文 | 張秀麗 莫逆 李永立 王應高 王天君 羅毅 華北電力科學研究院有限責任公司

一、接地網腐蝕檢測的重要意義

發(fā)電廠及變電站的接地網是電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障電氣設備和運行人員安全的重要設施。目前在以美國為代表的許多發(fā)達國家銅為接地網的主要材料，在我國由于資源、經濟等原因，接地網所用材料主要為普通碳鋼。由于接地網埋設在地下，既看不見，又無監(jiān)視裝置，當接地網投運后，腐蝕問題就會暴露出來，而碳鋼接地網的腐蝕問題尤為突出。接地網的腐蝕使得接地體截面減小，甚至斷裂，由此導致地網接地性能不良，熱穩(wěn)定性達不到要求，電路電流將會燒壞地網，使得變電站內出現高電位差，造成其它主要設備的毀壞事故，還會危及人身安全。在我國因地網腐蝕或發(fā)生斷裂而引起的電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生，每次事故都帶來了巨大的經濟損失。1981 年廣西合山電廠 110kV 開關站內 A 相母線側的支柱瓷瓶在雨霧中閃絡，造成弧光接地，A 相接地發(fā)展成兩相短路，最后發(fā)展成三相短路，損壞二次電纜、端子排及二次設備，1 臺100MW 發(fā)電機損壞，造成全廠停電的重大事故。事故擴大的主要原因是接地引下線在地表以下幾十公分處腐蝕嚴重而引起的。1985年至1986年，湖北省胡集、潛江、武鋼等 3 個 220kV 變電所因接地不良將變電所內弧光短路事故擴大為全站停電和設備嚴重損壞事故；1991 年浙江電網一個 110kV 變電所發(fā)生了 35kV開關站接地短路，由于接地裝置存在問題，使一次系統(tǒng)事故擴大到二次系統(tǒng)，造成全廠停電 13h, 一、二次設備大量損壞；1994 年 1 月 1 日，四川華瑩山發(fā)電廠因變壓器中性點接地不良，當系統(tǒng)發(fā)生污閃時，造成變壓器、發(fā)電機嚴重燒毀的惡性事故，損失十分嚴重。由此可見，接地網的故障已是電力系統(tǒng)安全運行的心腹大患，診斷地網的斷點及地網的腐蝕情況已成為電力行業(yè)的一項重大反事故措施。

二、接地網腐蝕檢測現狀

網的主要材料，因此接地網的腐蝕問題并不象在我國這樣突出，關于地網腐蝕程度檢測方法和檢測儀器的文獻報道很少。目前國內外發(fā)電廠、變電站接地網測量系統(tǒng)的測量主要包括以下幾個方面：

（1）地網接地電阻測量：如果地網接地電阻值過高，地網將不能發(fā)揮其正常的排流作用，地網接地電阻值的測量是評價地網能否正常工作的重要手段。但是如果發(fā)現接地電阻不合格，只有通過開挖查找地網的電氣連接故障點或腐蝕段，這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且受現場運行的限制。

（2）接觸電壓和跨步電壓測量：接觸電壓和跨步電壓是衡量地網安全性的重要指標，同時根據跨步電壓的變化規(guī)律，可以發(fā)現地網因腐蝕等原因而發(fā)生斷裂的部位，但其并不能發(fā)現已發(fā)生嚴重腐蝕而未發(fā)生斷裂的地網腐蝕段。

（3）接地網腐蝕和斷點物理診斷法：該方法根據地網可測結點之間的電壓或電阻測量值，應用適當的計算方法，計算出各段導體的實際電阻值，將它與標稱值相比較，并按照一定的閾值來判斷地網導體是否有斷裂或腐蝕的情況存在。該方法要求準確知道地網的結構，在此基礎上提出確切的數學模型，依據此數學模型對測量的數據點分析計算，方可得出各段地網導體的實際電阻值，由此可以看出影響該方法測量結果準確性的因素較多，而且其對運行多年舊地網的腐蝕診斷仍有一定的局限性。

目前國內外已生產出了測量發(fā)電廠、變電站接地網系統(tǒng)的專用儀器，如澳大利亞紅相電力設備公司和維多利亞電力公司聯合開發(fā)的 8000 型接地網測量系統(tǒng)，可綜合完成上述測量。但目前國內外發(fā)電廠、變電站的接地網測量系統(tǒng)都只側重于測量接地網系統(tǒng)工作的有效性和安全性，這些測量系統(tǒng)都無法對地網的腐蝕程度進行測量和評價。

接地網斷點和腐蝕狀態(tài)的診斷一直是電力行業(yè)面臨的難題，國家自然科學基金曾資助過該方面的研究，但基于電化學測量原理對地網腐蝕程度進行快速檢測和評價的研究，目前尚未見文獻報道。

三、接地網腐蝕機理

土壤是由固相、氣相和液相三相構成的不均一多相體系，接地網材料在土壤中主要是局部腐蝕，且一般接地網中的所有腐蝕現象在本質上都是電偶腐蝕。包括在同一電解質（土壤）中存在不同的金屬（如鍍鋅鋼、裸露碳鋼和銅等）， 還包括同一材料處在不同的土壤中，或由于土壤的充氣差異引起的腐蝕。

