CN111693454B - 基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统，该方法包括：获取欲检测接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；在接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B；给接地网和辅助电极C之间发射大电流信号；接收接地网和参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；将检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；将电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ；将电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；将归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；根据归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。本发明能在非开挖的前提下，对接地网腐蚀程度进行高效、准确的腐蚀评价。

Description

基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统

技术领域

本发明涉及接地网腐蚀程度检测技术领域，更具体的说，是涉及一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统。

背景技术

接地网在电力系统中占有极其重要的地位，保障着电力设备安全稳定运行。我国在选择接地网材料时，考虑到实际情况包括资金、资源以及环境等的影响，选择的是碳钢作为接地网材料，但是相比铜材料，钢材易腐蚀、可靠性不高，所以事故率较高。由于材料限制，我国接地网大都面临着腐蚀问题。接地网腐蚀会造成接地网性能下降，包括接地电阻升高、热稳定性下降、局部电压升高等，从而使得整个接地网的泄流性能下降，当电力设备发生接地短路故障时，由于释放短路故障电流不及时导致局部地电位异常升高，进而可能对二次系统造成破坏引起误动或者拒操作，扩大事故范围，更严重者会对工作人员造成伤害。总而言之，接地网腐蚀会劣化接地网性能，从而可能引起电力事故，造成人力、物力和财力的损失。评价接地网的腐蚀程度对保障电力系统稳定运行具有非常重要的意义。

目前，针对接地网腐蚀的检测方法主要有大电流法、电网络法、地表电磁场法、电化学法等。这些方法都存在一些明显的缺陷。

其中大电流法是给地网接地引下线间施加工频或异频大电流，测量接地电阻和电位分布等，分析地网性能和运行状况。其只对存在多个断点的情况敏感，无法反映腐蚀情况；电网络法以地网导体电阻为故障参量，将诊断理论、电网络理论结合起来,采用线性优化方法，通过与原始数据的比对，获得节点的腐蚀或断裂情况。其存在测量精度不高、工作量大、效率低下，地表电磁场法抗干扰能力弱等缺点；地表电磁场法通过在接地网引下线注入电流，测量地表电磁场分布，通过与理论模型比较，获得局部电磁场变化，以此判定接地网缺陷。其受变电站的噪声干扰很大，将影响判断的准确性。同时与注入电流位置相关，难以归一化处理。同时在接地导体不均匀分布、复杂土壤电阻率等情况下的电磁场分布还缺乏研究；电化学法通过测定接地网导体与土壤腐蚀体系的电化学特性，确定接地体的腐蚀程度或速率，但由于其属于弱信号测量，变电站复杂的电磁环境对其结果影响很大。

而在工程实际中，常根据土壤腐蚀率，依托变电站接地网设计拓扑图，凭经验估计接地网的腐蚀程度，然后开挖检查。这种方法带有盲目性，工作量大、效率低、经济性差，并且还受到现场运行条件等因素的限制，不能准确、定量地判断接地网导体的腐蚀程度。针对现有方法存在的缺陷以及工程实践，本发明提出解决的目标包括：

①无损非开挖检测。避免人力物力的浪费，提高效率，减少损失；

②提高抗干扰能力。提高检测数据的可靠性和精确性，准确的评价接地网的腐蚀程度；

③接地网整体腐蚀度的评价。局部检测结果具有随机性和盲目性，需对整个接地网腐蚀程度作全面评价。

④简化检测过程和缩短检测时间。避免操作过程繁琐，缩短检测周期。

综上所述，寻求一种能实现非开挖以及高效、准确全面的接地网整体腐蚀程度的评价方法及系统，是保障电力系统安全稳定运行迫切需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统，以实现对接地网整体腐蚀程度进行快速、准确地评价，防止因接地网导体发生腐蚀或断裂造成变电站接地网的接地性能下降，保障电力系统安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种接地网腐蚀程度评价方法，基于强极化技术的激发极化腐蚀检测，包括发射接收主机和三电极系统，所述发射接收主机包括直流电源、发射机和接收处理器，所述三电极系统包括工作电极A、参比电极B和辅助电极C，所述工作电极A为被测接地网，所述参比电极B为不极化的极罐，所述辅助电极C为不锈钢电极，其中，所述发射机的发射端分别与所述工作电极A和所述辅助电极C相连，所述接收处理器的接收端分别与所述工作电极A和所述参比电极B相连，所述接收处理器还连接有计算机；该方法包括：

