文 | 张秀丽 莫逆 李永立 王应高 王天君 罗毅 华北电力科学研究院有限责任公司

一、接地网腐蚀检测的重要意义

发电厂及变电站的接地网是电力系统安全可靠运行、保障电气设备和运行人员安全的重要设施。目前在以美国为代表的许多发达国家铜为接地网的主要材料，在我国由于资源、经济等原因，接地网所用材料主要为普通碳钢。由于接地网埋设在地下，既看不见，又无监视装置，当接地网投运后，腐蚀问题就会暴露出来，而碳钢接地网的腐蚀问题尤为突出。接地网的腐蚀使得接地体截面减小，甚至断裂，由此导致地网接地性能不良，热稳定性达不到要求，电路电流将会烧坏地网，使得变电站内出现高电位差，造成其它主要设备的毁坏事故，还会危及人身安全。在我国因地网腐蚀或发生断裂而引起的电力系统事故时有发生，每次事故都带来了巨大的经济损失。1981 年广西合山电厂 110kV 开关站内 A 相母线侧的支柱瓷瓶在雨雾中闪络，造成弧光接地，A 相接地发展成两相短路，最后发展成三相短路，损坏二次电缆、端子排及二次设备，1 台100MW 发电机损坏，造成全厂停电的重大事故。事故扩大的主要原因是接地引下线在地表以下几十公分处腐蚀严重而引起的。1985年至1986年，湖北省胡集、潜江、武钢等 3 个 220kV 变电所因接地不良将变电所内弧光短路事故扩大为全站停电和设备严重损坏事故；1991 年浙江电网一个 110kV 变电所发生了 35kV开关站接地短路，由于接地装置存在问题，使一次系统事故扩大到二次系统，造成全厂停电 13h, 一、二次设备大量损坏；1994 年 1 月 1 日，四川华莹山发电厂因变压器中性点接地不良，当系统发生污闪时，造成变压器、发电机严重烧毁的恶性事故，损失十分严重。由此可见，接地网的故障已是电力系统安全运行的心腹大患，诊断地网的断点及地网的腐蚀情况已成为电力行业的一项重大反事故措施。

二、接地网腐蚀检测现状

网的主要材料，因此接地网的腐蚀问题并不象在我国这样突出，关于地网腐蚀程度检测方法和检测仪器的文献报道很少。目前国内外发电厂、变电站接地网测量系统的测量主要包括以下几个方面：

（1）地网接地电阻测量：如果地网接地电阻值过高，地网将不能发挥其正常的排流作用，地网接地电阻值的测量是评价地网能否正常工作的重要手段。但是如果发现接地电阻不合格，只有通过开挖查找地网的电气连接故障点或腐蚀段，这种方法带有盲目性、工作量大、速度慢，并且受现场运行的限制。

（2）接触电压和跨步电压测量：接触电压和跨步电压是衡量地网安全性的重要指标，同时根据跨步电压的变化规律，可以发现地网因腐蚀等原因而发生断裂的部位，但其并不能发现已发生严重腐蚀而未发生断裂的地网腐蚀段。

（3）接地网腐蚀和断点物理诊断法：该方法根据地网可测结点之间的电压或电阻测量值，应用适当的计算方法，计算出各段导体的实际电阻值，将它与标称值相比较，并按照一定的阈值来判断地网导体是否有断裂或腐蚀的情况存在。该方法要求准确知道地网的结构，在此基础上提出确切的数学模型，依据此数学模型对测量的数据点分析计算，方可得出各段地网导体的实际电阻值，由此可以看出影响该方法测量结果准确性的因素较多，而且其对运行多年旧地网的腐蚀诊断仍有一定的局限性。

目前国内外已生产出了测量发电厂、变电站接地网系统的专用仪器，如澳大利亚红相电力设备公司和维多利亚电力公司联合开发的 8000 型接地网测量系统，可综合完成上述测量。但目前国内外发电厂、变电站的接地网测量系统都只侧重于测量接地网系统工作的有效性和安全性，这些测量系统都无法对地网的腐蚀程度进行测量和评价。

接地网断点和腐蚀状态的诊断一直是电力行业面临的难题，国家自然科学基金曾资助过该方面的研究，但基于电化学测量原理对地网腐蚀程度进行快速检测和评价的研究，目前尚未见文献报道。

三、接地网腐蚀机理

土壤是由固相、气相和液相三相构成的不均一多相体系，接地网材料在土壤中主要是局部腐蚀，且一般接地网中的所有腐蚀现象在本质上都是电偶腐蚀。包括在同一电解质（土壤）中存在不同的金属（如镀锌钢、裸露碳钢和铜等）， 还包括同一材料处在不同的土壤中，或由于土壤的充气差异引起的腐蚀。

