接地网在高盐渍土壤环境下的腐蚀检测仿真

廖鹏毅，常 湧，高嘉辰

(武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072)

1 引言

变电站中的接地网对于输电系统的安全运行来说是重要的保障设施[1-2]。接地网在工作的过程中，变电站接地网可以向大地内部输送一些故障电流和雷击电流，因此在日常的变电站输电中，接地网起到一个保护和防雷的作用[3-4]。我国电网覆盖率高，西部一些地区土壤具有高盐渍的特点，土壤中的盐含量占比能够达到甚至超过1%，接地网长期处于这种高盐渍土壤的环境中，非常容易造成腐蚀发生断裂[5-6]。一旦出现这种情况，对于变电站来说存在非常大的安全隐患，严重情况下会造成生命财产损失。因此在日常的变电站运行和维护中，保证接地网在运行过程中不受到腐蚀或减弱其腐蚀效应[7]，是目前行业内研究的重点内容。

目前的接地网防腐蚀技术，一般采用牺牲阳极或是附加电流来保护作为阴极的接地网。很多学者与业内的研究人员也做了大量的研究，文献[8]在动、静两种状态下，利用合金和高强钢在高盐分的海水中模拟了腐蚀试验，研究了两种金属材质的在发生电化学腐蚀过程中的电偶特性，并串联了电阻进行仿真绝缘计算，发现了促进金属腐蚀作用的机理，计算出了合适的绝缘电阻的大小来减弱腐蚀速度；文献[9]中研究了不同状态下的青铜在不同环境模拟液中的腐蚀情况。对于变电站接地网的腐蚀状态检测来说，想要检测到真实的腐蚀情况就势必要将接地网所在位置进行挖掘，对于众多的变电站来说无法实现一一检测。因此，本文针对变电站接地网在高盐渍土壤中的电化学腐蚀状态进行检测仿真，以获得接地网电化学腐蚀的特性，预测接地网的腐蚀程度，为接地网在日常工作中的防腐提供有效参考。

2 试验方案设计

2.1 试验材料和器材

高盐渍土壤的材质一般为砂土，在试验中采用纯度为99%的标准砂作为试验土壤[10-12]，选择的电解槽尺寸为280mm×150mm×150mm，电化学工作站选择的是型号为FH375的武汉科斯特工作站，并在其中粘贴可以导电的金属片来测试高盐渍土壤的电化学性质。选择的高盐渍土壤划分根据含盐量的多少划分成为三个等级，相关的参数如表1所示。

表1 不同等级高盐渍土壤的离子含量

将三个等级的高盐渍土壤按照1：1：1的比例放置在保鲜袋中混合均匀静置24h以上，得到混合均匀的高盐渍土壤试样。并将得到的土壤在高温条件下烘干，经过研磨过筛，加入2.5倍重量的纯净水来配制高盐渍土壤溶液。选择的接地网材料为镀锌钢，并将背面的铜导线引出之后利用密闭材料进行封装，保留铜导线能够接触到的腐蚀面积约为1平方厘米，将暴露段依次经过#420、#950和#1650的规格打磨，并利用酒精或丙酮超声波进行清洁，干燥后保证实验温度恒定在23-25℃。

2.2 电化学腐蚀原理

在电化学腐蚀的整体系统中，接地网中的金属材料可以看作为电化学腐蚀中的电子导体，高盐渍土壤则为离子导体。电化学腐蚀的过程中导体之间一定会发生电荷改变，此时导体就变成了电极系统。在每一个电极系统中都存在导体自身的绝对电位，此时电极处于平衡状态；当平衡状态被打破后，电位也会随之发生改变，根据电位的升高或者降低，正电流的流向也会发生改变。当系统中的两个电极之间处于接触状态，且平衡之后在系统中的电荷状态保持稳定，那么两个电极平衡电位可以记作Ee1和Ee2，此时构成的腐蚀电池如图1所示。

图1 腐蚀电池组成示意图

这种腐蚀电池最大的特点就是能够破坏金属材料，但是却无法对外界输出有用功率，腐蚀反应的原因是电池内部短路。

根据以上腐蚀电池的结构可以推断出，接地网发生了一系列的电化学腐蚀，主要是由于土壤中氢离子和稀疏的土壤中氧气充当了能够使接地网氧化腐蚀的催化剂，它们可以将接地网材料中的金属元素都氧化形成金属离子或与其有关的化合物。由于氧化剂物质的均匀平衡电位比普通接地网的材料要高，组成的抗腐蚀电池内部的电荷就会向阳极方向移动，金属就不断被腐蚀。

对于接地网材料来说，一般会使用镀锌钢，长期在高盐渍土壤中会生成Zn(OH)2和ZnO。选择的镀锌钢的试样材料尺寸为φ23×2mm，形状为片状，阳极的腐蚀反应方程式为

Zn-2e-→Zn2+

Zn2++2OH-→Zn(OH)2

Zn(OH)2→ZnO+H2O

(1)

