輸電線路鐵塔及接地體的腐蝕是電力系統(tǒng)長期關(guān)注的難題[1]。空間電磁環(huán)境對金屬構(gòu)件的腐蝕具有一定的影響,一直未受到應(yīng)有重視。當(dāng)前大部分研究主要聚焦于磁場對金屬的腐蝕影響。JAYARAMAN等[2]通過極化電阻技術(shù)測量腐蝕電位并評估腐蝕速率趨勢。GHABASHY等[3]揭示了不同程度磁效應(yīng)對腐蝕的影響。LU等[4]研究發(fā)現(xiàn)磁場作用強度可以改變氫離子去極化綜合效果,金屬在含溶解氧溶液中的腐蝕速率受界面擴散層中氧含量與傳輸過程的影響。電場和磁場會影響離子在金屬/溶液界面層的傳導(dǎo)過程,從而影響金屬的腐蝕過程與速率。王大成等[5]認(rèn)為交流電磁場對不同類別金屬將產(chǎn)生不同的腐蝕。 

接地極與接地網(wǎng)是輸電系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,長時間埋于土壤中,腐蝕產(chǎn)物附著于表面,這會影響電流擴散能力并加速金屬腐蝕[6]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)垂直接地極的腐蝕速率遠(yuǎn)大于水平接地極,這意味著當(dāng)水平接地極未被腐蝕時,垂直接地極早已發(fā)生嚴(yán)重腐蝕甚至斷裂[7]。目前,接地裝置的腐蝕評估主要依賴仿真方法[7-9]。接地極腐蝕監(jiān)測方法主要分為大電流法和電網(wǎng)絡(luò)法、地表電磁場法、電化學(xué)法[10-12]。其中,大電流法較為常見,但其缺點在于測量工序復(fù)雜、對設(shè)備要求較高、對于多個斷點的情況十分敏感、無法反映接地網(wǎng)整體腐蝕情況,因此該方法的使用具有明顯的局限性[11]。電網(wǎng)絡(luò)法以接地網(wǎng)導(dǎo)體電阻為最主要的故障參量,主要考慮運用線性優(yōu)化法計算多項參數(shù),并與原始基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對比,從而判斷接地網(wǎng)節(jié)點的腐蝕情況[13-14]。但是非線性問題和節(jié)點偏移會影響電網(wǎng)絡(luò)法的辨識度,是當(dāng)前研究的難點和熱點。重慶大學(xué)、清華大學(xué)等單位開發(fā)了接地網(wǎng)腐蝕及斷點診斷系統(tǒng),但該方法僅能通過仿真手段實現(xiàn)初步的診斷,實際工程應(yīng)用中非侵入式接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)評估仍面臨著很多問題[15-19],需要進(jìn)一步檢驗電磁參量或者電參量大小,從而對接地極的實際運行狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。 

作者介紹了輸電線路近地電場的計算理論,通過Maxwell平臺建立同塔四回輸電線路仿真模型,得到輸電線路空間電場與近地電場分布特征。最后,在多種電壓等級下觀測變電站不同位置接地材料的腐蝕速率,探討電場對接地極腐蝕的影響,結(jié)合場效應(yīng)與電化學(xué)分析提出了減緩接地極腐蝕的具體實施策略,為接地極設(shè)計優(yōu)化提供參考。 

1.   近地電場計算與仿真

500 kV架空線接地極附近的近地電場構(gòu)成主要包括架空輸電導(dǎo)線流通電荷ρc（r,z）產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)場Ec、下行通道電荷ρ1（z）產(chǎn)生的電場E1以及接地極感應(yīng)電荷產(chǎn)生電場Ei的疊加。其中,r,z分別為徑向垂直高度坐標(biāo)和軸向距離坐標(biāo)。設(shè)近地磁場大小為B,則近地電場Ea大小可以用式（1）表示。 

準(zhǔn)靜態(tài)場Ec一般為數(shù)十m V/m級別,近地下行通道電荷平均發(fā)展速度為105 m/s數(shù)量級,對應(yīng)的周期時間為ms級。因此,500 kV架空線下方的∂B/∂t可以近似等于0,近地電場大小可以進(jìn)一步演變?yōu)槭剑?）所示。 

