電力系統接地裝置腐蝕特性及其診斷技術

旦乙畫 張芮漩

摘要：接地裝置是保證電力設備安全穩定運行和人身安全的重要基礎。國內接地裝置以碳鋼等易腐蝕金屬材料為主，隨著投運時間增加，難以避免腐蝕斷裂等問題，容易引發接地裝置腐蝕導致的過電壓、跳閘等事故。因此，研究接地裝置腐蝕特性及其診斷技術能夠有效避免接地裝置腐蝕導致的電力事故，具有重大意義。文中從接地裝置腐蝕特性的角度出發，介紹了碳鋼接地材料的腐蝕機理、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措施的特點，對比了電化學腐蝕診斷方法、電網絡分析診斷方法、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缺點；根據接地裝置的實際腐蝕情況，總結了現有研究面臨的挑戰。建議下一步研究重點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鍵問題展開，為準確診斷接地裝置的實際腐蝕程度、避免接地腐蝕故障導致的電力事故奠定基礎。

關鍵詞：接地裝置；腐蝕特性；腐蝕防護措施；腐蝕診斷方法；實際腐蝕程度

中圖分類號：TU856? ? ? ? ? 文獻標志碼：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、輸電桿塔接地極等接地金屬設施，是保證輸變電系統安全穩定運行的重要一環[1-3]。發生故障或雷擊時，接地裝置需將故障電流、雷擊電流等快速散入土壤中，保證接地點的電位在工程允許范圍內，有效避免反擊過電壓等電力事故[4-5]。因此，接地裝置的運行狀態長期受到運維部門的高度重視。出于資源層面考慮，國內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在土壤中，容易發生腐蝕斷裂等問題，導致電力安全隱患。在碳達峰、碳中和、“十四五”的背景下，電力行業的轉型對接地系統的安全性提出了更高的要求[7-8]。研究電力系統接地裝置腐蝕特性及其診斷技術至關重要。

國外接地裝置大多采用銅材料，腐蝕情況并不嚴重。因此，接地裝置腐蝕相關研究以國內為主[6，9]。自20世紀90年代以來，國內學者在常用接地材料的腐蝕機理及腐蝕特性、土壤的腐蝕特性、接地裝置的腐蝕防護措施、接地裝置的腐蝕診斷方法等方面開展了大量研究。務孔永等[10]、李松等[11]、李揚森等[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理及形變規律，并研究了接地極腐蝕過程對接地參數的影響。張萬友等[17]和秦曉霞[18]分析了影響土壤腐蝕性的環境因素和土壤腐蝕性的評價方法，并將灰色理論、模糊聚類方法、人工神經網絡方法等應用于土壤腐蝕性的評價過程中，提高了土壤腐蝕性評價的準確度。陳坤漢[19]、曹阿林[20]和閆風潔等[21]分析了陰極保護、膨潤土緩蝕劑、導電防腐涂料、雜散電流排流、導電水泥及瀝青等方式在接地裝置防腐方面的效果。上述腐蝕防護措施具有不同的特點，實際接地工程中需要針對具體情況選擇適合的腐蝕防護方案。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果的影響，具有良好的適應性。梅道珺[24]和Zhang等[25]基于模糊數學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測方法，試驗結果驗證了提出方法的有效性。針對大型接地網的腐蝕診斷問題，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、基于啟發式優化算法的診斷方法和基于瞬變電磁法的診斷方法，上述方法在實際腐蝕診斷過程中取得了良好的測試結果。

整體而言，上述研究已為中國接地領域做出了巨大貢獻，明晰了土壤中接地裝置的部分腐蝕機理，能夠實現一些接地網腐蝕斷點的初步判斷。然而，接地裝置的實際腐蝕情況通常比現有研究中的近似等效更復雜，涉及電化學腐蝕機理、電磁場分析技術、數值計算方法等龐雜的內容。為厘清接地裝置腐蝕研究的脈絡并分析現有研究面臨的挑戰，筆者重點從碳鋼接地材料的腐蝕機理、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展，分析接地裝置腐蝕防護措施的特點，分析電化學腐蝕診斷方法、電網絡分析診斷方法、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狀，總結現有研究面臨的挑戰，并對下一步研究方向進行展望。本文內容可為未來接地裝置腐蝕相關研究提供方向，為發變電站、輸電線路的接地設計及接地相關的運維部門提供技術支撐。

