CN111967160A - 一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，属于智能化领域。通过XRD测定腐蚀产物中各个主要成分(FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄)占整体腐蚀产物的比例，进一步给出腐蚀产物层膨胀系数的计算方法和腐蚀接地极精细化分析模型的建立方法。本发明提出的建模方法可准确模拟工程实际中的杆塔腐蚀接地极，有助于准确计算腐蚀接地极接地参数，可为准确计算腐蚀接地极接地参数奠定理论基础。

Description

一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法

技术领域

本发明属于智能化领域，涉及一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法。

背景技术

杆塔接地极是保障电力系统安全稳定运行的重要基础设施，其接地性能的优劣直接影响输电线路的供电可靠性。腐蚀导致接地导体发生溶解，金属材料性质遭到破坏，过小的导体截面不能承受幅值较高的雷电流和故障电流，给接地导体埋下安全隐患，严重时甚至会引发导体断裂，致使接地装置失效。同时，腐蚀产物覆盖在接地导体表面阻碍了正常散流，引起接地电阻增大，接地性能降低。当电流到达接地装置，接地装置失效或接地性能无法达标致使杆塔处电位过高，进而引发严重的电力事故，带来不可估量的经济损失。因此，建立精细化腐蚀接地极分析模型具有深远的工程意义。

华北电力大学的崔翔团队提出电磁场分析诊断技术，主要通过向接地装置注入电流，测量并依据接地系统的地表磁场强度分布对接地装置腐蚀程度进行诊断。重庆大学付志红团队提出瞬变电磁成像法，在无需与接地装置直接接触的情况下通过激发接地导体中的感应电流并检测来进行腐蚀判断。针对发变电站接地网具有固定拓扑结构的特点，重庆大学刘渝根团队和清华大学何金良团队都提出电网络理论分析方法，该方法是将网状结构接地装置看成纯电阻网络，通过测量可及节点之间电压值，对比分析腐蚀前后接地网支路导体电阻的变化进行诊断。

现有的接地极腐蚀判断方法均存在腐蚀模型不够精确的问题，通常假定腐蚀接地极为一根直径变小的导体，并未考虑腐蚀产物层的影响。另一方面有些算法将接地极的腐蚀状态划分为断裂和非断裂。现有的腐蚀接地极分析模型并不完全符合工程实际。为解决上述问题，本发明专利提出了一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极精细化分析模型的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法。首先通过XRD分析接地极腐蚀产物主要成分的比例，然后基于腐蚀产物的成分比例计算出腐蚀产物的膨胀系数，最终提出了用于建立精细化腐蚀接地极分析模型的方法。本发明提出的建模方法可准确模拟工程实际中的杆塔腐蚀接地极，有助于准确计算腐蚀接地极接地参数。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：测量接地极腐蚀产物的成分比例；

步骤2：腐蚀产物体积膨胀系数计算；

步骤3：建立精细化腐蚀接地极分析模型。

可选的，所述步骤1具体为：

接地极腐蚀产物分为FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄三类；研磨提取腐蚀接地极的腐蚀产物，通过XRD物相分析方法对腐蚀产物的成分及其百分比含量进行分析，确定出腐蚀产物成分i所占百分比，即FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄所占百分比。

可选的，所述步骤2具体为：

为确定腐蚀产物总的体积膨胀系数，得到腐蚀产物沉积引起的形变，首先通过腐蚀产物各组分的密度和质量分数对各成分的体积膨胀系数进行分析；根据腐蚀接地极的化学反应方程式得到某一腐蚀成分i相对于铁的体积膨胀系数为：

其中i代指FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄三种腐蚀产物主要成分中的任意一种物质，式中M_Fe和ρ_Fe分别为铁的摩尔质量和密度，M_i和ρ_i分别为物质i的摩尔质量和密度；通过腐蚀产物各成分的摩尔质量和密度得到各组分的体积膨胀系数；根据腐蚀产物各成分的体积膨胀系数及其所占百分比得到接地极腐蚀产物层的体积膨胀系数n_c为：