式中：φa為近地空間電位；φc、φ1、φi分別為架空導(dǎo)線、下行通道電荷、接地極感應(yīng)電荷產(chǎn)生的對應(yīng)電荷。 

可以采用模擬電荷法對式（2）進(jìn)行求解,即建立三層電荷模型,如式（3）所示。首先,進(jìn)行500 kV輸電導(dǎo)線對地電場模型計算；進(jìn)一步建立對地通道電場模型,包括目標(biāo)感應(yīng)電荷在內(nèi)部及表面配置的模擬電荷及電位匹配點,從而通過求解模擬電荷系統(tǒng)方程得到近地電位及電場。在進(jìn)行近地電場討論時,需計算獲得特征區(qū)域Ψ的平均電場值,得到邊界Γ1的電位值,同時計算出滿足條件接地電極的約束條件。 

根據(jù)式（3）可將近地電場進(jìn)行邊界條件劃分,從而進(jìn)一步實現(xiàn)場域精確分析。其中,第二分式滿足第I類邊值條件；第一與第三分式則滿足第II類邊值條件。如此,建立近地電場的理論計算模型,用于仿真與實驗分析。在ANSYS Maxwell中建立500 kV同塔四回結(jié)構(gòu)的輸電線路模型,根據(jù)500 kV桿塔四回線路架設(shè)規(guī)范和最低安全距離設(shè)置場源結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過瞬態(tài)電場仿真得到500 kV架空線下方的電場分布云圖,如圖1所示。從圖1中可見,雖然空間電場隨時間呈現(xiàn)出不規(guī)則變化,但近地區(qū)域的電場趨向于穩(wěn)定,近地電場強度約為幾十V/m,而通過模擬電荷法逆問題計算,對近地場域的影響不可忽略。 

圖2主要呈現(xiàn)了垂直高度為0.025 m的近地電場強度單周期變化趨勢?？梢?雖然相比激勵信號,近地電場強度的相位發(fā)生變化,但總體呈現(xiàn)出交替變化的趨勢。在交變電場作用下,地電位與接地極對應(yīng)電位呈現(xiàn)出長期的正負(fù)極性更替,在地表和接地極之間產(chǎn)生對應(yīng)的勢差電流,因此在地表面及防腐蝕薄弱區(qū)域接地極會加速腐蝕。 

2.   腐蝕觀測與評估

2.1   變電站不同位置接地材料的腐蝕速率

在近地電場作用下,金屬容易發(fā)生局部腐蝕的原因在于接地極的裸露部分與埋地部分產(chǎn)生了強電勢差,從而構(gòu)成多個微型腐蝕陽極區(qū)域和陰極區(qū)域,進(jìn)而在近地電場的催化作用下,發(fā)生不間斷的電化學(xué)反應(yīng)。如果對金屬表面進(jìn)行獨立分割,用導(dǎo)線通過外電路將這些分開的部分耦合起來組成通路,模擬從陽極流向陰極的微弱電流,如果將每個電極與公共耦合節(jié)點的電阻相連,則微弱電流將在該電阻上形成一個小的電壓降,通過 μV級電壓表可以測得微弱電流的大小,該方法一般被稱為耦合多電極矩陣法。根據(jù)傳感器探頭陣列的大小,以及電極所用材料不同,可得到不同的測試結(jié)果。 

利用多電極耦合測量技術(shù)在沈陽徐家及穆家?guī)讉€不同電壓等級變電站不同位置對接地材料進(jìn)行腐蝕速率監(jiān)測。傳感器探頭陣列為3×3。電極材料與接地極碳鋼材料相同,截面積為1.5~2.0 mm2,采用環(huán)氧樹脂封裝電極從而減少地電場的干擾；將各獨立電阻連接到公共節(jié)點上,最后將探頭做成矩陣形狀,進(jìn)行等面積分布。為測試不同電場強度下金屬的腐蝕速率差異,選擇地面、開關(guān)、羊角及關(guān)閉中的開關(guān)等不同位置進(jìn)行測試,測試結(jié)果見圖3。 

