CN104678229B - 一种变电站接地网腐蚀监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站接地网腐蚀监测系统，它包括腐蚀监测传感器和腐蚀监测装置；所述腐蚀监测传感器包括辅助电极、护环电极、固体参比电极、不锈钢圆筒体、不锈钢套管；所述腐蚀监测装置包括MCU控制器、正弦波发生器、数据采集单元、电源模块、时钟电路，以及与腐蚀监测传感器的辅助电极、护环电极、固体参比电极相连的交流阻抗电路；所述交流阻抗电路包括与辅助电极相连的功率放大器、与护环电极相连的电流约束电路、与固体参比电极相连的主极化电路。本发明提供一种集成小孔限流、护环电极电流约束和交流阻抗技术的接地网在线腐蚀监测系统，用于接地网腐蚀速率和土壤电阻率的长期监测。
Description
技术领域
本发明涉及发变电站接地网腐蚀监测领域，具体涉及一种变电站接地网腐蚀监测系统，适用于各种埋地接地网材料的在线监测以及防腐蚀措施的评估。
背景技术
我国普遍采用低碳钢作为接地网材料，在土壤中的酸、碱、盐或微生物作用下，发生腐蚀并导致导体或地下引线线径减小甚至断裂，致使其电气性能恶化，严重时直接危及电网的稳定运行。因接地网导体常埋于土壤中，具有较强的隐蔽性，目前实际工程中对接地网性能好坏的检测只能通过接地电阻的大小来间接判断，但这并不能准确判断接地网的腐蚀情况，特别是局部腐蚀造成的区域性接地电阻上升问题，往往很难发现。等到发现接地电阻不合格或引发事故后，再进行大面积开挖来检查接地网的腐蚀及断点情况，不但效果较差，且费时费力，还会影响发变电站的运行。当前大多数监测方法均需要预埋金属试片于土壤中，这种方式只能测量土壤的腐蚀性，并不能直接测量地网自身的腐蚀速率，且因为很多原因，测量结果并不准确。因此研究接地网腐蚀检测方法，实现不断电、不开挖情况下的地网腐蚀状态直接监测，以便及时发现故障，防患于未然对于保障电力系统的可靠运行具有重要意义。
公开号为102495291A，公开日期为2012年6月13日，专利名称为一种变电站接地网腐蚀状态阻抗频率响应测量方法的专利，它利用数值仿真计算提供变电站接地网不同位置、不同腐蚀状态接地引下线之间阻抗频率响应曲线，然后通过测量不同位置引上线的阻抗频率响应曲线并与历史测量数据比较，来评估接地网腐蚀状态，并给出接地网的腐蚀等级及接地体等效直径。公开号为102707191A，公开日期为 2012年10年3日，专利名称为一种大型变电站地网腐蚀诊断装置及其诊断方法的专利，它利用分布式采集盒上的多个接线柱与地网的网格节点引上线进行焊接，然后通过信号采集装置测量相应端口的电压和电流，计算相应的端口电阻，并与该端口原电阻值进行比较，以此判断该处地网是否存在故障。上面的两种方法均依赖于较复杂的大型仪器和软件，对于大中型地网，由于地网面积较大，连接地网的引下线也较多，安装过程费时费力，而且监测容易受到发变电站各种干扰的影响，不仅测量结果不准确，而且无法方便地实现接地网的在线腐蚀监测。
因此，我们有必要设计一款新的变电站接地网腐蚀监测系统，以准确测量变电站接地网的腐蚀速率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能准确测量变电站接地网的腐蚀速率的变电站接地网腐蚀监测系统。
本发明是这样实现的：一种变电站接地网腐蚀监测系统，它包括腐蚀监测传感器和腐蚀监测装置；