1.宏电池腐蚀

宏电池是由于土壤性质的差异，特别是埋地接地网不同部位上氧有效性不同而导致的一种腐蚀形式，从全国土壤网站 10 多年的埋设试验表明，钢铁试件 80% 左右的腐蚀是由宏电池腐蚀引起的。宏电池腐蚀类型包括：

（1）土壤不均匀性而产生的宏电池腐蚀

这种腐蚀形式主要发生在大型碳钢接地网材料上。在大范围内，由于土壤类型、土壤质地、含盐量、松紧度、渗透率、地下水等的变化，在不同地段会引起接地网碳钢材料自然腐蚀电位的差异，如图 1 所示。当碳钢材料通过结构不同和潮湿程度不同的土壤时（如通过沙土和粘土时）由于充气不均形成氧浓差电池的腐蚀，处在沙土中的金属部分，由于氧容易渗入，电位高，成为阴极，而处在粘土中的金属部分由于缺氧，成为阳极，它们之间构成氧浓差电池，而使粘土中的金属部分遭到腐蚀。

（2）土壤局部不均匀引起小距离宏电池腐蚀

图1 构件通过不同土壤时，构成氧浓差电池的腐蚀

在小范围内，如在导电良好，氧充足的环境中，若有无渗透性成分（砂石、砾石）与碳钢接地网表面接触，则可以产生点蚀。对于土壤中石块等夹杂物下面的碳钢，夹杂物的透气性如果比土壤本身的透气性差，该区就成为腐蚀宏电池的阳极，并且生成的 Fe 2+ 很快转化为Fe（OH） 3 , 后者有胶粘作用，阻止了氧向夹杂物周围扩散，进一步提高了阳极活性，最终形成明显的蚀坑，而和土壤本体区域接触的碳钢就成为阴极。所以埋设碳钢接地网时，回添土壤的密度要均匀，不带夹杂物。

（3）新旧碳钢材料接触而形成的宏电池腐蚀埋设在地下的接地网，由于维修而去掉旧的锈蚀钢材而换上新的钢材，新旧钢材由于自然腐蚀电位不同，接触便形成了电偶腐蚀宏电池，如图 2所示。由于电位不同而形成的电偶腐蚀还包括不同金属接触（如碳钢与铜的连接）的情况。这种宏电池腐蚀导致电位较负的新钢材（或碳钢）加速腐蚀。

2.微电池腐蚀

图2 新旧金属构件接触形成的电偶宏电池

微电池腐蚀是由于碳钢金属组成、结构、物理状态不均匀或表面膜不完整而产生的一种均匀腐蚀。由于大部分金属的表面状况不可能达到理想的均一，所以微电池腐蚀是一种普遍存在的腐蚀形式，在土壤性质均匀或金属构件尺寸较小的情况下，微电池腐蚀则被认为是主要的腐蚀形式。金属构件在密实和渗透率较小的粘土中腐蚀率低，而在疏松和透气性好的土壤中腐蚀率较高，土壤电阻率对微电池作用很小，但由于反应只在微观状态下进行，电池反应微弱，加上又是均匀腐蚀，在实践中一般不会造成严重的危害。因此在实际工作中人们偏重于对宏电池腐蚀进行研究。

由于土壤是一种复相体系，因此完全均一而全部由微电池作用引起的腐蚀的情况只有在特殊条件下才出现，例如打入缺氧的未搅动土壤中的垂直接地极或是整个接地网构件全部埋设在常年渍水的土壤中，在大多数情况下，接地网碳钢土壤腐蚀是宏电池和微电池共同作用的结果。

3.杂散电流腐蚀

杂散电流是指在土壤介质中存在的一种大小、方向都不固定的电流，这种电流对材料的腐蚀称为杂散电流腐蚀。杂散电流又分为直流杂散电流和交流杂散电流两类。

直流杂散电流对金属的腐蚀机理同电解原理是一致的，即阳极为正极，阴极为负极进行电化学反应。如图 3, 电流从土壤进入金属构件的地方带有负电荷，这一区域为阴极区，容易析氢；电流由金属构件流出的部位带正电，该区域为阳极区，阳极将以铁离子溶入土壤中而遭受腐蚀。杂散电流造成的集中腐蚀破坏是非常严重的。埋地金属直流杂散电流腐蚀损耗量按照法拉第定律计算，一安培的电流一年能腐蚀约 9kg 铁。这个数值是按照电化学当量的计算值，实际的损耗量还要看电流效率的大小。由此可见直流杂散电流造成的腐蚀是很严重的。

