曹 潔，陳光耀，貴向泉

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050）

0 引言

歷史數(shù)據(jù)顯示，接地網(wǎng)問題日益突出，1981～1985年廣東省將運(yùn)行10a及以上的130個(gè)35～220kV變電所進(jìn)行挖土檢查，發(fā)現(xiàn)有61個(gè)接地網(wǎng)有不同程度的腐蝕。其中運(yùn)行16a以上的變電站接地網(wǎng)扁鋼被腐蝕掉80%[1]。隨著變電站容量的不斷擴(kuò)大，接地網(wǎng)安全運(yùn)行的要求越來越嚴(yán)格，對(duì)接地體的熱穩(wěn)定性的要求也就越高。在我國，由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普通碳鋼。發(fā)生腐蝕后接地網(wǎng)碳鋼材料變脆、起層、松散，甚至多處發(fā)生斷裂。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)，除給運(yùn)行人員安全帶來嚴(yán)重威脅外，還可能因反擊或電纜皮環(huán)流使二次設(shè)備的絕緣遭到破壞，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因此接地網(wǎng)設(shè)備的安全評(píng)估工作是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所迫切需要解決的課題。

1 影響接地網(wǎng)腐蝕的因素和研究現(xiàn)狀

接地網(wǎng)金屬材料的土壤腐蝕除了受碳鋼材料本身的影響外，更多的是受土壤理化性質(zhì)及其他外界因素的影響[2]。土壤成分中含有的氣體、液體、固體、細(xì)菌及酸度等化學(xué)因素和土壤顆粒的尺寸、透氣性、含水量等物理因素都會(huì)影響腐蝕速率。特別是土壤的電阻率和去極化性質(zhì)往往對(duì)腐蝕速率起決定性作用。土壤電阻率取決于含水量，而去極化性質(zhì)則取決于透氣性和微生物的作用還有雨水、溫度、空氣流動(dòng)和陽光等氣候因素。種種因素都能引起土壤性質(zhì)的顯著變化，進(jìn)而直接影響土壤中金屬的腐蝕速率，接地網(wǎng)金屬材料的土壤腐蝕和土壤含水量、土壤pH、土壤含鹽量和氣候條件等因素密切相關(guān)，而往往這些因素成復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)，難以準(zhǔn)確地把握規(guī)律。接地網(wǎng)土壤的腐蝕分類主要包含下面幾種。

1.1 微電池腐蝕

埋在土壤中主接地網(wǎng)接地體的全面腐蝕與接地體金屬成分及結(jié)構(gòu)不均勻而構(gòu)成的微觀原電池有關(guān)。微電池是由金屬表面微觀的電化學(xué)不均勻造成的，產(chǎn)生微觀的電化學(xué)不均勻主要原因有[1，3]：

（1）金屬化學(xué)成分不均。如鋼中存在著碳及硅、錳等合金元素和雜質(zhì)，使鋼材組織存在電化學(xué)不均勻性。一般說來，鋼的電位較其他元素的電位為負(fù)，成為陽極，碳及其他元素的電位較為正，成為陰極。它們?cè)谕寥乐袠?gòu)成腐蝕微電池。

（2）應(yīng)力狀況上的不均勻。金屬表面在壓力加工或機(jī)械加工時(shí)常常造成金屬各部分顯微級(jí)的形變及內(nèi)應(yīng)力的不均勻性，一般形變較大、變形程度或應(yīng)力高處為陽極，如接地裝置中采用的角鋼，角鋼的彎曲處容易發(fā)生腐蝕就是這方面的原因。

（3）金屬表面氧化膜的不完全造成膜孔處與膜完整處之間存在電化學(xué)差異，膜孔處金屬為陰極。

1.2 雜散電流腐蝕

雜散電流腐蝕是指在土壤介質(zhì)中存在的一種大小方向都不固定的電流，這種電流對(duì)材料的腐蝕稱為雜散電流腐蝕，簡稱為電腐蝕。雜散電流按性質(zhì)分為直流電流和交流電流兩種，其中交流雜散電流腐蝕影響比直流大。

1.3 微生物腐蝕

土壤中微生物對(duì)金屬的腐蝕是微生物的生命活動(dòng)參與下所發(fā)生的腐蝕過程，微生物自身對(duì)金屬并不直接具有侵蝕作用，而是其生命活動(dòng)的結(jié)果參與了腐蝕過程。這種間接過程主要表現(xiàn)為以下四種方式[1，3]：

（1）新陳代謝產(chǎn)物的腐蝕作用。微生物能產(chǎn)生一些具有腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如硫酸、有機(jī)酸和硫化物等，增強(qiáng)了環(huán)境的腐蝕性。

