CN110987786B - 电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，本发明首先基于工业污染大气的环境条件对电力互感器及其支撑架构金属材料进行了大气腐蚀试验，使得腐蚀电化学特征数据库更加符合恶劣环境下的腐蚀特性，有利于对腐蚀严重的电力互感器进行腐蚀评估；然后本文采用便携式的电化学工作站和电极进行了金属的电化学测试，最后提取了不同腐蚀程度下的电化学特征量进行腐蚀评价。本方法确定了电化学转移阻抗R_t与金属腐蚀程度区间的对应关系，实现了电力互感器金属材料腐蚀程度方便和快捷测量，适用于工程现场实际。

Description

电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法

技术领域

本发明涉及金属腐蚀状检测技术领域，具体涉及电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法。

背景技术

变电站电力互感器包括电压互感器(Potential Transformer，简称PT)和电流互感器(Current transformer，简称CT)，是变电站用来给测量仪表和继电保护装置供电，测量线路的电压、电流、功率和电能的设备。其高压端的一次侧直接串联在需要测量的电压或电流的线路中，低压端的二次侧串接在测量仪表和保护回路中。一般低压端通过紧固部件安装在碳钢或镀锌钢金属构架上。

变电站由于大多处于户外露天环境，气候条件复杂多样。既包括高温高湿的盆地和雨林地带，又包括干燥的荒漠和盐碱区域。不同的地貌和环境气候类型导致电力互感器及其支撑架构的金属材料有不同的腐蚀特性，腐蚀速率也不同。由于早期输变电工程和设备厂家对于不同的变电站架构及其设备采用了统一的设计标准，部分电力互感器的金属部件及其架构在恶劣的大气环境下会加速腐蚀，不能满足其预期的寿命指标，甚至产生构架提前倒塌和设备损坏等事件，导致二次设备不能准确的判断电网的负荷状态，从而对电网产生了极大的安全隐患。因此，对已服役的电力互感器及其架构，实时判定掌握其真实的腐蚀状态从而采取必要的防护措施是十分必要的。

经典的金属腐蚀状态判断方法包括失重法、警戒孔监视法和人工观察法等，但该类方法由于需要对设备和金属构件进行破坏，人工强度大，效率低，检测效果较为粗糙，且不利于设备的正常稳定运行。而场图像法、激光全息及射线等无损检测法由于测试条件要求高，测试成本高等原因也不适于现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，解决经典金属腐蚀状态方法人工强度大、效率低的问题，且测试条件相对无损检测法低、成本低，能够适用于现场检测。

本发明通过下述技术方案实现：

电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，包括以下步骤：

S1：采用盐雾法腐蚀电力互感器及其支撑架构所用材料的标准试样；

S2：采用失重法测定腐蚀期间不同时间的标准试样的腐蚀程度；

S3：采用电化学测试方法测定步骤S2所述时间的标准试样的电化学阻抗谱，并拟合提取电化学特征量；

S4：构建标准试样的电化学特征量与腐蚀程度的对照关系表；

S5：采用便携式电化学测量仪直接测量电力互感器及其支撑架构的电化学阻抗谱并拟合提取电化学特征量，根据步骤S4获得的对照关系表得出电力互感器及其支撑架构的腐蚀程度。

金属材料的腐蚀过程，随着腐蚀的进行，锈层表面的产物结构、种类和特性会发生改变，不同腐蚀状态的金属样本其界面反应存在较大的差异。而电化学方法主要利用金属腐蚀锈层丰富的界面反应进行测量，包括线性极化、塔菲尔曲线、交流阻抗谱等测试技术，具有便携、快速、原位监测、实时测量等优点。通过电化学测量方法提取表征金属材料表面锈层状态的特征参量，可以实现不同腐蚀程度下金属锈层的差异化的电化学参量信息腐蚀行为的研究及腐蚀程度的评价。

因此，针对电力互感器的部件及其架构金属材料，进行恶劣环境条件下的大气腐蚀试验，采用电化学测试方法测试其电化学特性曲线，提取有效的电化学特征参数，得到标准的电力互感器的部件及其架构金属的腐蚀电化学特征数据库，利用智能算法建立材料表面腐蚀程度的评价系统，形成一套基于电化学特征参量并适用于工程现场的便携式的电力互感器腐蚀状态评估准则和技术方法具有重要意义。

本发明采用盐雾法腐蚀电力互感器及其支撑架构所用材料的标准试样，使得腐蚀电化学特征数据库更加符合恶劣环境下的腐蚀特性，有利于对腐蚀严重的电力互感器进行腐蚀评估；采用便携式电化学测量仪进行了金属的电化学测试，最后提取了不同腐蚀程度下的电化学特征量进行腐蚀评价，然后构建电化学特征量与腐蚀程度的对照关系表，测试时直接通过便携式电化学测量仪进行了金属的电化学测试查找对照关系表就能快速判断电力互感器及其支撑架构的腐蚀程度，实现了电力互感器金属材料腐蚀程度方便和快捷测量，适用于工程现场实际。如此，本发明解决了经典金属腐蚀状态方法人工强度大、效率低的问题，且测试条件相对无损检测法低、成本低，能够适用于现场检测。