阴极的化学反应方程式为

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

2.3 实验方法

在电化学工作站中分析阻抗谱以及衰减曲线与腐蚀状态之间的关系，电化学阻抗谱能够反映出腐蚀电池防护性能的变化，将阻抗谱的分析结果作为参数进行仿真，得到衰减曲线与腐蚀状态之间的关系，以此来表征电容放电的过程，得到影响腐蚀程度的因素变化规律。接地网腐蚀的过程中会产生一些铁锈等腐蚀之后的衍生物，此时的接地网材料腐蚀反应截面面积会变小，根据这些变化，得到的衰减曲线也会产生相应改变。因此可以在计算机中进行仿真，得到衰减曲线的仿真变化，从而来推测接地网的腐蚀程度，实现接地网腐蚀状态的预测。实验装置如图2所示。

图2 实验装置图

在上图2的实验装置中，组成腐蚀电池的两个电极分别为镀锌钢和铂电极，其中的参比电极则为饱和甘汞电极，将上述三个电极放置在电解池中，测定阻抗谱以及衰减曲线与腐蚀状态之间的关系。采用正交实验对不同组的结果进行分析，为了保证实验结果不会受到外界因素的影响，因此在正交实验仿真中，按照表2所示的顺序进行实验，表2中还包含了正交实验的实验组信息。

表2 高盐渍土壤正交实验信息

在以上的实验顺序和环境下进行实验，并对实验结果进行分析和讨论。

3 实验结果

3.1 电化学阻抗谱特征

在经过实验后，得到正交实验组中9组实验的高盐渍土壤的电化学阻抗谱特征图如图3所示。

图3 电化学阻抗谱特征

图4 等效电路示意图

图4中等效电路中的图(a)表示无阻抗存在时的等效拟合电路，W表示阻抗，则图4(b)表示出现W阻抗时的等效电路。Rt电阻表示电荷转移电阻，其值越大，说明电化学腐蚀的进程越慢，即不容易发生腐蚀。根据上述的等效电路，可以对电化学阻抗谱进行拟合分析，得到的等效电路表达式如下式

(3)

式中，Re表示孔隙液在腐蚀电池体系中的等效电阻，j表示土壤系数结构中的迂曲度大小，ω表示原件中的常相位角，Cs表示电极附近高盐渍土壤中的电容。根据上式对图3中的阻抗谱进行拟合分析，得到了接地网材料在不同电位下的电荷转移电阻值，如图5所示。

图5 接地网材料不同电位下的电荷转移电阻值

从上图可以看出，在实验中，电位达到-1100Mv时的Rt电荷转移电阻最高，说明此时的接地网材料抗腐蚀性能最强。

3.2 衰减曲线与腐蚀程度关系

为了验证衰减曲线与腐蚀程度之间的关系，就要在短时间内得到不同腐蚀程度下的，且具有明显差异的衰减曲线。首先需要进行加速腐蚀实验。在仿真过程中，衰减曲线的测量装置示意图如图6所示。

图6 衰减曲线检测示意图

衰减曲线的检测可能会受到噪声的影响，为了保证实验结果的准确性，需要增加仿真周期并求取平均值，使得到的衰减曲线更加平滑，经过归一化处理的部分周期衰减曲线如图7所示。

图7 经过归一化处理的衰减曲线

根据对衰减曲线的分析可以看出，前1s时间内，第一周期的曲线衰减速度先增加后减小。经过对数据进行处理，得出衰减曲线斜率的绝对值会随着腐蚀时间逐渐增大。取出衰减曲线中有区分的时间段进行线性拟合，得到曲线下降斜率的计算公式为

(4)

式中，lnU表示不同时间t下的电压对数，从上式可以看出，以上三个参数之间呈现简单的线性关系，因此可以求出衰减曲线斜率的变化。

表3 不同周期下斜率的变化

从上表的结果可以观察到，随着周期数的增加，斜率逐渐减小，此时接地网材料镀锌铜的腐蚀程度随之加深。

通过计算机仿真实验中对接地网材料进行加速腐蚀，可以节省实验时间，在短时间内得到实验接地网材料的腐蚀程度增加，且状态之间的差别明显，能够在其中发现一些规律性的变化，得到相关的结论，在有效的实验周期中得到的电压对数随着时间下降的斜率。发现了斜率的绝对值随着时间的推移而变大，也就是能够随着接地网材料的腐蚀程度而发生变化。

4 结论

本文主要对接地网材料在高盐渍土壤中腐蚀电化学检测进行了仿真，得到的主要结论如下：

1)通过对电化学阻抗谱特征进行分析，得到了正交实验组中9组测试在不同电位下的阻抗，配合等效电路求解出不同电位下的电荷转移电阻值，电位为-1100 mV时，电荷转移电阻达到了最大值，说明此时的接地材料镀锌钢腐蚀反应的阻力最大，耐腐蚀性最好；

2)为了更好地实现对接地网中腐蚀状态的预测与评价，对接地网中腐蚀材料的衰减曲线进行仿真，研究了其衰减曲线和接地网中腐蚀严重程度之间的相互关系。在进行仿真和实验的同时也加速了腐蚀的进程，缩短了实验时间。将实验得到的电压衰减曲线进行处理，得出电压下降斜率的绝对值可能会随着受到的接地网材料锈蚀程度的提高和加深而有所增大。

本文利用仿真实验对高盐渍土壤中接地网腐蚀电化学检测进行了研究，并得到了相关的结论，为变电站接地网防腐手段提供了一定的理论依据。但是在实际的变电站接地网防腐蚀应用中，还会受到很多外界条件的影响，在仿真条件的设置中，还有很多需要改进之处，在今后的研究和实验中，也是需要重点关注的问题。