廖鵬毅，常 湧，高嘉辰

(武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

1 引言

變電站中的接地網(wǎng)對(duì)于輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行來說是重要的保障設(shè)施[1-2]。接地網(wǎng)在工作的過程中，變電站接地網(wǎng)可以向大地內(nèi)部輸送一些故障電流和雷擊電流，因此在日常的變電站輸電中，接地網(wǎng)起到一個(gè)保護(hù)和防雷的作用[3-4]。我國電網(wǎng)覆蓋率高，西部一些地區(qū)土壤具有高鹽漬的特點(diǎn)，土壤中的鹽含量占比能夠達(dá)到甚至超過1%，接地網(wǎng)長(zhǎng)期處于這種高鹽漬土壤的環(huán)境中，非常容易造成腐蝕發(fā)生斷裂[5-6]。一旦出現(xiàn)這種情況，對(duì)于變電站來說存在非常大的安全隱患，嚴(yán)重情況下會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)損失。因此在日常的變電站運(yùn)行和維護(hù)中，保證接地網(wǎng)在運(yùn)行過程中不受到腐蝕或減弱其腐蝕效應(yīng)[7]，是目前行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

目前的接地網(wǎng)防腐蝕技術(shù)，一般采用犧牲陽極或是附加電流來保護(hù)作為陰極的接地網(wǎng)。很多學(xué)者與業(yè)內(nèi)的研究人員也做了大量的研究，文獻(xiàn)[8]在動(dòng)、靜兩種狀態(tài)下，利用合金和高強(qiáng)鋼在高鹽分的海水中模擬了腐蝕試驗(yàn)，研究了兩種金屬材質(zhì)的在發(fā)生電化學(xué)腐蝕過程中的電偶特性，并串聯(lián)了電阻進(jìn)行仿真絕緣計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了促進(jìn)金屬腐蝕作用的機(jī)理，計(jì)算出了合適的絕緣電阻的大小來減弱腐蝕速度；文獻(xiàn)[9]中研究了不同狀態(tài)下的青銅在不同環(huán)境模擬液中的腐蝕情況。對(duì)于變電站接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)檢測(cè)來說，想要檢測(cè)到真實(shí)的腐蝕情況就勢(shì)必要將接地網(wǎng)所在位置進(jìn)行挖掘，對(duì)于眾多的變電站來說無法實(shí)現(xiàn)一一檢測(cè)。因此，本文針對(duì)變電站接地網(wǎng)在高鹽漬土壤中的電化學(xué)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)仿真，以獲得接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕的特性，預(yù)測(cè)接地網(wǎng)的腐蝕程度，為接地網(wǎng)在日常工作中的防腐提供有效參考。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料和器材

高鹽漬土壤的材質(zhì)一般為砂土，在試驗(yàn)中采用純度為99%的標(biāo)準(zhǔn)砂作為試驗(yàn)土壤[10-12]，選擇的電解槽尺寸為280mm×150mm×150mm，電化學(xué)工作站選擇的是型號(hào)為FH375的武漢科斯特工作站，并在其中粘貼可以導(dǎo)電的金屬片來測(cè)試高鹽漬土壤的電化學(xué)性質(zhì)。選擇的高鹽漬土壤劃分根據(jù)含鹽量的多少劃分成為三個(gè)等級(jí)，相關(guān)的參數(shù)如表1所示。

表1 不同等級(jí)高鹽漬土壤的離子含量

將三個(gè)等級(jí)的高鹽漬土壤按照1：1：1的比例放置在保鮮袋中混合均勻靜置24h以上，得到混合均勻的高鹽漬土壤試樣。并將得到的土壤在高溫條件下烘干，經(jīng)過研磨過篩，加入2.5倍重量的純凈水來配制高鹽漬土壤溶液。選擇的接地網(wǎng)材料為鍍鋅鋼，并將背面的銅導(dǎo)線引出之后利用密閉材料進(jìn)行封裝，保留銅導(dǎo)線能夠接觸到的腐蝕面積約為1平方厘米，將暴露段依次經(jīng)過#420、#950和#1650的規(guī)格打磨，并利用酒精或丙酮超聲波進(jìn)行清潔，干燥后保證實(shí)驗(yàn)溫度恒定在23-25℃。

