我国对接地网电气连接故障点及腐蚀数据积累

接地装置是电力系统不可缺少的重要组成部分。 我国常用的接地网材料有碳钢、镀锌钢等，这些材料在土壤环境中容易发生腐蚀，导致电力安全事故，进而威胁人身安全和电力系统的安全运行。

目前，我国尚未形成系统完整的接地网电气连接故障点和腐蚀诊断方法。 一般采用开挖检测，往往造成人力、物力的无效消耗。 如何延长接地网的使用寿命并保证其安全已成为电力部门亟待解决的问题。

近年来，为了延长接地网的使用寿命并保证其安全，研究人员在接地网方面开展了大量的工作。 一方面，为了提高接地材料的耐腐蚀性能，采用锌包钢、铜包钢、不锈钢包钢、铝镁合金包钢等新型耐腐蚀接地材料; 另一方面，研究接地网材料的腐蚀行为和机理，建立接地材料的腐蚀评估和预测方法，指导实际现场接地网的材料选择。 这些措施虽然有利于延长接地材料的使用寿命，但对于电力系统的安全生产具有重要意义。 但在接地系统的实际应用中，我国不同地区的土壤介质和环境条件差异较大，目前我国针对不同接地材料（特别是新型接地材料）的腐蚀数据积累还不够。 因此，仅靠上述措施还不够。 彻底解决延长接地网使用寿命、保障电力系统安全生产的问题。

通过现场原位腐蚀监测，可以获得使用环境中接地网材料的腐蚀数据。 这些数据比实验室模拟试验和加速腐蚀试验获得的数据更接近实际情况。 因此，现场原位腐蚀监测对于积累不同接地材料在不同介质环境下的腐蚀数据具有重要意义。

传统的电化学腐蚀监测技术，如线性极化法、恒电流阶跃法、电化学阻抗法等，是通过现场埋设与接地网相同材料制成的电极进行测量，获取接地网材料的腐蚀数据。 然而，这些方法获得的并不是实际埋地接地网金属的腐蚀数据。 近年来，混凝土钢筋腐蚀监测领域采用的保护环电极法开始用于监测地网金属的腐蚀情况。

护环电极腐蚀监测技术采用现场接地网金属作为工作电极。 通过增加辅助电极和护环电极，将中心辅助电极的电源线限制在预定的接地金属表面积内，从而解决了测量接地网金属面积的不确定性问题。 问题中，得到实际埋地接地网金属的极化电阻，进而得到其腐蚀速率。

实验材料

和场地土壤特性

试验材料采用市售普通热镀锌圆钢（ф10 mm）。 其基体为Q235钢，表面镀锌层厚度为60~70μm。 将镀锌圆钢加工成自腐蚀试件、模拟接地网和电化学监测探头。

武汉的土壤为棕壤土。 土样取自挖掘现场0.6 m 深处。 土壤基本性状分析为：pH 6.9，电阻率4247 Ω·cm，含水量21%，饱和含水量43%，全盐含量30%。 从土壤性质来看，试验土壤为低腐蚀性土壤。

样品制备

自腐蚀标本

将上述镀锌圆钢材料加工成ф10 mm×50 mm自腐蚀样品（36件），加工过程中未破坏镀锌圆钢原有表面状况。 用无水乙醇和丙酮擦洗样品表面，用冷风吹干，置于干燥器中24小时。 使用TG328A分析天平（精度0.1mg）称量样品，取3次称量的平均值。 将称量的样品两端绝缘密封，留出11.0 cm2（ф10 mm×35 mm）的工作面积。 包装后，样品可就地掩埋。

模拟地网

模拟接地网为两根ф10 mm×2 m镀锌圆钢（圆钢1和圆钢2）。 每根镀锌圆钢两端钻孔并配有螺栓。 将两根电缆（VV1000 1×10，长度 2 m）与焊接到螺栓（每端各一个）的接线片连接，并确认电线与镀锌圆钢的电气连接。 用无水乙醇和丙酮清洗试件，然后在螺栓接头处涂环氧重防腐漆。 待样品表面涂层干燥后，就地掩埋。