式中m_i为腐蚀产物成分i所占百分比，v_i为单位腐蚀产物体积。

可选的，所述步骤3具体为：

将接地极溶解与腐蚀产物沉积引起的接地极形变看作是均匀分布，则得到含腐蚀产物层接地极模型；其中r_s为接地极初始半径，Δr_s为接地极溶解厚度，d_c为腐蚀产物层厚度；

假设接地极材料腐蚀溶解部分完全转换为接地极腐蚀产物，腐蚀产物未脱落均附着在接地极表面；将腐蚀产物层和接地极腐蚀溶解量的体积采用圆柱体体积表示：

V_c＝n_cΔV_s (6)

将Vc和Vs的表达式带入得：

π·(r_s-Δr_s+d_c)²-π·(r_s-Δr_s)²＝n_c(π·r_s ²-π·(r_s-Δr_s)²) (7)

最终得到腐蚀产物层厚度d_c与接地极溶解厚度Δr_s的关系为：

步骤3中得到接地极腐蚀产物的体积膨胀系数，得到不同腐蚀深度下接地极的腐蚀产物层厚度即为腐蚀产物沉积引起的形变。

本发明的有益效果在于：本发明提出的建模方法可准确模拟工程实际中的杆塔腐蚀接地极，有助于准确计算腐蚀接地极接地参数。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为精细化腐蚀接地极分析模型；

图2为样本中土壤样本的XRD物相分析；

图3为样本中接地极腐蚀产物的XRD图。(a)为腐蚀样本1号；(b)为腐蚀样本2号；(c)为腐蚀样本3号；(d)为腐蚀样本4号；(e)为腐蚀样本5号；(f)为腐蚀样本6号。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极精细化分析模型的方法，主要通过分析腐蚀产物成分计算腐蚀产物的膨胀系数，最终结合腐蚀接地极中接地极的溶解量，计算出腐蚀产物层的厚度，最终结合腐蚀产物层的厚度和接地极本体(腐蚀接地极未腐蚀部分)的直径，构建出精细化腐蚀接地极分析模型。

请参阅图1～图3，其中，图3为样本中接地极腐蚀产物的XRD图，(a)为腐蚀样本1号；(b)为腐蚀样本2号；(c)为腐蚀样本3号；(d)为腐蚀样本4号；(e)为腐蚀样本5号；(f)为腐蚀样本6号。一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极精细化分析模型的方法包括以下步骤：

步骤1：测量接地极腐蚀产物的成分比例

接地极腐蚀产物主要分为FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄三类。研磨提取腐蚀接地极的腐蚀产物，通过XRD物相分析方法对腐蚀产物的成分及其百分比含量进行分析，确定出腐蚀产物成分i(FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄)所占百分比。

步骤2：腐蚀产物体积膨胀系数计算

为确定腐蚀产物总的体积膨胀系数，得到腐蚀产物沉积引起的形变，首先通过腐蚀产物各组分的密度和质量分数对各成分的体积膨胀系数进行分析。其中腐蚀产物各成分的离子反应如下式所示：

Fe³⁺+O^2-+OH^-→FeOOH (1)

2Fe³⁺+3O^2-→Fe₂O₃ (2)

Fe²⁺+2Fe³⁺+4O^2-→Fe₃O₄ (3)

从上式可以看出，1mol的Fe发生溶解可生成1mol羟基氧化铁，0.5mol三氧化二铁，

四氧化三铁。假设1mol铁完全溶解产生了a_imol物质i，则可得到物质i相对于铁的体积膨胀系数为：

式中M_Fe和ρ_Fe分别为铁的摩尔质量和密度，M_i和ρ_i分别为物质i的摩尔质量和密度。通过腐蚀产物各成分的摩尔质量和密度可得到各组分的体积膨胀系数。可根据腐蚀产物各成分的体积膨胀系数及其所占百分比得到接地极腐蚀产物层的体积膨胀系数n_c为：