1.宏電池腐蝕

宏電池是由于土壤性質的差異，特別是埋地接地網不同部位上氧有效性不同而導致的一種腐蝕形式，從全國土壤網站 10 多年的埋設試驗表明，鋼鐵試件 80% 左右的腐蝕是由宏電池腐蝕引起的。宏電池腐蝕類型包括：

（1）土壤不均勻性而產生的宏電池腐蝕

這種腐蝕形式主要發(fā)生在大型碳鋼接地網材料上。在大范圍內，由于土壤類型、土壤質地、含鹽量、松緊度、滲透率、地下水等的變化，在不同地段會引起接地網碳鋼材料自然腐蝕電位的差異，如圖 1 所示。當碳鋼材料通過結構不同和潮濕程度不同的土壤時（如通過沙土和粘土時）由于充氣不均形成氧濃差電池的腐蝕，處在沙土中的金屬部分，由于氧容易滲入，電位高，成為陰極，而處在粘土中的金屬部分由于缺氧，成為陽極，它們之間構成氧濃差電池，而使粘土中的金屬部分遭到腐蝕。

（2）土壤局部不均勻引起小距離宏電池腐蝕

圖1 構件通過不同土壤時，構成氧濃差電池的腐蝕

在小范圍內，如在導電良好，氧充足的環(huán)境中，若有無滲透性成分（砂石、礫石）與碳鋼接地網表面接觸，則可以產生點蝕。對于土壤中石塊等夾雜物下面的碳鋼，夾雜物的透氣性如果比土壤本身的透氣性差，該區(qū)就成為腐蝕宏電池的陽極，并且生成的 Fe 2+ 很快轉化為Fe（OH） 3 , 后者有膠粘作用，阻止了氧向夾雜物周圍擴散，進一步提高了陽極活性，最終形成明顯的蝕坑，而和土壤本體區(qū)域接觸的碳鋼就成為陰極。所以埋設碳鋼接地網時，回添土壤的密度要均勻，不帶夾雜物。

（3）新舊碳鋼材料接觸而形成的宏電池腐蝕埋設在地下的接地網，由于維修而去掉舊的銹蝕鋼材而換上新的鋼材，新舊鋼材由于自然腐蝕電位不同，接觸便形成了電偶腐蝕宏電池，如圖 2所示。由于電位不同而形成的電偶腐蝕還包括不同金屬接觸（如碳鋼與銅的連接）的情況。這種宏電池腐蝕導致電位較負的新鋼材（或碳鋼）加速腐蝕。

2.微電池腐蝕

圖2 新舊金屬構件接觸形成的電偶宏電池

微電池腐蝕是由于碳鋼金屬組成、結構、物理狀態(tài)不均勻或表面膜不完整而產生的一種均勻腐蝕。由于大部分金屬的表面狀況不可能達到理想的均一，所以微電池腐蝕是一種普遍存在的腐蝕形式，在土壤性質均勻或金屬構件尺寸較小的情況下，微電池腐蝕則被認為是主要的腐蝕形式。金屬構件在密實和滲透率較小的粘土中腐蝕率低，而在疏松和透氣性好的土壤中腐蝕率較高，土壤電阻率對微電池作用很小，但由于反應只在微觀狀態(tài)下進行，電池反應微弱，加上又是均勻腐蝕，在實踐中一般不會造成嚴重的危害。因此在實際工作中人們偏重于對宏電池腐蝕進行研究。

由于土壤是一種復相體系，因此完全均一而全部由微電池作用引起的腐蝕的情況只有在特殊條件下才出現，例如打入缺氧的未攪動土壤中的垂直接地極或是整個接地網構件全部埋設在常年漬水的土壤中，在大多數情況下，接地網碳鋼土壤腐蝕是宏電池和微電池共同作用的結果。

3.雜散電流腐蝕

雜散電流是指在土壤介質中存在的一種大小、方向都不固定的電流，這種電流對材料的腐蝕稱為雜散電流腐蝕。雜散電流又分為直流雜散電流和交流雜散電流兩類。

直流雜散電流對金屬的腐蝕機理同電解原理是一致的，即陽極為正極，陰極為負極進行電化學反應。如圖 3, 電流從土壤進入金屬構件的地方帶有負電荷，這一區(qū)域為陰極區(qū)，容易析氫；電流由金屬構件流出的部位帶正電，該區(qū)域為陽極區(qū)，陽極將以鐵離子溶入土壤中而遭受腐蝕。雜散電流造成的集中腐蝕破壞是非常嚴重的。埋地金屬直流雜散電流腐蝕損耗量按照法拉第定律計算，一安培的電流一年能腐蝕約 9kg 鐵。這個數值是按照電化學當量的計算值，實際的損耗量還要看電流效率的大小。由此可見直流雜散電流造成的腐蝕是很嚴重的。