2.2 電化學(xué)腐蝕原理

在電化學(xué)腐蝕的整體系統(tǒng)中，接地網(wǎng)中的金屬材料可以看作為電化學(xué)腐蝕中的電子導(dǎo)體，高鹽漬土壤則為離子導(dǎo)體。電化學(xué)腐蝕的過程中導(dǎo)體之間一定會(huì)發(fā)生電荷改變，此時(shí)導(dǎo)體就變成了電極系統(tǒng)。在每一個(gè)電極系統(tǒng)中都存在導(dǎo)體自身的絕對(duì)電位，此時(shí)電極處于平衡狀態(tài)；當(dāng)平衡狀態(tài)被打破后，電位也會(huì)隨之發(fā)生改變，根據(jù)電位的升高或者降低，正電流的流向也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)系統(tǒng)中的兩個(gè)電極之間處于接觸狀態(tài)，且平衡之后在系統(tǒng)中的電荷狀態(tài)保持穩(wěn)定，那么兩個(gè)電極平衡電位可以記作Ee1和Ee2，此時(shí)構(gòu)成的腐蝕電池如圖1所示。

圖1 腐蝕電池組成示意圖

這種腐蝕電池最大的特點(diǎn)就是能夠破壞金屬材料，但是卻無法對(duì)外界輸出有用功率，腐蝕反應(yīng)的原因是電池內(nèi)部短路。

根據(jù)以上腐蝕電池的結(jié)構(gòu)可以推斷出，接地網(wǎng)發(fā)生了一系列的電化學(xué)腐蝕，主要是由于土壤中氫離子和稀疏的土壤中氧氣充當(dāng)了能夠使接地網(wǎng)氧化腐蝕的催化劑，它們可以將接地網(wǎng)材料中的金屬元素都氧化形成金屬離子或與其有關(guān)的化合物。由于氧化劑物質(zhì)的均勻平衡電位比普通接地網(wǎng)的材料要高，組成的抗腐蝕電池內(nèi)部的電荷就會(huì)向陽極方向移動(dòng)，金屬就不斷被腐蝕。

對(duì)于接地網(wǎng)材料來說，一般會(huì)使用鍍鋅鋼，長(zhǎng)期在高鹽漬土壤中會(huì)生成Zn(OH)2和ZnO。選擇的鍍鋅鋼的試樣材料尺寸為φ23×2mm，形狀為片狀，陽極的腐蝕反應(yīng)方程式為

Zn-2e-→Zn2+

Zn2++2OH-→Zn(OH)2

Zn(OH)2→ZnO+H2O

(1)

陰極的化學(xué)反應(yīng)方程式為

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

在電化學(xué)工作站中分析阻抗譜以及衰減曲線與腐蝕狀態(tài)之間的關(guān)系，電化學(xué)阻抗譜能夠反映出腐蝕電池防護(hù)性能的變化，將阻抗譜的分析結(jié)果作為參數(shù)進(jìn)行仿真，得到衰減曲線與腐蝕狀態(tài)之間的關(guān)系，以此來表征電容放電的過程，得到影響腐蝕程度的因素變化規(guī)律。接地網(wǎng)腐蝕的過程中會(huì)產(chǎn)生一些鐵銹等腐蝕之后的衍生物，此時(shí)的接地網(wǎng)材料腐蝕反應(yīng)截面面積會(huì)變小，根據(jù)這些變化，得到的衰減曲線也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)改變。因此可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真，得到衰減曲線的仿真變化，從而來推測(cè)接地網(wǎng)的腐蝕程度，實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)的預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

在上圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中，組成腐蝕電池的兩個(gè)電極分別為鍍鋅鋼和鉑電極，其中的參比電極則為飽和甘汞電極，將上述三個(gè)電極放置在電解池中，測(cè)定阻抗譜以及衰減曲線與腐蝕狀態(tài)之間的關(guān)系。采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)不同組的結(jié)果進(jìn)行分析，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)受到外界因素的影響，因此在正交實(shí)驗(yàn)仿真中，按照表2所示的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表2中還包含了正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)組信息。

表2 高鹽漬土壤正交實(shí)驗(yàn)信息

在以上的實(shí)驗(yàn)順序和環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 電化學(xué)阻抗譜特征

在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，得到正交實(shí)驗(yàn)組中9組實(shí)驗(yàn)的高鹽漬土壤的電化學(xué)阻抗譜特征圖如圖3所示。

圖3 電化學(xué)阻抗譜特征

圖4 等效電路示意圖

圖4中等效電路中的圖(a)表示無阻抗存在時(shí)的等效擬合電路，W表示阻抗，則圖4(b)表示出現(xiàn)W阻抗時(shí)的等效電路。Rt電阻表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，其值越大，說明電化學(xué)腐蝕的進(jìn)程越慢，即不容易發(fā)生腐蝕。根據(jù)上述的等效電路，可以對(duì)電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合分析，得到的等效電路表達(dá)式如下式

(3)