1 接地裝置腐蝕特性的研究進展

接地裝置埋設在土壤環境中，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境中接地材料自身腐蝕的主要特點。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，促進局部腐蝕發生。針對碳鋼材料和土壤組成的腐蝕系統，碳鋼材料表面同時發生陰極反應和陽極反應。其中，陽極反應為[15]

Fe→Fe^（2+）+2e。 （1）

陰極反應分為2種情況：在氧氣充足區域，碳鋼材料表面的陰極（吸氧）反應為

O_2+2H_2 O+4e→4OH^-； （2）

在缺氧或酸性環境下，碳鋼材料表面的陰極（析氫）反應為

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，在缺氧或酸性環境下，大量滲入的H^+會在碳鋼材料腐蝕缺陷部位反應生成H_2，并在H_2的聚集部位產生巨大的膨脹效應，導致氫脆，破壞碳鋼接地材料的結構。

根據式（1）～（3）可知，碳鋼接地材料表面的生成物會進一步發生如下反應：

Fe^（2+）+2OH^-→Fe〖（OH）〗_2。 （4）

式中，Fe〖（OH）〗_2并不穩定，在潮濕的土壤中容易發生水解反應：

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

在較為干燥的土壤中，容易發生脫水反應：

在缺氧的土壤中，Fe2+容易聚集在碳鋼材料附近，發生如下反應[16]：

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

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

式（1）～（7）為無外加激勵作用下碳鋼接地材料的自然腐蝕機理。實際工程中，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在對式（1）～（7）中化學反應過程的促進或抑制。各電流分量對接地材料腐蝕的影響在章節1.3進行詳細介紹。

1.1.2 金屬接地材料

接地裝置材料以金屬為主，不同金屬在土壤環境中的腐蝕機理及速率不同。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標準文件中關于接地設計中的材料選擇均以銅材料為主[9]。采用銅作為接地材料，主要具有以下優點：a）導電性能好，純銅電阻率為17.5 nΩ·m，約為鋼電導率的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，銅化學性質更加穩定，使用壽命達50年以上。銅的腐蝕生成物CuO和Cu（OH）2能夠有效抑制進一步腐蝕。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。主要缺點為：a）銅為有色金屬，資源短缺，造價高昂；b）銅為重金屬，埋設在土壤中容易污染土壤及地下水，存在環境污染問題。

2） 碳鋼材料。國內桿塔接地極、變電站接地網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，其主要優點是容易制造加工，經濟性好，導電性能較好，電阻率約為170 nΩ·m，與銅材電導率相差一個數量級[31]，但能夠基本滿足接地裝置的電氣需求；主要缺點是容易腐蝕。碳鋼在土壤中易發生點腐蝕、局部腐蝕，腐蝕部位易出現起層、變脆、斷裂等情況，導致接地電阻增加，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等方面的優勢，并解決鋼材在耐腐蝕性方面的不足，大量學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，鍍銅鋼存在造價較高的問題。不銹鋼材料容易發生點蝕，由于不銹鋼的合金含量較高，導電能力存在一定下降。鍍鋅鋼是目前接地領域采用較多的合金材料，具備工藝簡單、價格低廉、導電性能好等優點。然而，鍍鋅鋼是以鍍鋅層作為犧牲陽極，形成氧化膜，保護內部的碳鋼。鍍鋅層的腐蝕速率和碳鋼相當，且和土壤環境相關，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電防腐涂料等。石墨類接地材料主要包括石墨金屬復合材料、柔性石墨復合材料、石墨導電混凝土、石墨接地模塊等。石墨材料具有熱穩定性好、導電性能好、耐腐蝕性好等優點。在腐蝕過程中，石墨電解速度比多數金屬緩慢，表現出比多數合金更好的耐腐蝕性[33]。但石墨材料質地較脆，運輸過程中容易導致損壞。因此，石墨接地材料主要作為現有接地方式的補充，有助于提高現有接地裝置的導電性能及耐腐蝕性[34]。導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）和復合摻雜型涂料（添加型）[35]。本征型涂料通過直接合成導電高分子聚合物，并制備成涂料，其各方面性能整體不如復合摻雜型涂料。因此，接地裝置防腐涂料以復合型導電防腐涂料為主，比如石墨烯復合型涂料、碳納米管復合型涂料、石墨烯/碳納米管復合型涂料等[36-37]。整體而言，大多導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生腐蝕的難易程度。接地裝置埋設在土壤中，直接受到土壤腐蝕性的影響。土壤是一個由氣、液、固三相物質構成的復雜多孔介質，具有電解質的特征。實際工程中土壤環境非常復雜，僅國內就有多達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《國家材料環境腐蝕野外科學試驗網站材料土壤腐蝕試驗規程》，土壤包含28種環境因素，文中重點介紹以下7種對土壤腐蝕性影響較大的參數：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。然而，當土壤含水量過高時，氧氣的擴散效應受到阻礙，土壤腐蝕性減弱。當土壤含水量小于10%時，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，金屬材料通常作陽極運行，容易腐蝕。土壤含氧量較多時，金屬材料通常作陰極運行，不易腐蝕。土壤含氧量和土壤含水量、土壤孔隙度密切相關。土壤含水量較低（干燥）或孔隙度較大（稀疏）時，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）時，氧氣難以通過，土壤中氧氣含量較低，土壤腐蝕性通常較強。

