一种接地网腐蚀状态的监测评价方法

技术领域

本发明涉及电力安全防护技术领域，尤其是一种接地网腐蚀状态的监测评价方法。

背景技术

在电力系统中，为了整个系统的工作和安全的需要，常常需要将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。电力系统接地的作用有两种：工作接地、保护接地。其中保护接地分为：防雷接地、防静电接地、防绝缘击穿或漏电接地等三种。工作接地主要是为电力系统提供一个稳定的电位参考点的作用；保护接地主要是提供了一个泄流电流通道的作用，以防止出现人员或电力设施的安全事故。

接地装置是电力系统接地载体，通过是电力系统或电气设备与大地相连接的媒介。接地装置由直接与土壤相接触的接地网，及连接接地网与电力系统或电气设备接地端子的接地引线组成。组成接地网的金属导体、接地引线都叫做接地装置或接地网的支路。按照接地装置的规模，划分为一般接地装置和大型接地装置。接地装置的安全性、合格性，对整个电力系统的安全稳定运行起着举足轻重的作用。

影响接地装置接地性能的因素一般有三个，分别为：接地装置的规模、所处环境土壤电阻率、接地装置组成材料的导电性。目前我国大型接地装置以镀锌扁钢为主，在多年运行后，部分开始出现严重腐蚀问题，而组成接地装置的接地网处于地下，属于隐蔽性设施，平常运维与巡视中难以发现腐蚀缺陷，因此接地装置的腐蚀问题成为电力系统安全运行的一大隐患。

多年来，随着我国电力规模的发展，新建变电站、电厂的运行，各个变电站的短路电流水平不同，且呈现上升趋势，因此各个电力单位都要求每年进行接地装置支路导体的热稳定性校核。该项校核工作需要搜集接地材料在所处环境下的腐蚀速率，从而才能较准确的给出接地装置支路的当前截面面积，给出能够最大通过的短路电流水平。

接地网在土壤中的腐蚀分为三大类：电化学腐蚀、杂散电流腐蚀和微生物腐蚀。其中电化学腐蚀较突出，是接地网腐蚀的主要腐蚀形式。腐蚀速率测量方法是接地网腐蚀监测技术的重点。腐蚀速率测量方法有很多种，最原始最简单的方法就是失重法，与之原理相似的是挂片法。此外，还有电阻探针法以及电化学法。接地网埋于土壤环境中，具有自身比较特殊的测试环境，并且接地网的腐蚀是在其工作期间发生的，测量腐蚀速率的同时不能使其停止工作或使其离开土壤，因此失重法、挂片法和电阻探针法并不合适。腐蚀速率的电化学测试技术是一种可以进行实时测量的原位测量技术，灵敏度较高，能够测得金属的瞬时腐蚀信息，也可以长期监测金属电极表面腐蚀状况，从而可以满足接地网腐蚀速率长期在线监测的要求。

然而，以往仅通过腐蚀速率等少数参数指标来判断接地网腐蚀状态良好与否的效果并不理想，而且存在一定的片面性。由于接地网接地极金属腐蚀比一般敞开体系的腐蚀要复杂的多，测量参数分散、影响因素多，不仅与接地极的腐蚀电位、腐蚀速率的大小有关，而且包括土壤的酸碱度变化pH值、氯离子浓度值、土壤电阻率等在内也是影响埋地接地极腐蚀的最重要的参数。因此，如何进一步使用电化学测试技术来提升接地网腐蚀状态判断的准确性和全面性已然成为本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种接地网腐蚀状态的监测评价方法，通过监测接地网现场土壤环境中的土壤电阻率、pH值和Cl离子浓度，并结合腐蚀电位和腐蚀速率，建立接地网腐蚀状态判断表达式来实现对接地网接地极结构的全面、精准、有效的腐蚀监测。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种接地网腐蚀状态的监测评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取接地网区域的土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度、腐蚀电位和腐蚀速率；

建立关于所述土壤电阻率、所述土壤环境pH值、所述土壤氯离子浓度、所述腐蚀电位和所述腐蚀速率的接地网腐蚀状态判断表达式，该表达式如下：

E＝40％A+30％B+10％C+20％D；

式中，E为接地网腐蚀状态参数，用于表征接地网的状态，分为不可用状态、可用状态和正常状态；A为所述腐蚀电位对应的得分值；B为所述腐蚀速率对应的得分值；C为所述土壤电阻率对应的得分值；D为所述土壤氯离子浓度与其结合所述土壤环境pH值所算得的氢氧根离子浓度之间的比值对应的得分值；