进一步地，步骤S1所述的盐雾法模拟了工业污染大气的环境条件。

进一步地，盐雾法模拟了高温高湿环境，其中，溶液温度为35℃，试验箱温度为47℃，采用NaHSO₃和NaCl作为腐蚀介质配置腐蚀溶液，浓度分别为12.5g/L和50g/L。

进一步地，盐雾法的喷雾量为1～2ml/80cm²·H。

进一步地，步骤S1所述的标准试样包括碳钢和镀锌钢。

进一步地，步骤S2所述失重法测定碳钢的除锈溶液包括以下组分：

浓盐酸、六次甲基四胺和蒸馏水。

进一步地，步骤S2所述失重法测定镀锌钢的除锈溶液包括以下组分：

乙酸铵和蒸馏水。

进一步地，步骤3中所述电化学测试方法使用的仪器和步骤S5中所述的便携式电化学测量仪均为携式电化学工作站和电极。

进一步地，步骤S1中所述标准试样的制备过程：

将电力互感器及其支撑架构所用材料切割成大小为150mm×100mm×5mm的标准件。

进一步地，步骤S3中所述拟合提取电化学特征量为：

采用ZVIEW拟合软件结合电路对电化学阻抗谱进行拟合，提取的化学特征量为电荷转移电阻。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明采用盐雾法腐蚀电力互感器及其支撑架构所用材料的标准试样，使得腐蚀电化学特征数据库更加符合恶劣环境下的腐蚀特性，有利于对腐蚀严重的电力互感器进行腐蚀评估；采用便携式电化学测量仪进行了金属的电化学测试，最后提取了不同腐蚀程度下的电化学特征量进行腐蚀评价，然后构建电化学特征量与腐蚀程度的对照关系表，测试时直接通过便携式电化学测量仪进行了金属的电化学测试查找对照关系表就能快速判断电力互感器及其支撑架构的腐蚀程度，实现了电力互感器金属材料腐蚀程度方便和快捷测量，适用于工程现场实际。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的流程框图；

图2为碳钢和镀锌钢腐蚀失重曲线图；

图3为不同腐蚀时间的镀锌钢样本的电化学阻抗谱图；

图4为不同腐蚀时间的碳钢样本的电化学阻抗谱图；

图5为阻抗谱拟合电路图；

图6为电荷转移电阻Rt随腐蚀时间的变化关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1-图6所示，电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，包括以下步骤：

S1：采用盐雾法腐蚀电力互感器及其支撑架构所用材料的标准试样，标准试样包括碳钢和镀锌钢；具体地：

将待测电力互感器及其构架的金属材料碳钢和镀锌钢切割成大小为150mm×100mm×5mm的标准试样。采用盐雾法(GB/T 2423.17)模拟高温高湿环境，溶液温度控制为35℃，试验箱温度控制为47℃(±0.5℃)。采用NaHSO₃和NaCl作为腐蚀介质配置腐蚀溶液，浓度分别为12.5g/L和50g/L，喷雾量控制在1～2ml/80cm²·H之间。实验取样时间为2d,4d,6d,10d和15d，模拟了工业污染大气的环境条件。

S2：采用失重法测定腐蚀期间不同时间的标准试样的腐蚀程度；具体地：

采用“失重法”测定电力互感器金属材料的程度。对采用500mL HCl(质量浓度为38％的浓盐酸)+500mL蒸馏水+20g六次甲基四胺配成溶液，室温下对大尺寸腐蚀碳钢进行除锈，干燥后称重。采用250g乙酸铵[NH₂CH₂COOH]加蒸馏水配制成1000mL的饱和溶液，室温下对大尺寸腐蚀镀锌钢进行除锈。除锈后将样品用蒸馏水和酒精润洗，干燥后称重。测得腐蚀失重曲线如图2所示.

S3：采用电化学测试方法测定步骤S2所述时间的标准试样的电化学阻抗谱，并拟合提取电化学特征量；具体地：

采用荷兰IVIUM公司生产的磁压平式电解池(Magnetic Clamping Flat Cell,MCFCell)和便携式电化学工作站和电极进行电化学阻抗谱测试。

电化学测试体系为三电极体系，测试方法为压片法，压片前将导电面的腐蚀产物用小刀和砂纸打磨干净，保证导电性良好，工作面与溶液压紧保证接触良好。以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,MCF Cell自带316L不锈钢为辅助电极，测试溶液为0.1mol/L Na₂SO₄溶液。其中红色夹子夹紧待测样本作为为工作电极，利用注射器安装好样品后将电解液注入到MCF Cell中。腐蚀样本测试前在该溶液中浸泡时间为2000s,待开路电位稳定后开始电化学阻抗谱测试，其频率范围为0.01Hz～10⁶Hz。