3）含鹽量。土壤電解質中陽離子有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。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層， 和土壤中Pb2+可生成PbSO4保護層，保護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。在大多土壤環境條件下，多種微生物共存，對土壤腐蝕性產生更復雜的影響。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生無機酸、有機酸、硫化物、氨等產物，上述代謝產物均具有腐蝕作用；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層的穩定性；d）微生物可促進接地金屬材料腐蝕的陰極去極化過程。

5）孔隙度。孔隙度[42]是土壤結構參數之一，和土壤含水量、含氧量相關。其中，含水量和含氧量是影響土壤腐蝕性的重要因素。孔隙度較大，可為土壤中滲透更多氧氣及水分奠定基礎。另一方面，孔隙度較大的土壤容易促進接地金屬材料生成具有保護能力的腐蝕產物層。孔隙度較小的區域，氧濃差腐蝕電池容易導致接地金屬材料的陽極反應區域發生嚴重腐蝕。

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（砂質黏土和鹽堿土）。一般來說，土壤腐蝕性隨pH減小而增強。因為酸性條件能夠促進氫的去極化過程，導致土壤腐蝕性增強。此外，當土壤中含有大量有機酸時，即使土壤pH值接近中性，仍具有較強腐蝕性。土壤酸度的來源復雜，包括酸性礦物質、微生物活動產生的有機酸和無機酸、工業污染等。因此，通常通過測定土壤總酸度（酸性物質含量）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，可視為綜合體現土壤腐蝕性的一個參數。大多數情況下，土壤電阻率越小，腐蝕性越強；反之，腐蝕性越弱。

1.2.2 土壤腐蝕性的評價方法

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、電化學測試分析法、單一指標評價法、多指標綜合評價法[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間，按一定周期對樣品進行清洗、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量率和腐蝕速率。該方法能夠準確反映土壤腐蝕性，常作為參考標準。但失重法耗時長、工作量大，存在測量效率不足等問題[45]。

2）電化學測試分析法。土壤中的接地金屬腐蝕是一個復雜的電化學腐蝕過程。通常可采用電化學測試分析法（極化曲線分析法、電化學阻抗譜分析法）對土壤的腐蝕特性進行分析。

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，通過外推強極化區的直線，求得Tafel斜率等參數。然而，金屬在土壤中的電化學腐蝕通常存在多對腐蝕反應，Tafel區可能并不明顯。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10 mV內的極化電阻[47]。結合其他途徑獲取的Tafel常數，可計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，腐蝕電位漂移大，容易導致嚴重誤差。弱極化區極化曲線法通過測量土壤試樣中接地金屬弱極化區的數據，分析測量腐蝕電流、Tafel常數等電化學參數，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行數據處理，存在擬合結果容易不收斂等問題。

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

3）單項指標法。影響土壤腐蝕性的主要土壤參數已在章節1.2.1中進行分析。分析結果表明，影響土壤腐蝕性的主要指標通常存在相互影響。比如，含水量、含氧量和土壤孔隙結構相關，土壤電阻率和含水量、含鹽量等相關。各個指標均通過不同的方式影響著土壤腐蝕性，如圖1所示。