（2）微生物的活動(dòng)影響電解的動(dòng)力學(xué)過程。如硫酸鹽還原菌的存在，能促進(jìn)腐蝕的陰極去極化過程。

（3）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。

（4）破壞保護(hù)性覆蓋層或緩蝕劑的穩(wěn)定性。

影響土壤腐蝕速率的因素大多是模糊的，不確定的，而各種因素之間往往相互作用，隨著時(shí)間的推移，影響因素起的主導(dǎo)地位也在變化，這就使得金屬的土壤腐蝕規(guī)律變得尤為復(fù)雜，難以判決。因此，要建立科學(xué)的數(shù)學(xué)模型來規(guī)范管理接地網(wǎng)腐蝕的測試數(shù)據(jù)，并作出評(píng)估，以方便決策和管理。目前的研究工作中，李秀娟[4]提出了一種灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測某輸油管線的腐蝕速率，但他們以時(shí)間作為唯一的輸入因子。周淑梅[5]建立了一種基于過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)預(yù)測模型，以五年內(nèi)收集的測試數(shù)據(jù)為訓(xùn)練基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測，因此其預(yù)測結(jié)果很大程度上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。佟立強(qiáng)[6]提出了一種改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合模型，但是也沒有提到該算法對(duì)在役，無訓(xùn)練測試數(shù)據(jù)的埋地管道預(yù)測的能力及算法的可擴(kuò)展性。因此針對(duì)以上不足，本工作提出一種基于模糊物元的熵權(quán)法模型，其能滿足非線性，多維數(shù)據(jù)擬合這些土壤腐蝕規(guī)律的特點(diǎn)，并有良好的擴(kuò)展性。

2 熵權(quán)模糊物元法數(shù)學(xué)模型

2.1 構(gòu)建模糊物元矩陣

本工作以模糊物元法基礎(chǔ)，將熵權(quán)法引入模糊元中，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。模糊物元是在物元分析基礎(chǔ)上提出的描述事物模糊性的一門介于數(shù)學(xué)與試驗(yàn)的科學(xué)工具[7]。用模糊物元進(jìn)行多因素的排序是行之有效的，它比模糊數(shù)學(xué)更能給出有關(guān)模糊的定量描述和處理，使排序結(jié)果更具真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

若以有序三元組：“土壤樣品、土壤理化指標(biāo)、從優(yōu)隸屬度”作為描述土壤腐蝕性的基本元，則稱為模糊物元。如果有m種土壤樣品，用n個(gè)理化指標(biāo)及其相應(yīng)的量值來描述土壤樣品的復(fù)合元，則稱為m種土壤樣品n維復(fù)合元，記作R，即：

式中：Mj表示第j種土壤樣品，j＝l，2，…，m，如M1表示第1種土壤樣品，Mm表示第m種土壤樣品；Ci表示土壤第i個(gè)理化指標(biāo)，i＝l，2，…，n，如C2表示土壤第2個(gè)理化指標(biāo)；Xji表示第j種土壤樣品第i個(gè)土壤理化指標(biāo)的測定值，即X11，X21，…，Xmn，如X53表示第5種土壤樣品第3個(gè)理化指標(biāo)的測定值。（如算法應(yīng)用與結(jié)果分析中的表二。）

而所謂隸屬度函數(shù)，就是用一個(gè)在實(shí)數(shù)軸閉區(qū)間[0，1]上的數(shù)來表征論域X＝｛x｝元素對(duì)模糊集合A的隸屬程度。簡而言之，就是用代數(shù)式來描述模糊集合量值的函數(shù)，是模糊集合的表示和運(yùn)算的基礎(chǔ)。如果式（1）中的土壤理化指標(biāo)測定值用隸屬度（從優(yōu)原則：以土壤腐蝕性越強(qiáng)越優(yōu)）表示，根據(jù)模糊物元的定義則有：

式中：Rmn表示m種土壤樣品n維復(fù)合模糊物元，如R68表示6種土壤樣品的8維復(fù)合模糊物元；μij（i＝1，2，，，n；j＝1，2，…，m）表示第j種土壤樣品第i個(gè)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度，比如μ34表示第3種土壤樣品的第4個(gè)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度。由以下兩式計(jì)算確定：

式中：minXji和maxXji分別表示Xji中的最小值和最大值。

凡是以代數(shù)式來描述可拓集合量值的函數(shù)，就稱為關(guān)聯(lián)函數(shù)。由于關(guān)聯(lián)函數(shù)ξ（x）與隸屬度函數(shù)μ（x）中所含的元素x均為中介元，這兩個(gè)函數(shù)的區(qū)別僅僅是關(guān)聯(lián)度函數(shù)較之隸屬度函數(shù)多了一段有條件可轉(zhuǎn)化的量值范圍。關(guān)聯(lián)變化系指關(guān)聯(lián)系數(shù)與隸屬度之間的相互轉(zhuǎn)換。由于隸屬度函數(shù)與關(guān)聯(lián)函數(shù)等價(jià)，故關(guān)聯(lián)系數(shù)可由隸屬函數(shù)值加以確定。通過關(guān)聯(lián)變化后進(jìn)行運(yùn)算能夠簡化運(yùn)算過程。