所述腐蚀监测传感器包括辅助电极、护环电极、固体参比电极、不锈钢圆筒体、不锈钢套管；所述辅助电极固定在不锈钢圆筒体内壁，所述护环电极固定在不锈钢圆筒体外壁，所述固体参比电极通过参比电极固定环固定在不锈钢圆筒体内；所述辅助电极、护环电极、固体参比电极分别通过单芯导线引出，且所述单芯导线外套设有屏蔽软套管；所述屏蔽软套管穿出不锈钢套管，并通过防水接头密封；所述不锈钢圆筒体的圆周方向设有多个通孔；
所述腐蚀监测装置包括MCU控制器、正弦波发生器、数据采集单元、电源模块、时钟电路，以及与腐蚀监测传感器的辅助电极、护环电极、固体参比电极相连的交流阻抗电路；所述交流阻抗电路包括与辅助电极相连的功率放大器、与护环电极相连的电流约束电路、与固体参比电极相连的主极化电路；所述MCU控制器分别与数据采集单元、电源模块、正弦波发生器连接，所述电源模块与正弦波发生器连接，所述正弦波发生器通过主极化电路与功率放大器连接，所述主极化电路通过电流约束电路与数据采集单元连接，所述数据采集单元分别与时钟电路、腐蚀监测传感器的工作电极连接。
按上述方案，所述护环电极的外径与不锈钢圆筒体的外径相等；所述护环电极的中心与辅助电极的中心重合。
按上述方案，所述辅助电极、护环电极位于不锈钢圆筒体的中下部；所述不锈钢圆筒体的下部逐渐缩小呈锥形。
按上述方案，所述不锈钢圆筒体的内径为10mm～30mm，所述辅助电极的外径与不锈钢圆筒体的内径相同，所述辅助电极的高度为10mm～20mm；护环电极的内径为40～50mm，高度为10mm～20mm。
按上述方案，所述交流阻抗电路包括加法器U2、阻抗变换器U1、电压跟随器U3，所述加法器U2的同相端通过电阻R1与直流电压连接，所述加法器U2的反相端通过电阻R2依次与正弦波发生器、MCU控制器连接，所述加法器U2的输出端通过电容C1、电阻R3与加法器的反相端连接，所述加法器U2的输出端与腐蚀监测传感器的辅助电极连接，所述加法器U2的输出端与电压跟随器U3的反相端连接；所述加法器U2的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，所述阻抗变换器U1的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，阻抗变换器U1的同相端与腐蚀监测传感器的参比电极连接；所述电压跟随器U3的同相端与电压跟随器U3的输出端连接，所述电压跟随器U3的输出端与腐蚀监测传感器的护环电极连接，所述参比电极与辅助电极连接。阻抗变换器U1将来自参比电极的高阻电压信号转换为低阻电压信号，加法器U2、单位增益的电压跟随器使护环电极（GE）与辅助电极（CE）具有相同的电位值，而极化电极（GE）输出的约束电流促成了极化电流的自适应约束，用于提供护环电极的约束电流。电阻R1端输入直流电位，该直流电位与地网开路电位等值，电阻R2输入正弦波信号。
按上述方案，所述MCU控制器通过通讯模块与监控终端实现通讯。
本发明提供一种集成小孔限流、护环电极电流约束和交流阻抗技术的接地网在线腐蚀监测系统，用于接地网腐蚀速率和土壤电阻率的长期监测。本发明由于采用了交流阻抗技术，相比传统极化曲线或恒电流阶跃法，具有更高的抗电磁干扰和交流干扰能力，其测量结果更为稳定。而本发明相较拓扑结构腐蚀诊断法，具有更高的测量精度。
本发明中的腐蚀监测传感器集成了小孔限流与护环电流约束两种技术，基于小孔限流技术，可将极化电流约束在接地网钢板上的限定位置，通过护环电流约束电路，使小孔缝隙流出的弥散电流得到约束，能更准确地测量接地网的腐蚀速率。当将此腐蚀监测传感器垂直固定在接地网钢板上时，辅助电极（CE）将提供小孔孔口投影面内钢板的极化电流，而护环电极（GE）所提供的约束电流可将小孔弥散出的电流约束在小孔投影面内，也可以防止圆筒体侧面通孔内发散出极化电流，因而能更准确测量接地网腐蚀速率。最后，所有流向接地网的电流通过引上线和工作电极引线（WE）回到腐蚀监测装置内。