因此，采取單項指標[19]評價通常僅能從某一方面判斷土壤腐蝕性，分析結果具有一定片面性。

4）多項指標法。多項指標法[18，49]是指通過分析多個土壤參數對土壤腐蝕性的綜合影響，實現土壤腐蝕性的準確判斷。針對多項指標法的土壤腐蝕性綜合評估方法研究，國外學者提出了Baeckman評價法、DIN50929評價法、ANSI A21.5評價法等廣泛應用的方法[50]。國內學者將線性映射、主成分分析、Fisher判別、聚類分析、模糊數學、神經網絡算法等多種識別技術用于土壤腐蝕性的綜合判斷[24，51]，并取得了良好的識別結果。整體而言，土壤中的實際腐蝕情況包含各種影響因素，且各影響因素之間的關系錯綜復雜，現有土壤腐蝕性多項指標綜合評價方法在準確性、可靠性、適應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。對于單極運行的直流輸電系統，直流接地極中存在大量直流電流。對于交流輸電線路，當輸電桿塔架空地線接地時，架空地線上存在自身和輸電導線之間的工頻感應漏電流，該電流會通過架空地線、接地引下線注入桿塔接地極，導致桿塔接地極中存在架空地線上流入的工頻感應漏電流。對于中性點接地的變壓器，當變壓器三相不平衡運行時，中性點存在不對稱的工頻電流分量，導致變電站接地網中存在變壓器接地中性點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。對于單極運行的直流接地極，電流總是從一個直流接地極流入，并從另一個直流接地極流出，如圖2所示[52]。

根據圖2可知，土壤、直流接地極和直流輸電系統可看作一個電解池系統。電流從土壤經過直流接地極A流入直流輸電系統，直流接地極A作為陰極運行。電流從直流輸電系統經過直流接地極B流入土壤，直流接地極B作為陽極運行。根據電解池原理可知，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，大大降低了接地極A的腐蝕速率。綜上所述，對于作陽極運行的直流接地極，為避免接地腐蝕故障導致的電力事故，需要考慮對其采取額外的腐蝕防護措施。

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、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2個周期內交替變化。當電流從接地材料流入土壤的半個周期內，接地材料作陽極運行，腐蝕速率增大。當電流從土壤流入接地材料的半個周期內，接地材料作陰極運行，腐蝕速率減小。交流電流作用下，接地金屬材料陰極運行、陽極運行交替變化。整體而言，交流電流作用下接地金屬腐蝕速率比較緩慢，其危害性遠小于直流腐蝕[53]。

1.3.3 雜散電流腐蝕

對于接地的電力設施而言，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、軌道交通供電系統、手機基站供電系統、船舶供電系統等。以雜散電流腐蝕較嚴重的軌道交通系統為例，電流從接地裝置A、鐵軌流入土壤，并從遠處的接地裝置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，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度大、腐蝕部位集中、點蝕可能性大等特點[54]。對于靠近鐵軌、直流接地極等設施的接地裝置，通常更容易發生雜散電流腐蝕。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行判斷，不同國家的標準在20 mV到100 mV之間，當超過標準電位差時，則認為存在雜散電流腐蝕，需要進行雜散電流排流等腐蝕防護措施[20，55]。然而，接地裝置中通常長期存在電流分量，并同時受到自然腐蝕、交流腐蝕、直流腐蝕、雜散電流腐蝕等多個因素影響，腐蝕情況更復雜。目前，雜散電流對電力系統接地裝置腐蝕的影響還有待研究。

2 接地裝置腐蝕防護措施的研究進展

針對接地裝置的腐蝕問題，主要從材料選擇、接地裝置設計、添加緩蝕劑、陰極保護等方面對其進行腐蝕防護。

2.1 接地材料選擇

國內接地金屬材料以碳鋼為主，第1.1節中涉及的鍍銅鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼、石墨、導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，鍍銅鋼造價較高。鍍鋅鋼等合金材料本質上是通過犧牲鍍層金屬來保護碳鋼材料，使用壽命方面提升不大。石墨、導電防腐涂料通常作為提升現有接地裝置耐腐蝕性的一種補充手段。綜上所述，現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，現階段仍缺乏一種能夠完全替代傳統碳鋼的新型接地材料[56]。