根据所述表达式计算E值，并根据E值判断所述接地网的腐蚀状态。

所述接地网腐蚀状态参数E的判断分为：

当E大于等于2.7时，判断所述接地网处于不可用状态；

当E大于1.5且小于2.7时，判断所述接地网处于可用状态；

当E小于等于1.5时，判断所述接地网处于正常状态。

各得分值的取值标准包括：

当所述腐蚀电位大于-500mV时，A＝1，当所述腐蚀电位处于-500mV至-850mV时，A＝2，当所述腐蚀电位小于-850mV时，A＝3；

当所述腐蚀速率小于0.1mm/a时，B＝1，当所述腐蚀速率处于0.1mm/a至1mm/a时，B＝2，当所述腐蚀速率大于1mm/a时，B＝3；

当所述土壤电阻率大于100kΩ·cm时，C＝1，当所述土壤电阻率处于50kΩ·cm至100kΩ·cm时，C＝2，当所述土壤电阻率处于10kΩ·cm至50kΩ·cm时，C＝3，当所述土壤电阻率小于10kΩ·cm时，C＝4；

当所述土壤氯离子浓度与所述氢氧根离子浓度之间的比值小于0.6时，D＝1，当所述土壤氯离子浓度与所述氢氧根离子浓度之间的比值大于0.6时，D＝2。

所述土壤电阻率通过测量所述接地网区域内的土壤电阻而计算获得，计算公式为：

式中，ρ为土壤电阻率，R为测量到的土壤电阻，L为电阻电极间距，S为电阻电极的截面积。

所述土壤环境pH值是通过测量所述接地网区域内的土壤的pH开路电位而计算获得，计算公式为：

式中，η

所述土壤氯离子浓度是通过测量所述接地网区域内的土壤的Cl离子开路电位而计算获得，计算公式为：

式中，η

依据测得的土壤环境pH值η

所述腐蚀速率是通过测量接地网接地极的腐蚀电流而计算获得，计算公式为：

式中，V为接地网接地极的腐蚀速率，i

本发明的优点是：通过引入土壤电阻率、土壤环境pH值和土壤Cl离子浓度的判断参数，并结合腐蚀电位和腐蚀速率，能够更加精准地判断接地网腐蚀状态，进而更有效地评价变电所接地网运行的安全性及服役寿命，从而为电力运维人员采取更科学、合理的检修措施提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的流程示意图；

图2是碳钢在水体系中的电位-pH值示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例中的接地网腐蚀状态的监测评价方法包括如下步骤：

S100：获取接地网区域的土壤电阻率。

S200：获取接地网区域的土壤环境pH值。

S300：获取接地网区域的土壤Cl离子浓度。

S400：获取接地网区域的腐蚀电位。

S500：获取接地网区域的腐蚀速率。

S600：依据土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度、腐蚀电位和腐蚀速率判断接地网的腐蚀状态。

在步骤S100中，土壤电阻率是通过测量土壤的电阻而计算获得。可以在接地网处的土壤中设置电阻传感器，电阻传感器用于获取土壤的电阻。考虑到接地网所埋的环境土壤具有以下特征：首先具有多相性，主要由土粒、水和空气组成，是具有复杂的多相结构。其次是毛细管多孔性，是一种腐蚀性的电解质。然后是不均匀性，土壤的各种物理化学性质，特别是与腐蚀相关的电化学性质，是不均匀分布的。最后是相对固定性。这些性质决定了金属在土壤中的腐蚀状况。

土壤电阻率能反应土壤介质的导电能力，是代表土壤腐蚀性的重要指标，土壤电阻率也是影响土壤腐蚀的综合性因素，土壤的含盐量，含水量，温度等都会影响土壤电阻率的大小。一般土壤电阻率低的土壤腐蚀性强。因此，通过土壤电阻率来判断土壤的腐蚀性，进而再判断接地网的腐蚀状态，便能够提高判断精确性。