步骤S1：获取欲检测接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；

步骤S2：在所述接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B，并设置试验测线；

步骤S3：所述发射机给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号，进行极化试验；

步骤S4：所述接收处理器接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；

步骤S5：所述接收处理器将所述检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；

步骤S6：所述接收处理器将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ；

步骤S7：所述接收处理器将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；

步骤S8：所述接收处理器将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；

步骤S9：所述接收处理器根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。

其中，所述大电流信号为不小于1A的电流信号。

其中，所述发射机给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号为双极性方波大电流信号，所述双极性方波大电流信号包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间；

其中，所述接地网和所述参比电极B之间连接有双电层电容，所述接收处理器接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号为双电层电容电压，所述方波信号由正电压或负电压到等宽停供电区间跳变时，所述双电层电容开始放电，双电层电容在等宽停供电区间放电，所述电压信号为所述双电层电容放电电压；

所述方波信号由正电压或负电压到停供电区间跳变时，所述双电层电容开始放电，并在等宽停供电区间完成放电；

所述步骤S5中，接收处理器将所述数据叠加处理并绘制电压衰减曲线具体为：

将所述电压信号进行正、负供电区相减求区间电压平均值U₁，U₁＝(U_正-U_负)/2；

其中，U_正为正供电区的电压信号，U_负为负供电区的电压信号并与U_正相对应；

再对区间电压平均值U₁周期性对应叠加然后取周期电压平均值U₂，将所述周期电压平均值U₂绘制成电压衰减曲线。

即对多个周期的区间电压平均值U₁对应求和之后，再除以周期数，得到周期电压平均值U₂。

上述方法用于消除系统误差。

其中步骤S6中，将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ具体为：

利用电容放电规律建立拟合公式

利用最小二乘法对所述电压信号进行拟合得到电压衰减时间常数τ；

其中，y代表电压衰减曲线上的电压值；A代表电压衰减曲线的峰值称为极化常数；x代表时间；τ代表电压衰减时间常数；c为平衡常数，代表电压衰减曲线衰减到最低点的值。

将未腐蚀的单位面积接地网的电压衰减时间常数特征值定义为1，所述电压衰减时间常数特征值与接地网腐蚀程度呈负相关；

所述步骤S7中，将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁具体为：

利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数τ除以所述表面积s，得到归一化时间常数τ₁；

根据所述接地网尺寸资料获得扁钢宽度b和长度l计算得到所述接地网表面积s，即s＝b×l，将所述电压时间常数τ除以所述接地网表面积s得到归一化时间常数τ₁，即τ₁＝τ/s，其中l为构成接地网所有扁钢的总长度的2倍。

所述步骤S8中，将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η具体为：

将未腐蚀的单位面积接地网的电压衰减时间常数特征值定义为1；

将所述归一化时间常数τ₁转换成相应的单位面积基准特征值x；

定义归一化腐蚀度η为1-x。

所述单位面积指的是接地网与土壤接触部分的单位表面积。

所述步骤S9中；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度具体为：

所述归一化腐蚀度η与接地网整体腐蚀度呈正相关，η越接近0，所述接地网整体腐蚀程度越低，η越接近1，所述接地网整体腐蚀程度越高。

显著效果:经由上述的技术方案可知，本发明提供了一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统，可见，本发明采用的强极化激发极化法，通过对接地网发射双极性方波大电流信号，获取双电层电容的放电电压信号，得到电压衰减时间常数τ，将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。该方法能在非开挖的前提下，对接地网腐蚀程度进行高效、准确的腐蚀评价。能够实现对接地网腐蚀程度进行快速、准确地评价，防止因接地网导体发生腐蚀或断裂造成变电站接地网的接地性能下降，保障电力系统安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种接地网腐蚀程度评价方法的流程图；

图2为本发明实施例中接地网腐蚀评价系统中三电极检测结构示意图；

图3为本发明接地网腐蚀评价系统中发射接收主机结构示意图；

图4为本发明实施例中公开的接地网示意图；

图5为接地网材料扁钢的示意图；

图6为本发明接地网腐蚀程度评价系统与接地网的实验接线图；

图7为本发明实施例中发射机发射的双极性方波电流信号波形图；

图8为本发明实施例中接收处理器接收的电压衰减曲线；

图9为本发明实施例中针对电压衰减曲线数据处理得到的拟合结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图9所示，强极化激发极化腐蚀检测法作为一种电化学腐蚀检测法，可以实现非开挖、检测准确度高、能直观反映接地网腐蚀程度，较常规极化曲线法抗干扰能力更高，较大电流法能准确评估接地网整体的腐蚀度，较质量法简化操作过程，避免测试结果随机性。

本发明实施例提供了一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，通过向接地网注入双极性方波大电流信号，接收双电层电容衰减电压信号，通过分析电压衰减时间常数评价接地网的腐蚀程度，可以在不开挖非接触的前提下，对接地网腐蚀程度进行准确评价。