电化学监测探头

将镀锌圆钢加工成ф10mm×35mm）的电极样品。 电化学监测探头由3个呈等边三角形排列的电极样品组成（彼此之间的距离约为2厘米）。 共制备3组电化学监测探针。

现场埋葬布置

在室外挖一个3.0 m×0.7 m×0.6 m的土坑，将样品埋在图1所示的位置。模拟接地网（2 m镀锌圆钢）位于坑的中心，连接电缆两端有ф30mm×3mm电缆护套保护并引出至大地。 在镀锌圆钢两端和中部等距离埋设3组电化学监测探头（编号1~3），深度相同（0.6 m）。 测试引线还受到ф30 mm × 3 mm 电缆护套的保护并引出至地面。 将自腐蚀样品平放埋藏，每三个自腐蚀样品为一组，每组样品之间的距离约为0.2 m。 在两根镀锌圆钢中间正上方留出ф50 cm、深度为45 cm的空间，用于护环电极测量。 对挖出的土体进行回填，尽可能保持土体原有状态。 记录回填完成时间作为现场测试的开始时间。

图1 现场样品埋藏位置示意图

电化学测试

电化学测试在CS353便携式电化学工作站上进行。 样品埋入后，使用便携式饱和硫酸铜电极作为参比电极，测量模拟地网和电化学监测探头的自腐蚀电位（Ecorr）。 分别测量了三组电化学监测探针的电化学阻抗（EIS）。 测量时的激励信号为幅度为±10 mV的正弦波，测试频率范围为0.01~105Hz。 然后利用Zview2.0软件对EIS数据进行拟合和处理。

模拟接地网中两根圆钢的实测自腐蚀电位随时间的变化曲线相似，三组电化学监测探头的曲线也相似。 因此，以模拟接地网（圆钢2）两端和电化学监测探头2中各电极为例，对自腐蚀电位进行说明，如图2所示。

(a) 模拟地网

(b) 电化学监测探头

图2 镀锌圆钢在武汉土壤中的自腐蚀电位随时间的变化曲线

从图2可以看出，在埋藏初期（小于40天），自腐蚀电位相对为负，范围为-1.2～-1.0 V，这个值范围就是埋藏物的自腐蚀电位。镀锌层； 埋藏时间超过40天后，自腐蚀电位开始明显前移。 其中，埋藏时间为40～60天时，自腐蚀电位正移最大。 这是由于镀锌层逐渐被破坏以及Q235钢基体暴露于土壤介质造成的。 两者耦合的结果； 埋藏时间超过90天后，自腐蚀电位在-0.9～-0.6V范围内波动，其值更接近Q235钢的自腐蚀电位，这表明大部分镀锌层此时样品表面已被破坏。

定期测量三组电化学监测探针的EIS，用Zview2.0软件拟合得到极化电阻Rp，计算三组探针极化电阻的均值和方差。 结果如图3所示。

(a) 极化电阻

(b) 极化电阻的均值和方差

图3 电化学监测探头在武汉土壤中测得的镀锌圆钢的极化电阻及其均值和方差随时间的变化曲线

从图3(a)可以看出，由于3个探针埋置位置和状态的差异，极化电阻存在差异，但总体变化趋势基本相同。 从图3(b)可以看出，在埋藏初期(小于40 d)，平均极化电阻呈现先增大、后减小、再增大的趋势。 埋藏40天后，呈现逐渐增加的趋势。

结合图2中的自腐蚀电位数据，埋藏初期的样品主要表现出锌层的腐蚀行为。 此期间极化电阻的变化恰好反映了锌层被腐蚀逐渐破坏的过程。 埋藏40天后，自腐蚀电位开始显着前移。 此时，Q235钢基体的影响逐渐增大，镀锌层腐蚀加速，极化电阻较小。 随后，极化电阻逐渐增大，这可能与样品表面生长的腐蚀产物对腐蚀的抑制作用有关。

