一種三電極接地網(wǎng)腐蝕速度測(cè)量?jī)x的開(kāi)發(fā)

高釧

摘 要：接地網(wǎng)在維持電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，及保護(hù)變電站工作人員的人身安全方面，都起著極其重要的作用。由于接地網(wǎng)被腐蝕斷裂，而引起的電力系統(tǒng)的事故經(jīng)常發(fā)生，文章采用接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕檢測(cè)原理，針對(duì)以碳鋼為主材的接地網(wǎng)，開(kāi)發(fā)了用于腐蝕速度的測(cè)量系統(tǒng)。本測(cè)量?jī)x采用了三電極傳感器，和積分電壓檢測(cè)電路，基于階躍恒流源金屬電化學(xué)測(cè)試方法，有效地避免了發(fā)電廠、變電站等電力設(shè)備，以及土壤等測(cè)試環(huán)境對(duì)電化學(xué)測(cè)試響應(yīng)信號(hào)的干擾。由實(shí)驗(yàn)得出控制加載的階躍電流值在24-30uA左右時(shí)，就能保證極化電位處在線性范圍內(nèi)，又減小了響應(yīng)電位的誤差。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；腐蝕；電化學(xué)檢測(cè)；自腐蝕電位

引言

由于大的雜散電流的影響，使接地網(wǎng)的腐蝕防護(hù)不同于一般的地下金屬設(shè)備的腐蝕與防護(hù)，接地網(wǎng)多則10年，少則3-4年便發(fā)生損壞甚至斷裂，破壞電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。目前主要利用接地引下線測(cè)量的方法，得到各段接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體的電阻值，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，以及電阻值的變化反應(yīng)地網(wǎng)的腐蝕情況[1-2]。在實(shí)際工程中，常根據(jù)地區(qū)的土壤腐蝕率，經(jīng)驗(yàn)地估計(jì)接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度，不能準(zhǔn)確地判斷腐蝕程度和斷點(diǎn)[3]。文章利用相似性模型實(shí)驗(yàn)，研制了三電極傳感器用于測(cè)量接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)，及階躍型微安可變恒流激勵(lì)源和積分毫伏電壓采集電路，能測(cè)量包括自腐蝕電位、恒流源大小、極化電位等參數(shù)，基于擬合算法得出腐蝕速率大小。

1 接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)測(cè)量原理

文章開(kāi)發(fā)的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，是基于金屬陽(yáng)極氧化原理，采用與被測(cè)接地網(wǎng)相同的碳鋼材料作為研究電極，以不銹鋼作為輔助電極，以飽和硫酸銅作為參考電極，組成三電極傳感器，采取相似性模擬實(shí)驗(yàn)的方法，在實(shí)驗(yàn)室即可初步獲得被測(cè)接地網(wǎng)的腐蝕狀況。電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)還包括激勵(lì)與檢測(cè)電路和接地網(wǎng)土壤腐蝕電化學(xué)檢測(cè)軟件組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。恒電流充電曲線測(cè)試方法簡(jiǎn)單、快捷，因此適合接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，基本原理是對(duì)腐蝕體系施加恒定階躍電流，記錄極化電位隨時(shí)間的變化曲線[4]，圖2為恒電流充電曲線，充電曲線方程式表示為：

式中：U是檢測(cè)輸出電壓值；RP表示極化電阻；Cd表示界面電容；R1表示介質(zhì)電阻。工作電極的極化電阻和土壤電阻可以通過(guò)計(jì)算充電曲線的斜率獲得，并以極化電阻RP作為表征接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的特征參數(shù)，通過(guò)比較極化電阻值的不同時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)大小，可判斷被測(cè)地網(wǎng)的腐蝕的變化情況。

測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程為，首先標(biāo)定接地網(wǎng)金屬的自腐蝕電位，然后對(duì)接地網(wǎng)金屬施加依次增加的恒電流階躍信號(hào)，并實(shí)時(shí)采集響應(yīng)信號(hào)即恒電流階躍電位。以響應(yīng)的電位信號(hào)與自腐蝕電位的差值，和施加的恒電流，土壤的電阻等相關(guān)參數(shù)，即可求出陽(yáng)極極化電阻RP和腐蝕電流密度Icorr，其中Icorr=B/RP，B=25mV為Stern-Geary 常數(shù)。接地網(wǎng)年腐蝕深度可以通過(guò)腐蝕電流Icorr與被測(cè)接地網(wǎng)金屬的電化學(xué)當(dāng)量來(lái)計(jì)算獲得，假設(shè)三電極傳感器中的有效限流面積取，那么年腐蝕深度計(jì)算公式如下：