一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，参见图1所示，包括步骤S1至步骤S9。参见图2所示，为本发明实施例中接地网腐蚀程度评价系统结构示意图，也就是三电极系统，所述三电极系统包括工作电极A、参比电极B和辅助电极C，所述工作电极A为被测接地网，所述参比电极B为不极化的极罐，所述辅助电极C为不锈钢电极。本发明实施例公开了一种接地网腐蚀评价方法，该方法基于发射接收主机进行检测，如图3所示，具体结构包括直流电源1、发射机2和接收处理器3，其中，所述直流电源1给所述发射机2供电，所述发射机2的发射端分别与所述工作电极A和所述辅助电极C相连，所述接收处理器3的接收端分别与所述工作电极A和所述参比电极B相连。

所述发射机2的两个发射端分别与所述工作电极A和所述辅助电极C相连，通过试验测线相连接，试验测线不小于5mm²，电流为10A。

所述接收处理器3的两个接收端分别与所述工作电极A和所述参比电极B相连，通过试验测线相连接，试验测线不小于2mm²。

基于上述接地网腐蚀评价系统装置的基础上，该方法步骤具体包括：

步骤S1：获取欲检测接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；

具体的，请参阅附图4和图5，图4为本发明实施例中公开的接地网示意图，接地网5.1m×6.8m，网格间距1.7m，埋深0.6m，接地网材料是60mm×8mm的扁钢。60mm为扁钢的宽度b；8mm为扁钢的厚度。

可以理解的是，接地网也可使用其他金属，网格的尺寸、间距、埋深以及金属材料的横截面均可以使用其他数据。

步骤S2：在所述接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B，并设置试验测线；通过试验测线连接发射机2和接收处理器3。

具体的，请参阅附图6，图6为本发明实例中公开的实验接线图。图6中发射接收主机发射端分别与工作电极A和辅助电极C相连，接收端分别与工作电极A和参比电极B相连，输出端经接收处理器3与计算机4相连。

步骤S3：所述发射机2给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号，进行极化试验；

具体的，在实验进行时，请参阅附图7，所述发射机2给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号为双极性方波大电流信号，所述双极性方波大电流信号包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间。

步骤S4：所述接收处理器3接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；

具体的，在实验进行时，所述接地网和所述参比电极B之间连接有双电层电容，所述接收处理器3接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号为双电层电容电压，所述方波信号由正电压或负电压到等宽停供电区间跳变时，所述双电层电容开始放电，双电层电容在等宽停供电区间放电，所述电压信号为所述双电层电容放电电压。

步骤S5：将所述检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；

所述步骤S5中，接收处理器3将所述数据叠加处理并绘制电压衰减曲线具体为：

将所述电压信号进行正、负供电区相减求区间电压平均值U₁，U₁＝(U_正-U_负)/2；

其中，U_正为正供电区的电压信号，U_负为负供电区的电压信号并与U_正相对应；

再对区间电压平均值U₁周期性对应叠加然后取周期电压平均值U₂，将所述周期电压平均值U₂绘制成电压衰减曲线。

即对多个周期的区间电压平均值U₁对应求和之后，再除以周期数，得到周期电压平均值U₂。

上述方法用于消除系统误差。

请参阅附图8，为本发明实例中激发极化腐蚀检测得到的电压衰减曲线，横坐标为采集的采样点数，纵坐标为衰减电压，由图可知，电压衰减曲线呈指数形式下降。

步骤S6：将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ；

具体的，在实验进行时，利用电容放电规律建立拟合公式

利用最小二乘法对所述电压信号进行拟合得到电压衰减时间常数τ。

其中，y代表电压衰减曲线上的电压值；A代表电压衰减曲线的峰值称为极化常数；x代表时间；τ代表电压衰减时间常数；c为平衡常数，代表电压衰减曲线衰减到最低点的值。

如果极化常数A越小，衰减时间常数τ越小，平衡常数c越小，则腐蚀越严重。

请参阅附图9，为本发明实例中对激发极化腐蚀检测得到的电压衰减曲线拟合得到的拟合结果图，横坐标为时间，纵坐标为衰减电压，从图中可以看出，拟合效果良好，由此得到电压衰减时间常数τ。

步骤S7：所述接收处理器3将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；

步骤S8：所述接收处理器3将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；

步骤S9：所述接收处理器3根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。

具体的，该步骤具体包括：

将未腐蚀的单位面积接地网的电压衰减时间常数特征值定义为1，所述电压衰减时间常数特征值与接地网腐蚀程度呈负相关。

所述步骤S7中，将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁具体为：

利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数τ除以所述表面积s，得到归一化时间常数τ₁；

根据所述接地网尺寸资料获得扁钢宽度b和长度l计算得到所述接地网表面积s，即s＝b×l，将所述电压时间常数τ除以所述接地网表面积s得到归一化时间常数τ₁，即τ₁＝τ/s，其中l为构成接地网所有扁钢的总长度的2倍。