保护环电极测试

样品埋入后，使用CST700保护环测试仪测量模拟地网的极化电阻。 保护环电极如图4所示。图中RE1、RE2、RE3均为饱和Cu/CuSO4参比电极，CE为辅助电极，GE为保护环电极。 测量模拟接地网在地面（测量深度，即护环电极与接地网距离0.6 m）和中心预留位置（测量深度0.15 m）的极化电阻。 测量时选择护环面积为5.4 cm2。 观察测量深度。 对测试结果的影响。

图4 保护环电极示意图

从测量结果可以看出，埋藏时间为38天和165天时，测量数据存在较大偏差，其他测量数据的相对偏差为-38%~29%。

在实际测量中，影响护环电极测试数据的因素有很多，如测试距离、土壤含水量等都会对测试数据产生重大影响。 当埋藏时间为38天时，正值夏季，土壤含水量很低，会影响护环电极发出的电流在土壤中的分布，导致测试数据偏差较大。 另外，测试时很难保证护环电极直接放置在接地网样品上方，这会影响其实际投影面积。 一般来说，护环电极测得的极化电阻数据波动较大，但如果条件控制得当，得到的数据与电化学监测探头测得的数据相当。

减肥方法

测试腐蚀速率

每月取一组（3）个自腐蚀样品并将其掩埋，挖掘时不干扰附近的样品。 取出自腐蚀样品后，清除样品表面的浮土，立即拍照记录，并放入样品袋中保存。 对于表面镀锌层未被腐蚀的样品，用10%过硫酸铵溶液去除样品表面的腐蚀产物； 对于有镀锌层腐蚀的样品，首先用酸洗液去除样品表面的腐蚀产物。 用水冲洗并擦干。 然后，使用TG328A分析天平称量样品，然后拍照并记录。 采用失重法根据样品腐蚀前后的质量差计算自腐蚀样品的腐蚀速率。

图5 镀锌圆钢在武汉土壤中随时间的腐蚀速率曲线

从图5可以看出，当埋藏时间为1～2个月时，腐蚀速率vcorr较大，且有轻微增加的趋势。 但埋藏时间超过2个月后，腐蚀速度逐渐降低。 埋藏2～3个月后，腐蚀速度降低。 小振幅最大。 埋藏3个月后，腐蚀速度下降，趋势减缓。

图6 镀锌圆钢在武汉土壤中埋藏不同时间（1～6个月）后的腐蚀形貌

从图6可以看出，在埋置初期（前三个月），镀锌层的腐蚀和溶解不均匀。 埋藏30天后，样品表面某些区域的镀锌层被完全破坏。 随着埋藏时间的增加，镀锌层破损面积逐渐增大。 在这种状态下，镀锌层与Q235钢基体会形成腐蚀偶，加速镀锌层的溶解和破坏，而Q235钢基体则得到保护。 在此期间，试样表面仍以镀锌层为主，因此测得的自腐蚀电位和腐蚀速率主要反映镀锌层的腐蚀行为。 埋藏时间超过3个月后，样品表面残留的锌镀层很少。 因此，试样的自腐蚀电位逐渐向Q235钢的自腐蚀电位值移动（见图2）。 但从图6所示的腐蚀形貌来看，样品埋藏6个月后表面的镀锌层并没有完全消失。 总体来看，各样品表面均未出现明显的局部腐蚀区域。

数据关联分析

根据腐蚀电化学原理，极化电阻Rp与样品的腐蚀电流密度Jcorr成反比，即Jcorr=B/Rp，其中B为Stern系数。 因此，可以用极化电阻1/Rp的倒数来描述腐蚀速率的变化趋势。

失重法得到的腐蚀速率是一段时间内的平均值，而电化学监测探头得到的极化电阻是某一时刻的瞬时值。 因此，需要根据连续测量的Rp绘制1/Rp-t曲线，计算曲线下面积，即对时间进行积分，然后将积分值除以总时间求平均值在此期间平均为 1/Rp 1/ Rp。 该平均值可以与腐蚀速率的变化趋势进行比较，并且还可以根据vcorr和1/Rp两者计算Stern系数B。

