靜置30 min后，觀察到壓力表的示數(shù)無明顯變化，說明裝置密封性較好，可對裝置進(jìn)行通流腐蝕試驗。

2.2 腐蝕單元的腐蝕特征試驗

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，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，將針式溫度計插入土壤深度約10 cm處，測量試驗過程中土壤的溫度變化，將一毫安級電流表串聯(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)夂螅瑢⑻间摳g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。試驗連接圖如圖6所示。

圖6 試驗連接圖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。試驗過程中對腐蝕單元通入電流，測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 指示單元的動作試驗

以2 A直流電流持續(xù)通電，在試驗過程中，隨著通電時間的延長，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。通流試驗進(jìn)行2.5 h時，壓力表示數(shù)出現(xiàn)下降趨勢，判斷此時腐蝕單元已被蝕穿。斷開裝置回路電源，經(jīng)過19 min后，壓力表示數(shù)降至0，裝置內(nèi)外無壓差。

2.4 試驗結(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

根據(jù)試驗裝置尺寸及參數(shù)建立對應(yīng)仿真模型，取測量電壓數(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)中實際土壤的參數(shù)。計算裝置的電壓結(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裝置的試驗條件及數(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算結(jié)果如圖9所示。

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

因為腐蝕單元的上端進(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)試驗結(jié)果計算腐蝕速率為0.2 mm/h。由于試驗中土壤環(huán)境較為復(fù)雜，沒有達(dá)到仿真計算模型中的均勻性，導(dǎo)致腐蝕單元蝕穿點(diǎn)與仿真中位置不一致。但在數(shù)值計算上，仿真計算得到腐蝕單元最大腐蝕速率與實際試驗計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：電流密度的符號代表方向) (c)腐蝕單元左表面電極腐蝕速率圖9 仿真計算結(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)測裝置。利用一系列試驗驗證了裝置功能的可行性，并結(jié)合仿真計算較為系統(tǒng)和全面地解決了裝置功能實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。當(dāng)腐蝕單元厚度為0.5 mm時，通流加速試驗中，通電流為5 A時，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)評價和檢測檢修提供了新的解決方案和技術(shù)支持。

對基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測裝置的開發(fā)利用，實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的有效監(jiān)測，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，對基于預(yù)埋式指示單元的地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測裝置進(jìn)行最優(yōu)化布置，可解決檢測接地導(dǎo)體腐蝕難的問題，實現(xiàn)對接地網(wǎng)的全面監(jiān)測，避免因為接地網(wǎng)開挖數(shù)量有限，無法發(fā)現(xiàn)局部腐蝕情況的局限性，具有重大的工程應(yīng)用價值。