2.2 接地裝置設計

接地裝置設計[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，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致成本大幅增加。因此，接地裝置設計主要是作為避免腐蝕斷裂引起電力事故的手段，并非從機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生電解反應，能夠抑制接地金屬的腐蝕。同時，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，焦炭不夯實容易導致防腐能力不足，焦炭過于夯實容易導致析出氣體難以排除。目前該方法主要應用于直流接地工程。

2.4 陰極保護法

陰極保護法[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接地金屬腐蝕電位更負、更容易腐蝕的金屬（Mg及其合金、Zn及其合金）與被保護接地金屬材料連接，以更容易腐蝕的金屬作為犧牲陽極，對被保護的接地金屬形成陰極保護。外加電流法需要將被保護的接地金屬長期連接至恒電位儀的負極，通過長期外接電源對接地金屬達到陰極保護的目的。上述陰極保護方法均能夠對接地金屬進行較好的腐蝕防護，但在接地裝置設計及運維方面會增加一定成本。綜合考慮接地裝置的復雜性及現場實施條件，目前陰極保護法并未在實際接地工程中廣泛應用。

3 接地裝置腐蝕診斷方法的研究進展

腐蝕導致接地金屬材料變細、斷裂，腐蝕產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三極法等方式測量的接地阻抗進行評估[61-62]。接地網中大部分導體主要起勻壓作用，導體之間距離較近，屏蔽作用顯著，單根導體對降低接地電阻的貢獻并不顯著，少數導體腐蝕斷裂后對接地網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整體的接地性能，難以準確評估接地網局部腐蝕程度及具體腐蝕位置等。現有接地裝置腐蝕診斷方法主要分為電化學腐蝕診斷方法、電網絡分析診斷方法和電磁場分析診斷方法。

3.1 電化學腐蝕診斷方法

電化學腐蝕診斷方法是通過測量接地金屬材料腐蝕電化學參數分析接地裝置的腐蝕情況。以典型的變電站腐蝕接地網為例，基于三電極測量體系的電化學檢測系統如圖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在接地網附近。

為抑制無關的干擾信號，接地網腐蝕程度電化學檢測過程中通常選擇暫態測量技術，并采用小波變換等濾波技術、Levenberg-Marquardt等擬合方法處理測量數據[63]。最終，通過分析充電曲線等參數，獲取接地網的極化電阻，進而判斷土壤中接地網的腐蝕程度。為提高接地網電化學腐蝕診斷方法的準確性，一些學者從傳感器研制、數據處理方法優化、腐蝕分析軟件開發等方面改進了傳統電化學診斷方法[64]。電化學腐蝕診斷方法的優點是從腐蝕機理出發，能夠直接有效地表征接地網腐蝕參量。然而，電化學診斷方法主要存在兩方面問題：1）難以解決接地網上的強噪聲信號、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、雜散電流等通常遠強于電化學診斷方法的測試信號，傳感器的測量信號容易被上述強信號覆蓋，導致診斷結果不準確。2）不同于典型三電極測量系統中的小尺寸待測物件，接地網尺寸較大，測試過程中極化電流存在于整個接地網上，被極化的接地網金屬面積難以確定，容易導致腐蝕電流密度計算出現較大誤差。整體而言，電化學腐蝕診斷方法主要用于理論分析、實驗室研究，尚未在實際工程中廣泛應用。

3.2 電網絡分析診斷方法

傳統接地網腐蝕斷點檢測方法主要是導通電阻測試法[65-66]。電流注入和電壓響應測試在2個相同的可及節點上，通過可及節點之間的導通電阻來判斷接地網的腐蝕斷點情況。當接地導體的腐蝕斷點距離測試節點較遠時，測試節點之間的導通電阻變化往往不明顯，難以發現腐蝕斷裂位置[66]。因此，導通電阻測試方法需要多次輪換測試不同可及節點之間的導通電阻，確保每個可及節點附近均無腐蝕斷點，存在測量效率低、隨機性大等問題。為解決上述問題，大量研究將電網絡分析診斷方法引入接地網腐蝕診斷過程中。通過不同激勵方式測量不同接地引下線間的電壓響應，進而采用接地網腐蝕故障診斷算法評估接地網的腐蝕情況，如圖6所示。其中，接地網的節點主要分為可及節點和不可及節點。可及節點通常通過接地引下線與外部電氣設備連接，反之，則為不可及節點。