結(jié)合仿真計算結(jié)果,近地電場的大小一般在幾十到幾百V/m,但其對腐蝕效率的影響程度不容忽視。從多個電壓等級變電站桿塔附近接地極腐蝕的長期觀測結(jié)果來看,主控室地面處腐蝕速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他幾個強電場環(huán)境中相同測試位置處。無論在66 kV、220 kV還是在500 kV的變電站中,遠(yuǎn)離電場環(huán)境的地面由于測試當(dāng)天較為干燥,大氣腐蝕速率極低,小于0.5 μm/a。在斷開的開關(guān)處,大氣腐蝕速率也較低。但閉合開關(guān)、羊角、刀閘等處于強電磁環(huán)境中,在這幾處腐蝕速率增加很快,最高達(dá)到了40 μm/a,是無電場環(huán)境中大氣腐蝕速率的80倍以上,可見電場環(huán)境對材料腐蝕的影響十分明顯。 

測試結(jié)果還顯示,隨著電壓等級的提高,材料的腐蝕速率也增大?？v向?qū)Ρ葋砜?在220 kV與500 kV電場環(huán)境中材料的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在66 kV環(huán)境中的腐蝕速率。但在220 kV與500 kV環(huán)境中,腐蝕速率的差別則不大。這說明隨著電壓等級的提高,材料的腐蝕速率增大。 

2.2   有無近地電場情況下接地極腐蝕速率對比

接地極的腐蝕速率與土壤電阻率、土壤含氧量、土壤含水量、土壤p H和雜散電流等因素有關(guān),因此在進(jìn)行接地極腐蝕速率差異對比時,必須考慮上述因素。在有無近地電場情況下,對穆家500 kV交直流變電站附近接地極的腐蝕速率進(jìn)行監(jiān)測。首先,選擇變電站主控地面附近的接地極作為觀測對象,在含帶電設(shè)備的兩組完全對稱的密閉空間內(nèi)對接地極腐蝕情況進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測,保證土壤電阻率、土壤含氧量、土壤含水量、土壤p H等參數(shù)保持近似一致。測試方法同2.1節(jié)。圖4為連續(xù)12個月監(jiān)測得到的接地極腐蝕速率?？梢?在無近地電場情況下的腐蝕速率要明顯低于有近地電場情況下的腐蝕速率,而不同月份土壤含氧量和含水量的不同也直接影響了整體腐蝕速率。 

2.3   防腐蝕措施

為延緩金屬腐蝕速率,可以從近地電場干擾屏蔽方面提出以下應(yīng)用措施： 

（1）采用材料和尺寸相同的接地電極,且所選材料應(yīng)對近地電場敏感度不高,即需要保證一定純度的金屬導(dǎo)體作為接地極材料。 

（2）在進(jìn)行水平電極和垂直電極焊接時,需要進(jìn)行較高程度的電極打磨,從而降低近地電場作用下局部接地極區(qū)間的電勢差,減緩腐蝕進(jìn)程。 

（3）可采用一定的涂層材料用于加大地表面以上接地極的介電系數(shù),降低其與埋深電極和地表面的相互影響。 

3.   結(jié)論

（1）介紹了輸電線路近地電場的計算理論,通過Maxwell平臺建立同塔四回輸電線路仿真模型,得到輸電線路空間電場與近地電場分布特征。結(jié)果表明,空間電場隨時間呈現(xiàn)出不規(guī)則變化,但近地區(qū)域的電場趨向于穩(wěn)定,近地電場強度約為幾十V/m,對近地場域的影響不可忽略。 

（2）利用多電極耦合測量技術(shù)測量了在多種電壓等級輸電線路變電站不同位置接地材料的腐蝕速率,以及有無近地電場情況下接地極腐蝕速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于強電場的存在,接地材料的大氣腐蝕速率增加了近80倍,且隨著電壓等級的提高,材料的腐蝕速率增大。 

（3）鑒于強電場環(huán)境中影響材料的大氣腐蝕速率的因素眾多,其作用機理、腐蝕行為及影響因素還需要結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步討論,因此還需要開展廣泛分析與模擬試驗。長期工作在強電場環(huán)境中的接地材料設(shè)計與防護(hù)手段,都需要根據(jù)其腐蝕特點進(jìn)行深入研究。結(jié)合電場效應(yīng)與電化學(xué)分析提出減緩接地腐蝕的具體措施。