式中m_i为腐蚀产物成分i所占百分比，v_i为单位腐蚀产物体积。

步骤3：建立精细化腐蚀接地极分析模型

根据上述分析将接地极溶解与腐蚀产物沉积引起的接地极形变看作是均匀分布，则可得到含腐蚀产物层接地极模型如图1所示。其中r_s为接地极初始半径，Δr_s为接地极溶解厚度，d_c为腐蚀产物层厚度。

假设接地极材料腐蚀溶解部分完全转换为接地极腐蚀产物，腐蚀产物未脱落均附着在接地极表面。将腐蚀产物层和接地极腐蚀溶解量的体积采用圆柱体体积表示：

V_c＝n_cΔV_s (6)

将Vc和Vs的表达式带入可得：

π·(r_s-Δr_s+d_c)²-π·(r_s-Δr_s)²＝n_c(π·r_s ²-π·(r_s-Δr_s)²) (7)

最终得到腐蚀产物层厚度d_c与接地极溶解厚度Δr_s的关系为：

步骤3中得到接地极腐蚀产物的体积膨胀系数，可得到不同腐蚀深度下接地极的腐蚀产物层厚度即为腐蚀产物沉积引起的形变。基于本发明内容构建的腐蚀接地极模型可更加准确地模拟工程实际的腐蚀及，有助于准确计算腐蚀接地极的接地参数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：测量接地极腐蚀产物的成分比例；

步骤2：腐蚀产物体积膨胀系数计算；

步骤3：建立精细化腐蚀接地极分析模型。

2.根据权利要求1所述的一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，其特征在于：所述步骤1具体为：

接地极腐蚀产物分为FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄三类；研磨提取腐蚀接地极的腐蚀产物，通过XRD物相分析方法对腐蚀产物的成分及其百分比含量进行分析，确定出腐蚀产物成分i所占百分比，即FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄所占百分比。

3.根据权利要求2所述的一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，其特征在于：所述步骤2具体为：

为确定腐蚀产物总的体积膨胀系数，得到腐蚀产物沉积引起的形变，首先通过腐蚀产物各组分的密度和质量分数对各成分的体积膨胀系数进行分析；根据腐蚀接地极的化学反应方程式得到某一腐蚀成分i相对于铁的体积膨胀系数为：

其中i代指FeOOH、Fe₂O₃和Fe₃O₄三种腐蚀产物主要成分中的任意一种物质，式中M_Fe和ρ_Fe分别为铁的摩尔质量和密度，M_i和ρ_i分别为物质i的摩尔质量和密度；通过腐蚀产物各成分的摩尔质量和密度得到各组分的体积膨胀系数；根据腐蚀产物各成分的体积膨胀系数及其所占百分比得到接地极腐蚀产物层的体积膨胀系数n_c为：

式中m_i为腐蚀产物成分i所占百分比，v_i为单位腐蚀产物体积。

4.根据权利要求1所述的一种用于建立输电线路杆塔腐蚀接地极分析模型的方法，其特征在于：所述步骤3具体为：

将接地极溶解与腐蚀产物沉积引起的接地极形变看作是均匀分布，则得到含腐蚀产物层接地极模型；其中r_s为接地极初始半径，Δr_s为接地极溶解厚度，d_c为腐蚀产物层厚度；

假设接地极材料腐蚀溶解部分完全转换为接地极腐蚀产物，腐蚀产物未脱落均附着在接地极表面；将腐蚀产物层和接地极腐蚀溶解量的体积采用圆柱体体积表示：

V_c＝n_cΔV_s (6)

将Vc和Vs的表达式带入得：

π·(r_s-Δr_s+d_c)²-π·(r_s-Δr_s)²＝n_c(π·r_s ²-π·(r_s-Δr_s)²) (7)

最终得到腐蚀产物层厚度d_c与接地极溶解厚度Δr_s的关系为：

步骤3中得到接地极腐蚀产物的体积膨胀系数，得到不同腐蚀深度下接地极的腐蚀产物层厚度即为腐蚀产物沉积引起的形变。

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