所述步骤S8中，将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η具体为：

将未腐蚀的单位面积接地网的电压衰减时间常数特征值定义为1；

将所述归一化时间常数τ₁转换成相应的单位面积基准特征值x；

定义归一化腐蚀度η为1-x。

所述单位面积指的是接地网与土壤接触部分的单位表面积。

所述步骤S9中；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度具体为：

所述归一化腐蚀度η与接地网整体腐蚀度呈正相关，η越接近0，所述接地网整体腐蚀程度越低，η越接近1，所述接地网整体腐蚀程度越高。

该方法对接地网腐蚀体系施加正负阶跃矩形电流信号，使得腐蚀体系处于强极化区域。那么此时土壤和溶液界面的相界区就可以等效成是一个漏电的电容器，由于接地网电极表面的状态会影响界面电容的大小，从而也就可以测量出电极极化衰减曲线并拟合曲线参数来反应界面电容的差异，从而也就能判断出电极表面的腐蚀状态。

本实施例公开的一种接地网腐蚀程度评价方法，基于强极化技术的激发极化腐蚀检测，该方法包括：获取欲检测接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；在所述接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B，并设置试验测线；所述发射机2给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号，进行极化试验；所述接收处理器3接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；所述接收处理器3将所述检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ；根据所述电压衰减时间常数评价接地网的腐蚀程度。可见，本发明采用的强极化激发极化法，通过对接地网发射双极性方波大电流信号，获取双电层电容的放电电压信号，得到电压衰减时间常数τ，将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。该方法能在非开挖的前提下，对接地网腐蚀程度进行高效、准确的腐蚀评价。

综上所述：本发明公开了一种接地网腐蚀程度评价方法，本发明采用的强极化激发极化法，通过对接地网发射双极性方波大电流信号，获取双电层电容的放电电压信号，得到电压衰减时间常数τ，将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1：获取欲检测的接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；

步骤S2：在所述接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B；

步骤S3：给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号，进行极化试验；

步骤S4：接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；

步骤S5：将所述检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；

步骤S6：将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数；

步骤S7：将所述电压时间常数表面积归一化得到归一化时间常数；

步骤S8：将所述归一化时间常数转换得到归一化腐蚀度η；

步骤S9：根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。

2.根据权利要求1所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述接地网和所述辅助电极C之间的大电流信号为双极性方波大电流信号，所述双极性方波大电流信号包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间。

3.根据权利要求2所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述接地网和所述参比电极B之间连接有双电层电容，所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号为双电层电容电压，所述方波信号由正电压或负电压到等宽停供电区间跳变时，所述双电层电容开始放电，双电层电容在等宽停供电区间放电，所述电压信号为所述双电层电容放电电压。

4.根据权利要求2所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S5中，将所述数据叠加处理并绘制电压衰减曲线具体为：

将所述电压信号进行正、负供电区相减求区间电压平均值U₁，U₁＝(U_正-U_负)/2，其中，U_正为正供电区的电压信号，U_负为负供电区的电压信号并与U_正相对应；

再对区间电压平均值U₁周期性叠加然后取周期电压平均值U₂，将所述周期电压平均值U₂绘制成电压衰减曲线。

5.根据权利要求3所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S6中，将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数具体为：

利用电容放电规律建立拟合公式利用最小二乘法对所述电压信号进行拟合得到电压衰减时间常数；

其中，y代表电压衰减曲线上的电压值；A代表电压衰减曲线的峰值称为极化常数；x代表时间；代表电压衰减时间常数；c为平衡常数，代表电压衰减曲线衰减到最低点的值。

6.根据权利要求1所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S7中，将所述电压时间常数表面积归一化得到归一化时间常数具体为：

利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数除以所述表面积s，得到归一化时间常数。

7.根据权利要求1所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S8中，将所述归一化时间常数转换得到归一化腐蚀度η具体为：

将未腐蚀的单位面积接地网的电压衰减时间常数特征值定义为1；

将所述归一化时间常数转换成相应的单位面积基准特征值x；

定义归一化腐蚀度η为1-x。

8.根据权利要求7所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述单位面积指的是接地网与土壤接触部分的单位表面积。

9.根据权利要求7所述的基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，其特征在于：所述步骤S9中；根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度具体为：

所述归一化腐蚀度η与接地网整体腐蚀度呈正相关，η越接近0，所述接地网整体腐蚀程度越低，η越接近1，所述接地网整体腐蚀程度越高。

Images