式中，Re表示孔隙液在腐蝕電池體系中的等效電阻，j表示土壤系數(shù)結(jié)構(gòu)中的迂曲度大小，ω表示原件中的常相位角，Cs表示電極附近高鹽漬土壤中的電容。根據(jù)上式對(duì)圖3中的阻抗譜進(jìn)行擬合分析，得到了接地網(wǎng)材料在不同電位下的電荷轉(zhuǎn)移電阻值，如圖5所示。

圖5 接地網(wǎng)材料不同電位下的電荷轉(zhuǎn)移電阻值

從上圖可以看出，在實(shí)驗(yàn)中，電位達(dá)到-1100Mv時(shí)的Rt電荷轉(zhuǎn)移電阻最高，說明此時(shí)的接地網(wǎng)材料抗腐蝕性能最強(qiáng)。

3.2 衰減曲線與腐蝕程度關(guān)系

為了驗(yàn)證衰減曲線與腐蝕程度之間的關(guān)系，就要在短時(shí)間內(nèi)得到不同腐蝕程度下的，且具有明顯差異的衰減曲線。首先需要進(jìn)行加速腐蝕實(shí)驗(yàn)。在仿真過程中，衰減曲線的測(cè)量裝置示意圖如圖6所示。

圖6 衰減曲線檢測(cè)示意圖

衰減曲線的檢測(cè)可能會(huì)受到噪聲的影響，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要增加仿真周期并求取平均值，使得到的衰減曲線更加平滑，經(jīng)過歸一化處理的部分周期衰減曲線如圖7所示。

圖7 經(jīng)過歸一化處理的衰減曲線

根據(jù)對(duì)衰減曲線的分析可以看出，前1s時(shí)間內(nèi)，第一周期的曲線衰減速度先增加后減小。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出衰減曲線斜率的絕對(duì)值會(huì)隨著腐蝕時(shí)間逐漸增大。取出衰減曲線中有區(qū)分的時(shí)間段進(jìn)行線性擬合，得到曲線下降斜率的計(jì)算公式為

(4)

式中，lnU表示不同時(shí)間t下的電壓對(duì)數(shù)，從上式可以看出，以上三個(gè)參數(shù)之間呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此可以求出衰減曲線斜率的變化。

表3 不同周期下斜率的變化

從上表的結(jié)果可以觀察到，隨著周期數(shù)的增加，斜率逐漸減小，此時(shí)接地網(wǎng)材料鍍鋅銅的腐蝕程度隨之加深。

通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)接地網(wǎng)材料進(jìn)行加速腐蝕，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)得到實(shí)驗(yàn)接地網(wǎng)材料的腐蝕程度增加，且狀態(tài)之間的差別明顯，能夠在其中發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律性的變化，得到相關(guān)的結(jié)論，在有效的實(shí)驗(yàn)周期中得到的電壓對(duì)數(shù)隨著時(shí)間下降的斜率。發(fā)現(xiàn)了斜率的絕對(duì)值隨著時(shí)間的推移而變大，也就是能夠隨著接地網(wǎng)材料的腐蝕程度而發(fā)生變化。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)接地網(wǎng)材料在高鹽漬土壤中腐蝕電化學(xué)檢測(cè)進(jìn)行了仿真，得到的主要結(jié)論如下：

1)通過對(duì)電化學(xué)阻抗譜特征進(jìn)行分析，得到了正交實(shí)驗(yàn)組中9組測(cè)試在不同電位下的阻抗，配合等效電路求解出不同電位下的電荷轉(zhuǎn)移電阻值，電位為-1100 mV時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移電阻達(dá)到了最大值，說明此時(shí)的接地材料鍍鋅鋼腐蝕反應(yīng)的阻力最大，耐腐蝕性最好；

2)為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)中腐蝕狀態(tài)的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，對(duì)接地網(wǎng)中腐蝕材料的衰減曲線進(jìn)行仿真，研究了其衰減曲線和接地網(wǎng)中腐蝕嚴(yán)重程度之間的相互關(guān)系。在進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也加速了腐蝕的進(jìn)程，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。將實(shí)驗(yàn)得到的電壓衰減曲線進(jìn)行處理，得出電壓下降斜率的絕對(duì)值可能會(huì)隨著受到的接地網(wǎng)材料銹蝕程度的提高和加深而有所增大。

本文利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)高鹽漬土壤中接地網(wǎng)腐蝕電化學(xué)檢測(cè)進(jìn)行了研究，并得到了相關(guān)的結(jié)論，為變電站接地網(wǎng)防腐手段提供了一定的理論依據(jù)。但是在實(shí)際的變電站接地網(wǎng)防腐蝕應(yīng)用中，還會(huì)受到很多外界條件的影響，在仿真條件的設(shè)置中，還有很多需要改進(jìn)之處，在今后的研究和實(shí)驗(yàn)中，也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。