本发明中的腐蚀监测装置采用交流阻抗的高、低频双频激励技术，既能测量接地网的腐蚀速率，也能测量土壤的电阻率，具有常规单一接地网腐蚀监测技术所没有的优势。该腐蚀监测装置能把腐蚀监测传感器测量的金属损失量及腐蚀速率、土壤电阻率、接地网开路电位等模拟电信号通过转换器转化成数字信息存储起来，并通过有线通讯（RS232，485或I2C等）和/或无线通讯器件将数据传递给上位机（监控终端）实现数据交换。
本发明中的MCU控制器可以是8位、16位或32位单片机，其作用是用于信号处理与数据分析。该MCU控制器通过串行或并行数字总线将波形数据发送到正弦波发生器，而正弦波发生器内的高速D/A转换器再将数字波形转换为一定频率的模拟波形，并加载到主极化电路。MCU控制器还通过数字总线连接到数据采集单元，由数据采集单元对来自腐蚀监测传感器的极化电位和极化电流信号进行同步采集，采集的电位与电流数据通过相关积分算法，获得高、低频点下的阻抗值。阻抗值保存在数据存储器中，也可通过通讯模块将数据上传到PC机或监控终端。
本发明中的时钟电路为所有测量数据提供日历时钟标签，方便测量数据的回溯。
护环电极（GE）由电压跟随器U3驱动，由于电压跟随器U3的同相输入端、反相输入端与输出端具有相同的电位值，因此护环电极（GE）与辅助电极（CE）处于等电位水平，这样来自孔内辅助电极（CE）电极的极化电流就会由于等电位护环电极（GE）的压制而无法流出到小孔外，从而将来自辅助电极的极化电流约束在小孔内，并防止极化电流从孔口缝隙处或贯穿孔处流出，即极化电流实现了自适应约束，提高了接地网腐蚀速率的测量精度。
本发明中的腐蚀监测装置的所有电路模块均焊接在一块PCB上，并由板载电源模块供电。
相比现有技术本发明具有以下优点：（1）基于交流阻抗技术显著提高了测量装置的抗电磁干扰和交流干扰能力，提高了测量结果的准确性和重现性；（2）可以同时测量土壤的电阻率，比线性极化法和阶跃电流法能更可靠地反映地网腐蚀状态变化；（3）基于小孔限流与护环电流约束技术的集成，使得测量结果更为准确。
附图说明
图1为本发明变电站接地网腐蚀监测系统的结构示意图。
图2为传感器的结构示意图。
图3为小孔与护环电极电流约束示意图。
图4为交流阻抗测量电路原理图。
图中：1、PG防水接头；2、不锈钢套管；3、屏蔽软套管；4、固体参比电极；5、参比电极固定环；6、单芯导线；7、通孔；8、不锈钢圆筒体；9、辅助电极；10、护环电极；11、小孔，12、接地网钢板，13、地网引上线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1-图4，一种变电站接地网腐蚀监测系统，它包括腐蚀监测传感器和腐蚀监测装置，其特征在于：
所述腐蚀监测传感器包括辅助电极（CE）9、护环电极（GE）10、固体参比电极（RE）4、不锈钢圆筒体8、不锈钢套管2；所述辅助电极9的内径为10mm、高度为10mm、外径为14mm，固定在不锈钢圆筒体8内壁；所述护环电极10的外径为50mm、内径为40mm、高度为12mm，固定在不锈钢圆筒体8外壁，所述固体参比电极4的直径为8mm、高度为135mm，通过参比电极固定环5固定在不锈钢圆筒体8内；所述辅助电极9、护环电极10、固体参比电极4分别通过单芯导线6引出，且所述单芯导线6外套设有屏蔽软套管3；所述屏蔽软套管3穿出不锈钢套管2，并通过PG防水接头1密封；所述不锈钢圆筒体8的圆周方向上均匀布设有4个通孔7，用于不锈钢圆筒体8内部土壤与外部土壤的物质交换，保证内外腐蚀环境的一致性；所述不锈钢圆筒体8的底端的中空部位为限流用小孔11；