如图3、图4所示：

碳钢的EIS特性曲线的高频区容抗弧呈现先减小后增大趋势,表明腐蚀初期锈层极不稳定，锈层加速了碳钢的腐蚀，随着腐蚀时间的加长，锈层与钢基体间的界面结构逐渐趋于稳定，腐蚀速率减慢，这与碳钢基体表面逐渐形成致密的锈层有关。

镀锌钢EIS特性曲线呈现双容抗弧特性。腐蚀前期，HSO₃ ^-和Cl^-的共同作用下，镀锌钢表面氧化膜发生溶解，镀锌钢表面主要是可溶性离子，中低频波峰减小并左移，高频容抗弧半径减小，随着腐蚀的进行，难溶性腐蚀产物逐渐产生，形成致密的保护层，腐蚀速率减小，中低频波峰逐渐增大并右移，容抗弧半径逐渐增大。

采用ZVIEW拟合软件根据图5所示电路对交流阻抗谱进行拟合，其中，拟合电路中，R_s是溶液电阻，R_r是锈层电阻，R_t是电荷转移电阻，C₁是锈层电容，C₂是双电层电容。其中电荷转移阻抗表征了腐蚀进程中的速度控制步骤的难易程度，因此，提取电荷转移电阻R_t作为状态的特征参数，图6为碳钢和镀锌钢电荷转移电阻R_t随腐蚀时间的变化关系。

从图6可以看出，碳钢的R_t随着腐蚀时间的延长先急剧减小，后趋于稳定后缓慢降低，说明腐蚀后期致密的保护层能够阻碍碳钢基底与氧气和离子的接触，起一定的保护作用，但保护作用不明显。镀锌钢的R_t随腐蚀时间的变化，先减小，后逐渐增大，后期致密的锈层对腐蚀起到良好的阻碍作用。

S4：构建标准试样的电化学特征量与腐蚀程度的对照关系表；具体地：

根据碳钢和镀锌钢的电荷转移电阻R_t随腐蚀时间的变化曲线和腐蚀失重曲线，忽略未腐蚀样本的镀锌钢R_t值较大情况，发现电化学特征量电荷转移电阻R_t可以用来划分电力互感器金属的腐蚀状态。将不同腐蚀程度的金属样本按腐蚀失重分别划分为4个等级，分别为①

弱腐蚀,②中度腐蚀,③较强腐蚀,和④强腐蚀,如图5所示。对应电化学阻抗R_t随时间的变化曲线，可以得到电化学特征与腐蚀程度的对应关系如表1所示：

表1

S5：采用便携式电化学测量仪直接测量电力互感器及其支撑架构的电化学阻抗谱并拟合提取电化学特征量，根据步骤S4获得的对照关系表得出电力互感器及其支撑架构的腐蚀程度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用盐雾法腐蚀电力互感器及其支撑架构所用材料的标准试样；

S2：采用失重法测定腐蚀期间不同时间的标准试样的腐蚀程度；

S3：采用电化学测试方法测定步骤S2所述时间的标准试样的电化学阻抗谱，并拟合提取电化学特征量；

S4：构建标准试样的电化学特征量与腐蚀程度的对照关系表；

S5：采用便携式电化学测量仪直接测量电力互感器及其支撑架构的电化学阻抗谱并拟合提取电化学特征量，根据步骤S4获得的对照关系表得出电力互感器及其支撑架构的腐蚀程度；

步骤S1所述的标准试样包括碳钢和镀锌钢；

对照关系表为：

2.根据权利要求1所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤S1所述的盐雾法模拟了工业污染大气的环境条件。

3.根据权利要求2所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，所述盐雾法模拟了高温高湿环境，其中，溶液温度为35℃，试验箱温度为47℃，采用NaHSO₃和NaCl作为腐蚀介质配置腐蚀溶液，浓度分别为12.5g/L和50g/L。

4.根据权利要求2所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，所述盐雾法的喷雾量为1～2ml/80cm²·H。

5.根据权利要求1所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤S2中，采用失重法测定碳钢的除锈溶液包括以下组分：

浓盐酸、六次甲基四胺和蒸馏水。

6.根据权利要求4所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤S2中，采用失重法测定镀锌钢的除锈溶液包括以下组分：

乙酸铵和蒸馏水。

7.根据权利要求1所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤3中所述电化学测试方法使用的仪器和步骤S5中所述的便携式电化学测量仪均为携式电化学工作站和电极。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤S1中所述标准试样的制备过程：

将电力互感器及其支撑架构所用材料切割成大小为150mm×100mm×5mm的标准件。

9.根据权利要求1-7任一项所述的电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法，其特征在于，步骤S3中所述拟合提取电化学特征量为：

采用ZVIEW拟合软件结合电路对电化学阻抗谱进行拟合，提取的化学特征量为电荷转移电阻。

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