式中：D（m/y）代表年腐蝕深度；K為常數(shù)0.003 27；A表示金屬原子量；Icorr（mA/cm2）表示腐蝕電流密度；n表示失電子數(shù)；ρ（g/cm3）表示被測(cè)金屬的密度。

2 激勵(lì)與數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用0-100uA階躍電流信號(hào)作為激勵(lì)源，使電極之間發(fā)生極化反應(yīng)。激勵(lì)源使用REF200產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)100uA電流鏡像源，由精密運(yùn)算放大器OPA602對(duì)電流放大和縮小，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)，如下圖3所示。

由于采集的極化電壓數(shù)據(jù)噪音較大，本系統(tǒng)采用ICL7135雙積分電壓數(shù)據(jù)采集模塊，來(lái)采集參比電極與研究電極之間的電位差，減小高頻噪聲，雙積分采集模塊電路圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

土壤腐蝕速率監(jiān)測(cè)是基于電化學(xué)極化分析法，實(shí)驗(yàn)使用了304型不銹鋼作為研究輔助電極，Q235型碳鋼作為研究電極，飽和硫酸銅溶液作為參比電極并以品字形分布的三電極土壤腐蝕速率檢測(cè)傳感器與相對(duì)應(yīng)的采集裝置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下，先測(cè)量未加激勵(lì)情況下的土壤自腐蝕電位，然后分別在研究電極和輔助電極之間施加0-100uA的恒流源激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量參比電極和研究電極之間的響應(yīng)，并基于電化學(xué)理論計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下土壤對(duì)膨脹節(jié)的腐蝕速率。

采集環(huán)境為土壤濕度為5%，測(cè)得土壤自腐蝕電位為590mV。階躍電流在24-51uA波形較為穩(wěn)定，也就是土壤極化反應(yīng)電位的線性區(qū)，在該區(qū)域能夠真實(shí)的反應(yīng)土壤的腐蝕情況。當(dāng)階躍電流大于51uA后，由其引起的極化電位就已超出線性區(qū)；而當(dāng)階躍電流小于24uA時(shí)，經(jīng)觀測(cè)極化反應(yīng)電位的測(cè)量誤差比較大。在24-51uA范圍內(nèi)取階躍電流36uA處可求得：

測(cè)量土壤電阻采用的方法是交流阻抗法，即在研究電極和輔助電極之間施加頻率為1000Hz，幅值為5V的正弦波信號(hào)，并經(jīng)電流電壓變換后對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換為與土壤電阻RS大小相對(duì)應(yīng)的0V-4V的直流電壓信號(hào)，圖5為用高斯數(shù)據(jù)擬合理論建立的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中土壤電阻與電壓信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型。

由實(shí)驗(yàn)可以得出在測(cè)量階躍恒電流曲線時(shí)，如果施加的階躍電流控制在24-51uA左右時(shí)，能保證極化電位處在線性區(qū)范圍，同時(shí)能減小響應(yīng)電位的測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)可以有效避免由土壤腐蝕斷裂而引起的電力系統(tǒng)的事故的發(fā)生，而恒電流充電曲線技術(shù)可以快速測(cè)量土壤對(duì)膨脹節(jié)的腐蝕速率。由該充電曲線解析得出極化電阻，通過(guò)分析階躍電流值對(duì)極化電阻的影響以及不同階躍電流下響應(yīng)電位差值，研究了使極化在線性區(qū)內(nèi)的階躍電流范圍。研究表明，施加的階躍電流值控制在24-30uA左右時(shí)，既保證了極化電位在線性區(qū)范圍內(nèi)，又減小了響應(yīng)電位的誤差。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積小，使用操作便捷，容量大，檢測(cè)準(zhǔn)確性好，實(shí)用性強(qiáng)，便于推廣使用。

參考文獻(xiàn)

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