交流雜散電流一般為工頻雜散電流，它主要來源于交流電氣化鐵路，二線一地制輸電線路，高壓和超高壓輸電網等。一般交流雜散電流腐蝕的危害性要比直流的小，但是交流電的集中腐蝕性強。接地網泄流時的交流電通過接地網的時間不長，因而交流腐蝕通常不考慮。但是通過接地網的超低頻諧波電流是需要加以限制。

圖3 直流雜散電流腐蝕

4.微生物腐蝕

土壤中微生物對接地網碳鋼材料的腐蝕是微生物的生命活動參與下所發(fā)生的腐蝕過程，微生物自身對碳鋼并不直接具有腐蝕作用，而是其生命活動的結果參與腐蝕的間接過程。這種間接過程主要表現為新陳代謝的腐蝕作用（微生物能產生一些句有腐蝕性的代謝產物，如硫酸、有機酸和硫化物等，增強了環(huán)境的腐蝕性）； 微生物的活動影響電極的動力學過程（如硫酸鹽還原細菌的存在，能促進腐蝕的陰極去極化過程）；改變了金屬周圍環(huán)境的狀況（如氧濃度、鹽濃度及 pH 等）， 形成局部腐蝕電池；破壞保護性覆蓋層的穩(wěn)定性。

一般而言，微生物腐蝕多發(fā)生在地勢較低的沼澤地帶及有機質含量較高的土壤中。

四、腐蝕電化學檢測技術在接地網上的應用可行性

由于接地網材料在土壤中腐蝕的電化學本質，其腐蝕狀態(tài)可以用電化學特征參數來表征。對電化學腐蝕，通常還可用電流密度來表示腐蝕速度。在金屬電化學腐蝕過程中，被腐蝕的金屬作為陽極，發(fā)生氧化反應而不斷被溶解，同時釋放出電子。釋放出的電子數量越多，亦即輸出的電量越多，意味著金屬被溶解得多。因此，金屬電極上輸出的電量顯然與金屬電極的溶解量之間存在定量的關系，這個定量關系就是法拉第定律。

根據法拉第定律，由電極上通過的電量可以計算出金屬溶解的量。不同的電化學特征參數可以表征不同的腐蝕狀態(tài)，例如可以用擊穿電位評價金屬抗點蝕性的大小，電位越低，抗蝕性越差。金屬腐蝕速度的電化學測試技術有極化阻力技術、暫態(tài)線性極化技術、充電曲線技術和恒電量法等。采用線性極化或交流阻抗等電化學技術可以測量接地網碳鋼材料的極化電阻、腐蝕電流等電化學參數，但要完成接地網碳鋼材料的腐蝕電化學檢測，必須解決以下兩個問題：

1.腐蝕電化學測量傳感器的限流問題

傳統(tǒng)的電化學三電極測量系統(tǒng)很難準確測量地網金屬的腐蝕速度，因為予測量的某一段地網金屬并不是一個獨立的電極，它與整個地網金屬是連接在一起的，因此通過輔助電極加在地網金屬上的極化電流并不會只局限在被測量的這段地網金屬上，被極化地網金屬面積的不確定性，將會在腐蝕電流密度的計算中引入較大的誤差。因此要實現接地網碳鋼材料的腐蝕電化學檢測，首先要解決腐蝕電化學測量傳感器的限流問題。目前已開發(fā)研究的限流傳感器有護環(huán)傳感器和小孔限流傳感器，要將這些傳感器用于接地網碳鋼材料的腐蝕檢測尚需進一步的研究。

2.土壤中雜散電流對測量系統(tǒng)的干擾

由于土壤中存在的雜散電流對電化學測試技術的響應信號有很強的干擾，有時甚至完全淹沒真實的信號，得到的響應信號信噪比很低，無法進行數據分析。要解決土壤中雜散電流的干擾問題，可以通過儀器本身的硬件來消除干擾，或采用適宜的多分辨分析小波濾波方法對響應信號進行處理，濾除各種噪聲干擾。

五、腐蝕電化學檢測技術在接地網上的應用前景

通過上述討論可以看出，若能解決接地網碳鋼材料腐蝕電化學檢測中的傳感器的限流和雜散電流干擾問題，腐蝕電化學檢測技術在各個發(fā)電廠和變電站接地網上有著非常廣闊的應用前景。

目前接地網的斷點及地網的腐蝕情況的診斷方法通常是，發(fā)現接地電阻不合格或出現事故后，通過開挖查找地網的電氣連接故障點或腐蝕段，這種方法帶有盲目性、工作量大、速度慢，并且還受現場運行的限制。采用腐蝕電化學檢測技術可以在地面對地網定期進行原位綜合腐蝕檢測（無需停運和開挖地網）， 根據檢測數據對地網金屬的腐蝕可能性或腐蝕程度進行評價，以便及時發(fā)現地網嚴重腐蝕的區(qū)域段，在其未產生嚴重事故前，及時采取有效措施，減少或杜絕因地網腐蝕而引起的電力系統(tǒng)事故的發(fā)生。