所述腐蚀监测装置包括MCU控制器、正弦波发生器、数据采集单元、电源模块、时钟电路，以及与腐蚀监测传感器的辅助电极、护环电极、固体参比电极相连的交流阻抗电路；所述交流阻抗电路包括与辅助电极相连的功率放大器、与护环电极相连的电流约束电路、与固体参比电极相连的主极化电路；所述MCU控制器分别与数据采集单元、电源模块、正弦波发生器连接，所述电源模块与正弦波发生器连接，所述正弦波发生器通过主极化电路与功率放大器连接，所述主极化电路通过电流约束电路与数据采集单元连接，所述数据采集单元分别与时钟电路、腐蚀监测传感器的工作电极连接；所述MCU控制器通过通讯模块与监控终端实现通讯。
本发明中，所述交流阻抗电路包括加法器U2、阻抗变换器U1、电压跟随器U3，所述加法器U2的同相端通过电阻R1与直流电压连接，所述加法器U2的反相端通过电阻R2依次与正弦波发生器、MCU控制器连接，所述加法器U2的输出端通过电容C1、电阻R3与加法器的反相端连接，所述加法器U2的输出端与腐蚀监测传感器的辅助电极连接，所述加法器U2的输出端与电压跟随器U3的反相端连接；所述加法器U2的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，所述阻抗变换器U1的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，阻抗变换器U1的同相端与腐蚀监测传感器的参比电极连接；所述电压跟随器U3的同相端与电压跟随器U3的输出端连接，所述电压跟随器U3的输出端与腐蚀监测传感器的护环电极连接，所述参比电极与辅助电极连接。
为了方便安设及减少外部环境对测试结果的影响，所述辅助电极9的外径与不锈钢圆筒体8的内径相同，所述护环电极10的外径与不锈钢圆筒体8的外径相同。
为了便于传感器的安设，可以将不锈钢圆筒体8的下部设计成逐渐缩小呈锥形；为了使测试结果准确，将护环电极10的中心与辅助电极9的中心重合，将辅助电极9和护环电极10置于不锈钢圆筒体8的中下部。
现场安装腐蚀监测传感器时，将腐蚀监测传感器填入现场土壤中，并垂直固定在接地网钢板12上，参见图2。本发明中的工作电极为接地网钢板12，通过引上线和工作电极引线13连接。辅助电极9（CE）将提供小孔11孔口投影面内接地网钢板12的极化电流。由于小孔与接地网钢板12之间能存在一定的间隙（如地网不平或土壤沉降造成），会导致一部分电流流到小孔区域之外，如果单纯依靠小孔限流，会导致测量的腐蚀速率偏大。护环电极（GE）10所提供的约束电流可将小孔弥散出的电流约束在小孔投影面内，也可以防止不锈钢圆筒体8的侧面的通孔7内发散出极化电流；最后，所有流向接地网的电流通过引上线和工作电极引线（WE）回到腐蚀监测装置内，因而能更准确测量接地网腐蚀速率。另外，由于小孔11内是一个密封的体系，如果小孔11紧紧贴合在接地网钢板12表面，则孔内土壤无法与外部土壤失去物质和热量交换，形成了一个孤立的“死区”，这样的腐蚀速率测量方式显然不能反映外部土壤干湿交替过程中对接地网的腐蚀情况。为了避免内部形成死区，必须在不锈钢圆筒体的侧壁开孔，以保证孔内外的物质交换。