如果（2）式通過關(guān)聯(lián)變換，把m種土壤樣品n維復(fù)合模糊物元中各從優(yōu)隸屬度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù) ，以此構(gòu)造關(guān)聯(lián)系數(shù)復(fù)合模糊物元R，即：

最后對(duì)得出的關(guān)聯(lián)系數(shù)模糊物元進(jìn)行優(yōu)化。這個(gè)優(yōu)化原則是以單項(xiàng)特征指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量的。就是各單項(xiàng)特征指標(biāo)的相應(yīng)的模糊量值，從屬于標(biāo)準(zhǔn)事物所對(duì)應(yīng)的各特征模糊量值。優(yōu)化原則一般有四種模式，原則上是有適中值的選擇前兩種（如pH，會(huì)有適中值，偏大偏小都會(huì)加重腐蝕速率），否則選擇后兩種。但實(shí)際上根據(jù)具體情況選用模式。由于pH不是唯一和主導(dǎo)的影響腐蝕速率的因素，這里視具體情況，所有特征指標(biāo)均選擇第三種優(yōu)化模式。

關(guān)聯(lián)度就是指兩事物之間關(guān)聯(lián)性大小的度量，本文中所指的關(guān)聯(lián)度均為各事物與標(biāo)準(zhǔn)事物的關(guān)聯(lián)大小的度量。關(guān)聯(lián)度計(jì)算中，有五種模式，即先乘后加，先取小后取大，先乘后取大，先取小后進(jìn)行有界和，先乘后取有界和。第一種關(guān)聯(lián)計(jì)算中，由于權(quán)重參加了全部求和計(jì)算，結(jié)果關(guān)聯(lián)度中包含了所有因素的共同作用，從數(shù)值上體現(xiàn)了綜合的意義。第二種計(jì)算中，用取小代替了乘運(yùn)算，實(shí)際上是起到了一個(gè)限制或過濾作用，沒有起到加權(quán)的作用。第三種計(jì)算中，由于第二輪取大運(yùn)算，使的權(quán)重仍然沒有進(jìn)入關(guān)聯(lián)度中，適合“主因素突出型”。綜上，故本文中的關(guān)聯(lián)度計(jì)算采用先乘后加的方法。

2.2 熵權(quán)法概述及確定權(quán)重

熵原本是一熱力學(xué)概念，它最先由申農(nóng)（C.E.Shannon）引入信息論，稱之為信息熵?，F(xiàn)已在工程技術(shù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。申農(nóng)定義的信息熵是一個(gè)獨(dú)立于熱力學(xué)熵的概念，但具有熱力學(xué)熵的基本性質(zhì)（單值性、可加性和極值性），并且具有更為廣泛和普遍的意義，所以稱為廣義熵。它是熵概念和熵理論在非熱力學(xué)領(lǐng)域泛化應(yīng)用的一個(gè)基本概念。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法。在具體使用過程中，熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。其方法如下：

（1）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)項(xiàng)目的指標(biāo)值的比重Pij：

（2）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej：

（3）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)wj：

（4）確定指標(biāo)的綜合權(quán)數(shù)βj：

假設(shè)評(píng)估者根據(jù)自己的目的和要求將指標(biāo)重要性的權(quán)重確定為αj，j＝1，2，…，n，結(jié)合指標(biāo)的熵權(quán)就可以得到指標(biāo)wj的綜合權(quán)數(shù)j：

2.3 接地網(wǎng)壽命評(píng)估打分模型

根據(jù)甘肅地域的變電站理化指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)[8]，本工作的接地網(wǎng)的使用壽命評(píng)估模型根據(jù)5項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行：①腐蝕性等級(jí)；②粘土含量；③地表處理情況；④接地網(wǎng)材質(zhì)；⑤有無防腐蝕措施來進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。