接地網腐蝕故障診斷方法主要基于特勒根定理和靈敏度矩陣[67]。根據圖6可知，可及節點數量通常小于接地網的節點總數，腐蝕診斷方程具有欠定性和非線性。為采集更多相關數據，測量過程中通常需要輪換激勵源及測量響應點的位置[68]。此外，電網絡腐蝕診斷法需要已知接地網拓撲結構，然而，施工不規范等問題經常導致實際接地網結構和施工圖紙不完全一致。為修正接地網未知拓撲帶來的誤差，張瑞強[69]提出了拓撲結構變化的修正方法、接地網未知拓撲重構等方法。重慶大學的研究團隊將遺傳算法、人工蜂群算法、支持向量機等優化算法用于腐蝕診斷過程，提出了分步分塊的測量方法、導體腐蝕斷裂的診斷方法、接地網腐蝕診斷的優化方法，提高了傳統電網絡診斷方法的測量效率和準確度[27，70-71]。西安科技大學的研究團隊提出了基于網絡拓撲分層約簡的接地網腐蝕診斷模型[26，72]、基于蒙特卡羅法的接地網腐蝕診斷方案[73]、接地網故障診斷的4類可測性指標等[74]，大量試驗結果驗證了提出方法的可靠性。綜上所述，國內學者在基于電網絡分析的接地網腐蝕診斷技術方面已經積累了大量實踐經驗。然而，電網絡分析診斷方法主要存在以下問題：1）缺乏研究接地導體斷裂前接地網不同腐蝕程度的診斷技術，難以預防接地導體腐蝕斷裂導致的電力事故。腐蝕斷裂前接地導體上電磁信號變化并不顯著，因此，現有電網絡分析診斷方法側重于診斷接地網支路的斷裂與否。2）依賴接地網的拓撲結構，在圖紙缺失的情況下，診斷結果容易存在較大誤差。3）測量及計算效率有待進一步提高。由于不可及節點數量較多，測量數據不夠，容易造成方程欠定，需要對可及節點進行激勵源、測量響應點的位置輪換，工作量較大。整體而言，現有研究缺乏提出一種準確、高效的接地網腐蝕診斷方法。

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導體缺陷進行診斷，該方法由國外學者Dawalibi首次提出[75]。按照激勵方式分類，接地網腐蝕診斷的電磁場分析方法主要包括異頻電流激勵方法和發射機磁場激勵方法[76]。異頻電流激勵方法是通過對接地網注入異頻（30 Hz～30 kHz）正弦電流（幾安到幾十安），測量分析腐蝕接地網正上方地表磁場的變化，實現接地網腐蝕斷點的診斷[77]。發射機磁場激勵方法又叫瞬變電磁法，是通過在接地網附近放置一個發射機作為磁場激勵，發射機中的電流在某一個時刻被迅速關斷，大地會感應出一個二次磁場來阻止一次磁場（發射機產生的磁場）的變化[28-29]。二次磁場由于歐姆損耗逐漸減弱，在腐蝕接地網上形成電渦流。最終，通過分析腐蝕接地網表面電渦流產生的磁場，實現接地網的腐蝕診斷。國內已經有部分學者在基于瞬變電磁法的接地網診斷技術方面取得重要進展[78]。整體而言，電磁場分析方法的優點主要表現在不受可及節點位置的影響，對非可及節點區域的接地網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）電流激勵類方法難以準確測量距離電流注入節點較遠區域的接地網腐蝕缺陷情況。注入點附近的電磁場強，遠離注入點處的電磁場弱且磁場分布不均勻，難以準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準確探測接地網整體的腐蝕缺陷情況。2）測量結果容易受到干擾。變電站內的電磁環境復雜，諧波、開關操作和線路電流變化引起的工頻磁場干擾可達十幾微特斯拉。同時，變電站內接地網上方的大量電力設備也會對測量過程中電磁場分布產生影響，導致測量誤差。

4 現有研究面臨的挑戰

接地網腐蝕是國內電力行業的一個典型問題，幾十年來，國內學者及工程人員在接地網腐蝕相關研究中做出了巨大貢獻。然而，筆者認為現有接地裝置腐蝕相關的研究仍面臨以下幾方面挑戰。