本发明中，MCU控制器由高性能8位、16位或32位单片机构成，由电源模块输出的3.0V~3.6V直流供电。MCU控制器发出指令到正弦波发生器，由其产生不同频率的正弦波信号加载到主极化电路上，主极化电路输出的电压信号加载到功率放大器，同时通过电压跟随器加载到电流约束电路上。功率放大器将电流加载到腐蚀监测传感器的辅助电极端（CE），同时腐蚀监测传感器中的参比电极输出的电压信号反馈到主极化电路，用于维持腐蚀监测传感器的参比电极（RE）与接地网工作电极（WE）之间的电压恒定。电流约束电路通过护环电极（GE）将与辅助电极（CE）相位相同的电压信号通过电压跟随器加载到腐蚀监测传感器外侧的护环电极上。多通道数据采集单元对来自腐蚀监测传感器的电压与电流信号进行同步采样，并将采样结果送入到MCU控制器，最后由MCU控制器对测量的电压与电流信号进行相关积分，计算出接地网在设定正弦波频率下的阻抗值、腐蚀速率和土壤电阻率。测量结果可以保存在数据存储器中，也可通过通信模块传送到PC机或者无线收发器，实现腐蚀数据的远程监控。
电流约束电路是确保极化电流限定在腐蚀监测传感器下端小孔投影面的关键。在极化过程中，护环电极（GE）通过电压跟随器U3控制在与辅助电极相同的极化电位。用于阻抗谱计算时，极化电流仅取来自辅助电极端（CE）电极的电流，并通过取样电阻Rc将其转换为电压信号，并由AD转换器进行数字化。腐蚀监测传感器要紧贴接地钢板表面，以减少辅助电极端（CE）的泄漏电流。考虑到模拟信号传送距离过远会带来干扰噪声，相邻腐蚀监测传感器安装间距为0~10m，腐蚀监测装置安装在几个腐蚀监测传感器的中间位置。安装腐蚀监测传感器时，必须使腐蚀监测传感器底部开口紧紧压接在接地钢板表面。
如图4所示，在交流阻抗测量电路中，由Rs、Rp、Cdl和Rs’、Rp’、Cdl’组成的等效电路分别代表小孔内、外地网金属的土壤电阻、极化电阻和双电层电容（其中小孔内双电层电容Cdl、小孔外双电层电容Cdl’在腐蚀速率计算中没有用到，因为测量腐蚀速率时只用到较高或较低的频率点，没有测量中间频率）。在基于交流阻抗的测试过程中，一定频率的正弦波信号加载到电阻R2的一端，地网的开路电位（直流电压）则加载到电阻R1的一端，二者通过加法器U2加载到上述等效电路上。接地网相对于固态参比电极的极化电位V再通过阻抗变换器U1输出到加法器U2的反馈端，实现闭环负反馈。加法器U2的输出电压也通过电压跟随器U3加载到护环电极上，使腐蚀监测传感器上的护环电极与辅助电极始终处于相同的电位，Rc是用来测量辅助电极CE回路电流的高精度低温漂采样电阻，通过测量采样电阻Rc两端的电压来得到辅助电极CE输出的极化电流I。腐蚀监测装置内的数据采集单元（AD转换器）对极化电位V和极化电流I进行同步采样，并采用相关积分算法计算出等效电路在不同频率下的交流阻抗，地网的工作面积则用小孔面积来计算。通过高频（1 kHz ~10 kHz）正弦波测量土壤电阻Rs，通过低频正弦波（0.001 Hz~0.01Hz）测量接地网的极化电阻Rp和土壤电阻Rs之和，低频阻抗减去高频阻抗，就可以得到接地网的极化电阻Rp，最后借助于Stern-Geary公式，可以计算出接地网的腐蚀速率。
本发明中的地网腐蚀监测装置采用交流阻抗原理进行接地网极化电阻的计算，其算法如下：
设被测电压信号为：
(1)
被测电流信号为：
(2)
其中t为时间，V0, I0为交流电压与交流电流信号幅值，,为极化电位V和极化电流I，Rc为取样电阻（参见图3），ω=2πf，f为信号频率，q1和q2分别为电压与电流信号的相位角；
将式(1)、(2)展开，得：
(3)
(4)
其中，，，。
将式(3),(4)两端都乘以同频率的参考信号cosωt后，进行积分得：
(5)
式中t为任意值，T为信号周期。由三角函数定理可推得：
(6)
同理可得：
(7)
设N=T/ΔT,将式(6)、(7)进行离散化可得：
(8)
(9)
其中：N代表采样总点数，ΔT为采样时间间隔，n代表单次采样点数；
可以得到电压的幅值为：
(10)
同理可得到采样电流量的幅值为：
(11)