土壤电阻率的计算公式为：

通常在设计制作多功能电化学腐蚀探头时，L和S分别为固定值，例如：对于某牵引变电所接地网的圆柱形接地极，电阻电极间距L设定为2cm，电阻电极直径d设定为0.6cm，即截面积cm

在步骤S200中，土壤环境pH值是通过测量土壤的pH开路电位而计算获得。可以在接地网处的土壤中设置pH开路电位传感器，pH开路电位传感器用于获取土壤的pH开路电位。考虑到接地网埋设在土壤中，表面部位接触的土壤理化性质不同，形成的电极电位就会产生差异，这种差异是引起接地网腐蚀的原因之一。土壤介质中含水分量、含氧量和含盐种类不同，会呈现出不同的酸碱度。通常将pH值在6.5-7.5的土壤划分为中性土，大多数土壤是呈中性的，但有些土壤是碱性的砂质粘土和盐碱土，PH值在7.5-9.5之间，也有的土壤是酸性腐殖土和沼泽土，pH值在3.0-6.0之间。各种金属材料在中性土壤介质中的腐蚀最轻。接地网的电化学腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应。一般的在酸性土壤中，阴极过程是腐蚀的控制步骤，主要受氧扩散控制。

土壤环境的pH值的计算公式为：

该斜率k

pH值是土壤的酸碱性强弱指标，是土壤中所含盐分的综合反映。一般而言，酸性土壤具有更高的腐蚀性，土壤pH值越低，其腐蚀性越强。金属材料在中性、碱性土壤中腐蚀较小。但当土壤中含有大量有机酸时，虽然土壤的pH值近于中性，但腐蚀性也很强。

一般金属材料在水溶液体系中的电位-pH值关系图如图2所示(以碳钢为例)，图2(a)为无氯离子的关系图，图2(b)为含氯离子的关系图。从图2中可知，尽可能保持土壤的高碱性和免遭氯离子侵蚀，保证碳钢始终处于钝化区或免蚀区是保护其免遭腐蚀的根本保障。最大限度地提高保护层长期抵御碳化和侵蚀性介质渗透的能力，发挥混凝土覆盖层本身的保护功能，是预防碳钢腐蚀的首要措施。

在自然界正常温度下，水的pH值一般在4.3-10.0之间，碳钢在这样的水溶液中，它的表面常常形成Fe(OH)

在步骤S300中，土壤Cl离子浓度是通过测量土壤的Cl离子开路电位而计算获得。可以在接地网处的土壤中设置Cl离子开路电位传感器，Cl离子开路电位传感器用于获取土壤的Cl离子开路电位。

Cl氯离子浓度值的计算公式为：

该斜率k

氯化物的侵入是引起接地网接地极腐蚀的重要原因之一，氯离子能破坏接地极表面钝化膜而引起接地极的局部腐蚀，对腐蚀过程具有催化作用。氯离子是极强的去钝化剂，一般认为在不均质的混凝土中氯离子能够破坏金属材料表面钝化膜，使金属发生局部腐蚀。在阳极区铁发生腐蚀生成铁离子，当金属界面环境存在氯离子时，在腐蚀电池产生的电场作用下，氯离子不断向阳极区迁移而富集。Fe

氯离子会腐蚀金属材料，氯离子参与金属腐蚀的过程中，破坏了金属表层的钝化膜，加快了金属腐蚀的速度。氯离子在土壤结构中对金属材料产生了破坏性的作用，主要是腐蚀金属的材料，氯离子在金属表面发生腐蚀，降低了金属材料的强度。氯离子腐蚀接地极后，引起了接地网工程早衰的情况，导致接地网工程提前进入了不稳定的状态，增加了接地网工程的安全风险。在氯离子含量较高的环境中，就会引起接地极腐蚀，造成接地网结构破坏，致使接地网不能在规定的年限中保持着安全稳定性。当氯离子在接地网结构中产生破坏，就会影响接地网的耐久性，不利于接地网工程的安全使用。氯离子在接地网耐久性方面的影响是一项重要的问题，就会影响到接地网的使用寿命，导致地网结构提前进入老化的不良状态，从而埋下安全隐患。