4.1 不同接地材料之間的腐蝕研究

為解決碳鋼腐蝕問題，電力行業已經提出了多種接地材料。綜合考慮成本、接地性能、接地系統體量等因素，各種新型接地材料難以完全替代傳統接地網。為改善現有接地極的接地性能，實際工程中石墨、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，容易導致腐蝕電位較低的材料及其連接點處加速腐蝕，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理及連接方式均需進一步研究。

4.2 新型耐腐蝕接地材料研究

添加緩蝕劑、陰極保護 等腐蝕防護措施存在有效期短、運維成本高等問題。導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間保持較好的耐腐蝕性，合金鍍層容易在幾年內脫落。另一方面，考慮到銅材料的成本，我國現階段難以采用銅材料完全替換現有接地裝置。為解決上述現有接地材料存在的腐蝕問題，亟需研究一種耐腐蝕性強、成本低、壽命長、能夠適用于不同土壤環境的新型耐腐蝕接地材料。

4.3 接地裝置實際腐蝕程度量化

接地裝置實際腐蝕程度量化可為接地裝置腐蝕診斷提供理論依據。實際腐蝕產物通常呈點腐蝕、面腐蝕等非均勻分布，為一個粗糙面。然而，現有研究通常將腐蝕產物近似為接地導體表面覆蓋的高電阻率均勻涂層，缺乏考慮實際腐蝕產物的非均勻性，和實際腐蝕情況存在一定差異。另外，腐蝕產物在不同腐蝕階段具有不同的成分、結構，導致不同腐蝕程度下腐蝕產物的電導率、磁導率、介電常數等電磁參數的不同。同時，實際腐蝕產物表面粗糙、結構復雜，難以直接通過現有儀器進行全面而準確的測試。上述方面均導致難以形成接地裝置實際腐蝕程度量化標準。因此，不同階段腐蝕產物的電磁特性及形貌特征、接地裝置實際腐蝕程度的量化等工作仍需進一步研究。

4.4 接地裝置潛在腐蝕故障診斷

現有接地裝置的腐蝕診斷方法以電網絡分析診斷法和電磁場診斷方法為主，難以準確診斷出接地導體腐蝕斷裂前的潛在腐蝕故障，即準確診斷出接地導體的腐蝕程度及腐蝕斷裂的概率。在接地網腐蝕過程中，只要接地導體未徹底斷裂，電磁測量過程中不同腐蝕程度接地裝置的電磁響應變化并不顯著，給準確判斷接地裝置的腐蝕程度帶來了困難。另一方面，由于腐蝕導致的測量信號變化較小，變電站內復雜的電磁環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方式、測量方式、數據處理方法等方面均有待進一步研究。

4.5 接地引下線腐蝕故障快速診斷

接地引下線是電力設備和接地裝置的重要組成部分。實際工程中，接地引下線更容易發生腐蝕斷裂，導致電力設備和接地裝置斷開，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境更復雜，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，當引下線和接地裝置材料不同時，存在電偶腐蝕，容易進一步加速焊接點的腐蝕斷裂。對于接地引下線焊接點處的腐蝕斷點問題，主要采用導通電阻測試法進行診斷。當引下線斷點不在電流注入、電壓響應測試節點上，難以發現引下線的斷點問題。因此，該方法通常需要對每根接地引下線均做導通測試，由于變電站內接地設備較多，測量效率較低。此外，現有方法仍難以在導體完全斷裂前準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一步研究。

5 總 結

為保證電力設備安全穩定運行，準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重要。文中系統分析了接地裝置腐蝕特性、接地裝置腐蝕診斷方法及現有研究方法面臨的挑戰。

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值和電阻率等參數的影響，其評價方法主要有失重法、電化學測試分析法、單一指標評價法、多指標綜合評價法。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腐蝕診斷法、電網絡分析診斷法和電磁場分析診斷法。電化學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，電網絡分析診斷法存在需要已知接地網拓撲結構等不足。整體而言，實際工程中接地裝置的腐蝕診斷以電網絡分析診斷法和電磁場分析診斷法為主。

3）現有研究主要面臨以下挑戰：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。建議后續研究圍繞解決以上問題開展，為準確診斷接地裝置的腐蝕程度、避免接地裝置腐蝕導致的電力事故奠定基礎。

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