(a) 1/Rp

(b) 1/Rp 平均值

图7 武汉土壤中镀锌圆钢电化学监测探头测量的1/Rp和1/Rp随时间的变化曲线

从图7(b)可以看出，随着埋藏时间的增加，1/Rp呈现逐渐减小的趋势，这与图5中腐蚀速率随时间的变化趋势基本一致。理论上，腐蚀电流密度可以根据腐蚀速率可求得，B可根据图7(b)求得。

镀锌圆钢腐蚀后，镀锌层与基体Q235钢之间形成电偶，对腐蚀数据影响较大。 根据埋藏1个月的腐蚀速率（1.246 g·dm-2·a-1）和1/Rp（4.391×10-5Ω-1·cm-2），根据锌溶解计算，Jcorr为1.167 ×10- 6A·cm-2，B为0.0266 V。这些结果进一步表明，样品在埋藏1个月后主要表现出镀锌层的腐蚀行为。

然而，根据埋藏2至6个月的数据计算的B迅速增加，根据埋藏4至6个月的数据计算的B远远超出B的正常范围（0.017至0.026 V）。 可见此时使用上述方法估计Jcorr是不可行的。

尽管如此，根据法拉第定律可以看出，腐蚀速率vcorr和Jcorr之间应该是线性关系，并且Jcorr和1/Rp也是线性相关的。 因此，vcorr和1/Rp也应该满足线性关系，通过两者的线性关系可以观察到它们的相关性。 图8显示了镀锌圆钢失重法得到的vcorr与电化学监测探头得到的1/Rp平均值之间的关系。 图中的每个数据点对应于相同的埋葬时间。

图8 镀锌圆钢失重法得到的vcorr与电化学监测探头得到的1/Rp的关系

通过线性拟合得到两者的关系：vcorr=0.7397+0.1262×105×1/Rp平均值。 拟合度为0.928，Pearson相关系数为0.9634，表明电化学监测探头获得的极化电阻与失重法获得的腐蚀速率之间存在良好的相关性。

从图8还可以看出，2月份埋葬月的数据偏差较大，这可能与Zn-Q235之间的电偶作用影响较大有关。 尽管如此，由于vcorr与1/Rp之间存在良好的线性关系，因此通过Rp的测量仍然可以观察到镀锌圆钢腐蚀速率的变化。

综上所述

（1）镀锌圆钢埋入武汉土壤初期自腐蚀速率较大（约1.26 g·dm-2·a-1），之后逐渐减小。 表面镀锌层溶解不均匀，埋藏1个月后表面镀锌层被破坏，但此时样品仍表现出镀锌层的腐蚀行为（自腐蚀电位为-1.2~-1.0 V ）。 埋藏3个月后，样品表面残留的锌镀层很少，逐渐表现出Q235钢的腐蚀行为（自腐蚀电位为-0.8~-0.7 V）。

(2)电化学监测探头获得的极化电阻与失重法获得的腐蚀速率相关性良好。 由于镀锌层损伤后会与Q235钢基体形成电偶，因此按照传统方法无法根据极化电阻获得腐蚀速率，但可以根据腐蚀速率之间的线性关系计算腐蚀速率以及极化电阻的倒数平均值。

(3)影响护环电极法现场测量极化电阻的因素较多，特别是测量深度和投影面积。 本研究中，在适当的条件下，保护环电极法测得的极化电阻与电化学监测探头测得的极化电阻相当。

作者：徐霞1,2,3，刘凡4，唐亮亮1,2,3，范松海4，雷晓4，刘刚1,2,3，陈惠荣1,2,3，吴敏1,2,3

工作单位：1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司

2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限公司

3.湖北省电网雷击风险防范重点实验室

4.国网四川省电力公司电力科学研究院

第一作者简介：徐霞，高级工程师，硕士，主要从事电力系统防雷与接地技术研究。