进一步地，依据测得的土壤环境pH值η

在步骤S500中，腐蚀速率是通过测量接地网接地极的腐蚀电流而计算获得，计算公式为：

在步骤S600中，判断接地网的腐蚀状态的步骤包括：

当E大于等于2.7时，判断接地网处于不可用状态；

当E大于1.5且小于2.7时，判断接地网处于可用状态；

当E小于等于1.5时，判断接地网处于正常状态；

E＝40％A+30％B+10％C+20％D；

其中，A为当前测得腐蚀电位对应的得分值，B为当前测得腐蚀速率对应的得分值，C为当前测得土壤电阻率对应的得分值，D为当前测得的Cl氯离子浓度与氢氧根离子浓度之间的比值对应的得分值。

在此之中，腐蚀电位是在特定环境条件下，在没有外加电流的情况下测得的金属材料的电位，是表征金属材料腐蚀状态的关键性指标，可用于对土壤中金属材料腐蚀倾向性作出评价，当腐蚀电位越负，表明金属材料腐蚀的倾向性越大。

腐蚀速率是表征土壤中金属材料腐蚀的快慢，接地网腐蚀状态在线监测装置主要是采用在单位时间内，金属材料厚度的减薄量来表示。腐蚀速率可对金属材料发生腐蚀的等级和构件保护层出现损伤的年限作出评价，是评估金属腐蚀的重要指标。

土壤电阻率能反应土壤介质的导电能力，是代表土壤腐蚀性的重要指标，土壤电阻率也是影响土壤腐蚀的综合性因素，土壤的含盐量，含水量，温度等都会影响土壤电阻率的大小。一般土壤电阻率低的土壤腐蚀性强。因此，通过土壤电阻率来判断土壤的腐蚀导电性能，进而再判断接地网的腐蚀状态，有利于提高金属腐蚀判断的精确性。

Cl氯离子浓度与氢氧根离子浓度之间的比值是考虑了Cl氯离子浓度和土壤pH值对金属材料腐蚀影响的一个综合性指标。其中：(1)pH值是土壤的酸碱性强弱指标，是土壤中所含盐分的综合反映。一般而言，酸性土壤具有更高的腐蚀性，土壤pH值越低，其腐蚀性越强。金属材料在中性、碱性土壤中腐蚀一般较小；(2)氯化物的侵入是引起接地网接地极腐蚀的重要原因之一，氯离子能破坏接地极表面钝化膜而引起接地极的局部腐蚀，对腐蚀过程具有催化作用。氯离子是极强的去钝化剂，一般认为在不均质的土壤中氯离子能够破坏金属材料表面钝化膜，使金属发生局部腐蚀。因而依据测得的土壤pH值和氯离子浓度，计算出氯离子浓度与氢氧根离子浓度比值，可用于对土壤中金属材料的腐蚀风险进行综合评价，若土壤中的pH值越低、氯离子浓度越高，则金属材料腐蚀的风险越大，还可跟踪监测氯离子浓度与氢氧根离子浓度比值的动态变化趋势，判定腐蚀发展趋势及腐蚀风险。

上述A、B、C、D的权重是一方面是根据所测得参数与接地网腐蚀情况的影响大小情况确定，另一方面也是为了便于计算而根据工程经验取值。

接地网处于正常状态表示接地网接地极表面可保持钝性，未发生腐蚀，耐腐蚀性能良好，其未发生腐蚀的概率大于90％，可正常使用。

接地网处于可用状态表示接地网接地极的耐腐蚀性能一般，发生腐蚀的概率约为50％，或者可能发生腐蚀，但腐蚀速率较低，接地网接地极仍然可用，只需要保持关注。

接地网处于不可用状态表示接地网接地极表面失钝，发生腐蚀的概率大于90％，腐蚀速率升高，耐腐蚀性能差，接地极不再可用，必要时需采取阴极保护、检修更换或其它措施。

A、B、C、D对应的得分取值标准如下：

举例来说，当某接地网的接地极在这样的土壤环境中的腐蚀电位保持在-700mV至-800mV(vs.MnO2)，腐蚀速率保持为0.05mm/a，土壤电阻率约为85kΩ·cm，Cl氯离子浓度约为3.256×10-7mol/L，pH值约为8.3。根据本实施例涉及的接地网腐蚀状态评价方法，对应的A得分值为2，B得分值为1，C得分值为2，Cl氯离子浓度与氢氧根离子浓度之间的比值为0.1604，对应D的得分值为1，则接地网腐蚀状态评价总得分E＝2×40％+1×30％+2×10％+1×20％＝1.5。从而根据上述评价规则，该接地网的接地极表面可保持钝性，处于较稳定的钝化状态，腐蚀速率较低，耐腐蚀性能良好，其未发生腐蚀的概率大于90％，即该接地网的接地极当前处于正常使用的状态。