交流杂散电流一般为工频杂散电流，它主要来源于交流电气化铁路，二线一地制输电线路，高压和超高压输电网等。一般交流杂散电流腐蚀的危害性要比直流的小，但是交流电的集中腐蚀性强。接地网泄流时的交流电通过接地网的时间不长，因而交流腐蚀通常不考虑。但是通过接地网的超低频谐波电流是需要加以限制。

图3 直流杂散电流腐蚀

4.微生物腐蚀

土壤中微生物对接地网碳钢材料的腐蚀是微生物的生命活动参与下所发生的腐蚀过程，微生物自身对碳钢并不直接具有腐蚀作用，而是其生命活动的结果参与腐蚀的间接过程。这种间接过程主要表现为新陈代谢的腐蚀作用（微生物能产生一些句有腐蚀性的代谢产物，如硫酸、有机酸和硫化物等，增强了环境的腐蚀性）； 微生物的活动影响电极的动力学过程（如硫酸盐还原细菌的存在，能促进腐蚀的阴极去极化过程）；改变了金属周围环境的状况（如氧浓度、盐浓度及 pH 等）， 形成局部腐蚀电池；破坏保护性覆盖层的稳定性。

一般而言，微生物腐蚀多发生在地势较低的沼泽地带及有机质含量较高的土壤中。

四、腐蚀电化学检测技术在接地网上的应用可行性

由于接地网材料在土壤中腐蚀的电化学本质，其腐蚀状态可以用电化学特征参数来表征。对电化学腐蚀，通常还可用电流密度来表示腐蚀速度。在金属电化学腐蚀过程中，被腐蚀的金属作为阳极，发生氧化反应而不断被溶解，同时释放出电子。释放出的电子数量越多，亦即输出的电量越多，意味着金属被溶解得多。因此，金属电极上输出的电量显然与金属电极的溶解量之间存在定量的关系，这个定量关系就是法拉第定律。

根据法拉第定律，由电极上通过的电量可以计算出金属溶解的量。不同的电化学特征参数可以表征不同的腐蚀状态，例如可以用击穿电位评价金属抗点蚀性的大小，电位越低，抗蚀性越差。金属腐蚀速度的电化学测试技术有极化阻力技术、暂态线性极化技术、充电曲线技术和恒电量法等。采用线性极化或交流阻抗等电化学技术可以测量接地网碳钢材料的极化电阻、腐蚀电流等电化学参数，但要完成接地网碳钢材料的腐蚀电化学检测，必须解决以下两个问题：

1.腐蚀电化学测量传感器的限流问题

传统的电化学三电极测量系统很难准确测量地网金属的腐蚀速度，因为予测量的某一段地网金属并不是一个独立的电极，它与整个地网金属是连接在一起的，因此通过辅助电极加在地网金属上的极化电流并不会只局限在被测量的这段地网金属上，被极化地网金属面积的不确定性，将会在腐蚀电流密度的计算中引入较大的误差。因此要实现接地网碳钢材料的腐蚀电化学检测，首先要解决腐蚀电化学测量传感器的限流问题。目前已开发研究的限流传感器有护环传感器和小孔限流传感器，要将这些传感器用于接地网碳钢材料的腐蚀检测尚需进一步的研究。

2.土壤中杂散电流对测量系统的干扰

由于土壤中存在的杂散电流对电化学测试技术的响应信号有很强的干扰，有时甚至完全淹没真实的信号，得到的响应信号信噪比很低，无法进行数据分析。要解决土壤中杂散电流的干扰问题，可以通过仪器本身的硬件来消除干扰，或采用适宜的多分辨分析小波滤波方法对响应信号进行处理，滤除各种噪声干扰。

五、腐蚀电化学检测技术在接地网上的应用前景

通过上述讨论可以看出，若能解决接地网碳钢材料腐蚀电化学检测中的传感器的限流和杂散电流干扰问题，腐蚀电化学检测技术在各个发电厂和变电站接地网上有着非常广阔的应用前景。

目前接地网的断点及地网的腐蚀情况的诊断方法通常是，发现接地电阻不合格或出现事故后，通过开挖查找地网的电气连接故障点或腐蚀段，这种方法带有盲目性、工作量大、速度慢，并且还受现场运行的限制。采用腐蚀电化学检测技术可以在地面对地网定期进行原位综合腐蚀检测（无需停运和开挖地网）， 根据检测数据对地网金属的腐蚀可能性或腐蚀程度进行评价，以便及时发现地网严重腐蚀的区域段，在其未产生严重事故前，及时采取有效措施，减少或杜绝因地网腐蚀而引起的电力系统事故的发生。