表1 接地網(wǎng)壽命評(píng)估打分表Tab.1 Grounding grid life evaluation score table

其中：設(shè)計(jì)腐蝕速率（mm／a）＝金屬厚度／設(shè)計(jì)壽命＝4／30＝0.133 33（mm／a）。

修正腐蝕速率＝設(shè)計(jì)腐蝕速率×各項(xiàng)指標(biāo)分值

評(píng)估后的壽命（a）＝金屬厚度（mm）／修正后的腐蝕速率（mm／a）。

3 算法應(yīng)用與結(jié)果分析

以甘肅地域30所變電站實(shí)地?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，選取11項(xiàng)性能指標(biāo)做相關(guān)算法試驗(yàn)，所取數(shù)據(jù)見表2，預(yù)測結(jié)果見表3。以Baeckman法[9]以及用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]（輸入層參數(shù)為11，隱含層為6，輸出層為1）做腐蝕性預(yù)測評(píng)判，選取甘肅白銀鹽堿地區(qū)的5所變電站做算法驗(yàn)證。其中的實(shí)際腐蝕速率為埋片試驗(yàn)6～13月后的金屬失重[10]，見圖1。由圖1可見，Baeckman法把土壤的電化學(xué)腐蝕與微生物腐蝕這兩種機(jī)理完全不同的腐蝕類型勉強(qiáng)混合在一起，又對(duì)某些指標(biāo)的分類及評(píng)定指數(shù)的確定過于簡單化，沒有充分考慮到土壤腐蝕各因素之間的相互影響和關(guān)系，不能突出反映主要腐蝕因素的影響程度，有其局限性和導(dǎo)致個(gè)別地區(qū)的誤判斷。而后面兩個(gè)方法均能克服Baeckman法的局限性，避免了對(duì)5號(hào)變電站的誤判斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的準(zhǔn)確性極大程度上取決于訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)，具有一定的不確定性。本工作方法較之神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不需要測試數(shù)據(jù)樣本和反復(fù)迭代訓(xùn)練，并能有效克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部最小值、收斂速度慢和引起振蕩效應(yīng)等問題，有良好的擴(kuò)展性。

4 結(jié)論

電力接地網(wǎng)能提供故障電流及雷電流的泄放通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參考點(diǎn)，是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，保證運(yùn)行人員及電氣設(shè)備安全的重要設(shè)施。而由于接地網(wǎng)性能評(píng)估中各種因素的不確定性及信息的有限性，在評(píng)價(jià)方法的研究上應(yīng)注重實(shí)效性和理論性。將模糊物元理論應(yīng)用于接地網(wǎng)性能綜合評(píng)價(jià)中，并用熵權(quán)法修正和計(jì)算權(quán)重，建立基于模糊物元的熵權(quán)法評(píng)價(jià)模型，把基于模糊物元的熵權(quán)法應(yīng)用到接地網(wǎng)腐蝕評(píng)估方向，豐富和改進(jìn)了評(píng)價(jià)方法，且計(jì)算簡單、方便，結(jié)果合理。

引入熵值理論，從數(shù)據(jù)本身所反映的信息無序化效用值來計(jì)算權(quán)重系數(shù)，可以有效地減少計(jì)算的主觀性，并能夠?qū)υ谝鄣鼐W(wǎng)進(jìn)行預(yù)測，加強(qiáng)了可擴(kuò)展性，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。腐蝕與防護(hù)，1995，16（6）：286-289

表2 甘肅地域30所變電站土壤理化原始數(shù)據(jù)（節(jié)選）Tab.2 Physicochemical original data of soil in 30transformer substations of Gansu region（excerpts）

表3 腐蝕壽命預(yù)測結(jié)果Tab.3 Corrosion evaluation table

圖1 腐蝕預(yù)測結(jié)果對(duì)比圖Fig.1 Corrosion prediction comparison chart

[1]許飛.變電站接地網(wǎng)腐蝕評(píng)估技術(shù)的實(shí)踐[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[2]閆鳳潔，李辛庚.電力接地網(wǎng)腐蝕與防護(hù)技術(shù)的發(fā)展[J].山東電力技術(shù)，2007（1）：9－13.

[3]胡文學(xué)，許崇武，王軼.接地網(wǎng)防蝕材料性能試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2002（5）：21－25.

[4]李秀娟，梅普定.灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在油氣管道腐蝕速度預(yù)測中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2006，13（6）：77－80.

[5]周淑梅.一種過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在管道土壤腐蝕速率預(yù)測中的應(yīng)用[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（4）：4－8.

[6]佟立強(qiáng)，張鶴群.油氣集輸管道腐蝕速率預(yù)測研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009（5）：52－54.

[7]張斌，肖芳淳.模糊物元分析[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.

[8]羅耘，楊潔.甘肅典型地區(qū)變電站接地網(wǎng)腐蝕狀況分析[J].甘肅科技，2013（11）：43－45.

[9]宋樂平.Baeckman法評(píng)價(jià)土壤腐蝕性的局限性[J].

[10]王帥華，秦曉霞，劉靜.,MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在管道土壤腐蝕評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009（11）：57-59.