通过模拟试验论证本实施例中的监测评价方法的有效性和准确性，具体如下：

一、实验环境搭建：

在实验室里搭建模拟接地网金属接地极的试品。之后，将接地网腐蚀状态在线监测装置配套的电化学监测传感器与该试品一同埋入模拟接地网现场的土壤环境中。

在此过程中，同时采用接地网腐蚀状态在线监测装置同步进行土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度以及金属接地极的腐蚀电位、腐蚀速率的在线监测，对照判断模拟接地网的金属接地极的实际腐蚀状态。在实验过程中，可根据需要往土壤中加入浓度为3.5％的NaCl氯化钠溶液，以保持土壤的湿润，进而加速试品的腐蚀进度。

二、实验结果与数据评价分析：

根据步骤一搭建的实验环境，开展本次接地网金属接地极腐蚀状态模拟试验。具体的试验结果对比如下所示：

(1)初始状态：

在实验室搭建完成后的第三天左右，采用接地网腐蚀状态在线监测装置测量金属接地极的腐蚀电位、腐蚀速率以及此时的土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度参数，具体典型数据如下表所示：

根据本实施例中的监测评价方法，按照对于接地网腐蚀状态的判断表达式的最终的评价得分E＝40％A+30％B+10％C+20％D＝40％*1+30％*1+10％*1+20％*1＝1＜1.5，判断该接地网的接地极表面可保持钝性，处于较稳定的钝化状态，腐蚀速率较低，耐腐蚀性能良好，其未发生腐蚀的概率大于90％，即该接地网的接地极当前处于正常使用的状态，经实物检查，与此时刚埋入土壤中模拟接地网接地极的照片实物一致。

(2)三个月后：

继续延续上述实验，并在实验过程中根据需要定期(每隔15天左右)往土壤中加入浓度为3.5％的NaCl氯化钠溶液，以保持土壤的湿润，进而加速试品的腐蚀进度。在满第3个月后，收集此时接地网腐蚀状态在线监测装置测量金属接地极的腐蚀电位、腐蚀速率以及此时的土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度参数的具体典型数据如下表所示：

根据本实施例中的监测评价方法，按照对于接地网腐蚀状态的判断表达式的最终的评价得分E＝1.6，属于大于1.5且小于2.7的情况，该接地网的接地极的耐腐蚀性能一般，发生腐蚀的概率约为50％或者可能发生腐蚀，但腐蚀速率较低，接地网接地极仍然可用。检查此时土壤中模拟接地网接地极，显示接地极金属已发生腐蚀，符合前述的评价结果。

(3)十二个月后：

继续延续上述实验，并在实验过程中根据需要定期(每隔10天左右)往土壤中加入浓度为3.5％的NaCl氯化钠溶液，以保持土壤的湿润，进而加速试品的腐蚀进度。在满第12个月后，收集此时接地网腐蚀状态在线监测装置测量金属接地极的腐蚀电位、腐蚀速率以及此时的土壤电阻率、土壤环境pH值、土壤Cl离子浓度参数的具体典型数据如下表所示：

根据本实施例中的监测评价方法，按照对于接地网腐蚀状态的判断表达式的最终的评价得分E＝2.7，判断该接地网的接地极表面失钝，发生腐蚀的概率大于90％，腐蚀速率明显升高，耐腐蚀性能变差。检查此时土壤中模拟接地网接地极，显示接地极金属已出现非常明显的腐蚀锈迹，符合前述的评价结果。

综上所述，本实施例提供的一种接地网腐蚀状态的监测评价方法，通过精确测量土壤环境的pH值，并结合土壤环境中氯离子浓度、土壤电阻率、接地网接地极腐蚀电位及腐蚀速率等参数，能够实现对接地网接地极结构的全面、精准、有效的腐蚀监测，进而更有效地评价变电所接地网运行的安全性及服役寿命，从而为电力运维人员采取更科学、合理的检修措施提供技术支撑。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。