可推得最后测量结果,电阻R为：
(12)
当w较大（>1000 Hz）时，计算的R值为土壤电阻Rs，当w较小(<0.01 Hz)时，计算的R值为土壤电阻Rs与接地网钢板极化电阻Rp之和。
最后，借助于Stern公式（13），将极化电阻Rp转换为腐蚀速率icorr
(13)
其中B值为Stern系数，对于土壤体系，B=18~26mV。
本发明是一种直接测量接地网本身腐蚀状态的测量装置，无需埋入测试片，因而可以更真实地反映接地网的腐蚀状态，装置采用正弦波激励和相关分析算法，具有较强的抗交直流电场干扰能力，并且测量过程迅速，数据重现性好，测量结果准确。
Claims (5)
1.一种变电站接地网腐蚀监测系统，它包括腐蚀监测传感器和腐蚀监测装置，其特征在于：
所述腐蚀监测传感器包括辅助电极、护环电极、固体参比电极、不锈钢圆筒体、不锈钢套管；所述辅助电极固定在不锈钢圆筒体内壁，所述护环电极固定在不锈钢圆筒体外壁，所述固体参比电极通过参比电极固定环固定在不锈钢圆筒体内；所述辅助电极、护环电极、固体参比电极分别通过单芯导线引出，且所述单芯导线外套设有屏蔽软套管；所述屏蔽软套管穿出不锈钢套管，并通过防水接头密封；所述不锈钢圆筒体的圆周方向设有多个通孔；
所述腐蚀监测装置包括MCU控制器、正弦波发生器、数据采集单元、电源模块、时钟电路，以及与腐蚀监测传感器的辅助电极、护环电极、固体参比电极相连的交流阻抗电路；所述交流阻抗电路包括与辅助电极相连的功率放大器、与护环电极相连的电流约束电路、与固体参比电极相连的主极化电路；所述MCU控制器分别与数据采集单元、电源模块、正弦波发生器连接，所述电源模块与正弦波发生器连接，所述正弦波发生器通过主极化电路与功率放大器连接，所述主极化电路通过电流约束电路与数据采集单元连接，所述数据采集单元分别与时钟电路、腐蚀监测传感器的工作电极连接；
所述交流阻抗电路包括加法器U2、阻抗变换器U1、电压跟随器U3，所述加法器U2的同相端通过电阻R1与直流电压连接，所述加法器U2的反相端通过电阻R2依次与正弦波发生器、MCU控制器连接，所述加法器U2的输出端通过电容C1、电阻R3与加法器的反相端连接，所述加法器U2的输出端与腐蚀监测传感器的辅助电极连接，所述加法器U2的输出端与电压跟随器U3的反相端连接；所述加法器U2的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，所述阻抗变换器U1的反相端与阻抗变换器U1的输出端连接，阻抗变换器U1的同相端与腐蚀监测传感器的参比电极连接；所述电压跟随器U3的同相端与电压跟随器U3的输出端连接，所述电压跟随器U3的输出端与腐蚀监测传感器的护环电极连接，所述参比电极与辅助电极连接。
2.如权利要求1所述的变电站接地网腐蚀监测系统，其特征在于：所述护环电极的外径与不锈钢圆筒体的外径相等；所述护环电极的中心与辅助电极的中心重合。
3.如权利要求1或2所述的变电站接地网腐蚀监测系统，其特征在于：所述辅助电极、护环电极位于不锈钢圆筒体的中下部；所述不锈钢圆筒体的下部逐渐缩小呈锥形。
4.如权利要求3所述的变电站接地网腐蚀监测系统，其特征在于：所述不锈钢圆筒体的内径为10mm～30mm，所述辅助电极的外径与不锈钢圆筒体的内径相同，所述辅助电极的高度为10mm～20mm；护环电极的内径为40～50mm，高度为10mm～20mm。
5.如权利要求1所述的变电站接地网腐蚀监测系统，其特征在于：所述MCU控制器通过通讯模块与监控终端实现通讯。
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