CN117452048A - 一种接地腐蚀在线监测系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了接地腐蚀在线监测系统，包括设备支撑柱和用于固定在土壤上的水泥基础墩，所述设备支撑柱固定连接或可拆卸地连接在水泥基础墩上，所述设备支撑柱顶端设置有补能电源；所述接地腐蚀在线监测系统还包括依次连接的传感器单元、监测设备箱、入地电流测试箱；所述监测设备箱、入地电流测试箱设置在设备支撑柱上，所述传感器单元设置在土壤中；所述传感器单元通过测试电缆与监测设备箱连接；所述入地电流测试箱串联接入电气设备的接地端和接地网间的引下线电缆中；所述监测设备箱通过传输线或无线网络与外部集控平台连接。实现了对电力等行业的接地网和接地材料的全面实时在线监测，可以为电力接地设计和管理提供精确的数据支持和决策依据。

Description

一种接地腐蚀在线监测系统及其应用

技术领域

本申请涉及一种接地腐蚀在线监测系统及其应用，属于接地网及接地材料腐蚀态势感知技术领域。

背景技术

目前对电力系统接地网的检测通常采用常规接地电阻测试、接地网开挖检测等方法。接地网的接地电阻低于设计值时认为接地网处于健康状态。接地电阻异常时采用局部开挖或接地网故障分析。分析的结果无法实现接地材料的腐蚀状态、腐蚀原因的分析，检测结果更无法为接地网的维修、改造、设计提供决策依据，且均为后知后觉的检测，是在发现问题后才会进行检测，检测的周期长，更无法做到实时预警，变电站的接地系统故障是导致电力运行事故的重要因素之一。缺乏接地腐蚀的状态感知及预警功能将无法为站内管理者提供足够准确与及时的接地状态信息，不能为接地的腐蚀危害和安全评估等决策提供有力支持，同时对接地维护、改造、设计也无法提供有效的数据支撑。接地材料的腐蚀速率和腐蚀因素是接地设计、防护方案需要参考的重要数据，仅凭现有的接地检测手段无法实现。由此可见，对接地腐蚀的状态感知与预警的缺失是是电力安全管理的风险隐患，也是实现数字化管理的关键环节。

目前，输变电接地监测的工程、研究不足导致电力企业在接地网、接地材料、防护技术方面的研究、设计、运行和维护等方面均存在诸多问题：(1)接地材料腐蚀的基础研究缺乏长期积累的监测数据，电力接地材料运行环境复杂，不仅涉及复杂的土壤电化学腐蚀，而且强电磁场环境也是导致接地材料腐蚀的关键因素。传统的接地材料腐蚀仅简单考虑材料的土壤腐蚀，而忽视了重要的强电磁场环境加速腐蚀因素，这导致现行的标准规范无法满足实际工程需要。(2)接地网腐蚀工程数据积累不足。材料土壤腐蚀方面全国性的基础数据积累与研究每年均有投样，但目前的状况是无法满足电力领域材料的需要，材料、环境及实际应用工况均有很大差别，电力行业自身对该腐蚀领域数据的积累、收集、研究明显缺乏，在接地材料腐蚀的设计、管理中无法提供有效的支持。(3)电力接地的腐蚀评价无法满足实际生产需求，电力行业对接地材料腐蚀评价体系的建设大多参照石油石化等其他行业，集中在材料的土壤腐蚀方面，目前还没有考虑到电力行业自身特点。研究表明，电力接地的入地电流是导致接地网局部快速腐蚀的主要原因，但目前还没有一种规范的评价方法将其纳入。(4)接地网设计、维护以及决策机制还处于初级阶段。接地网腐蚀与防护设计较粗犷，材料设计寿命与实际使用寿命相差较大，不仅造成实际工程后期投入大，材料浪费，而且无法满足我国对电力运行安全的需求。

目前，输变电接地腐蚀的状态感知方法中，接地网接地电阻的检测一般无法确定接地网的腐蚀情况和断点；即使接地网的某个网格出现断点，接地电阻上仍然可能合格，该方法也无法获得接地极的截面损失状况；其接地状态诊断采用电网络理论，通过各网格导体电阻变化，判断接地网腐蚀及断点情况，这种检测方法复杂，准确率不高，且无法获得材料的腐蚀速率和了解材料的腐蚀原因，也无法为材料的选材、设计、决策提供依据。现场开挖检测更是耗时长，成本高，检测效率极低，大面积开挖会影响正常的供电。因此，在输变电接地腐蚀在线腐蚀监测应用中，还没有全面、高效的实时监测系统和方法，是一项急需解决的卡脖子技术。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种接地腐蚀在线监测系统，实现了对电力等行业的接地网和接地材料的全面实时在线监测，可以为电力接地设计和管理提供精确的数据支持和决策依据。

输变电接地装置埋设于土壤中，其性能与土壤具有最直接的联系。土壤除了可以决定接地装置的接地性能，还可以对其中的接地装置产生腐蚀作用，从而消耗接地导体，进而降低接地装置性能，甚至使接地性能失效而产生安全问题。土壤是一个由气液固三相物质构成的复杂系统，其中还生存着数量不等的若干种土壤微生物，土壤微生物的新陈代谢产物也会对材料产生腐蚀。大型接地装置有时还存在杂散电流的腐蚀问题，土壤的固体组分相对固定，不具备流动性。因此，即使是同类型的土壤，其所处位置、地面植被、地表地貌其物理和化学性质也不近相同。因此，土壤腐蚀性的测量与评估是一个非常复杂的问题。

土壤的腐蚀性很难用一个简单的显性公式表达出来，也不容易通过土壤直接测得，它与许多因素有关，而且随时间而变化。也就是说材料的土壤腐蚀性不能单独由哪一个土壤的物理化学性能决定。宏观上看，材料在土壤中的腐蚀主要与以下几类因素相关：

(1)杆塔接地材料土壤电化学腐蚀，接地极埋设在土壤当中，并直接与大地接触。因此土壤腐蚀是接地极材料最主要的腐蚀类型。土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合，由土粒、水、空气所组成，是一种复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙，孔隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是一种离子导体。土壤的性质和结构是不均匀的、多变的，土壤的固体部分对埋设在土壤中的接地体的金属表面来说，是固定不动的，而土壤中的气、液相则可作相对有限运动。土壤的这些物理化学性质，尤其是电化学特性直接影响着土壤的腐蚀过程的特点。土壤组成和性质的复杂多变性使不同的土壤腐蚀性相差很大；(2)接地网的入地电流，接地极是接地装置的主要组成部分，主要用于泄流、均压，保障电网和电气设备安全运行。由于负载变化、三相峰值电流不均、相位不均或由于气候、污染物等因素造成线路绝缘性差等，导致线路中形成的工频入地电流通过接地极进入大地，并通过接地极流出。流出部位由于电流的作用发生电化学腐蚀反应，使接地极材料腐蚀加速进行。同时，外界环境中的各种直流、交流杂散电流也会对接地网材料造成腐蚀。因此，接地极材料的入地电流及电场变化也是地网腐蚀的重要因素之一；(3)地网及其使用环境的不均匀性引起的腐蚀，组成土壤的固体组分是相对固定性，不像大气、海水具有流动性，即使是同种类型的土壤，它们的物理和化学性质也不尽相同。土壤的不均匀性可能造成地网腐蚀的不均匀性，差异较大的埋设环境还可能导致地网宏电池腐蚀，加速局部地网的腐蚀速度。

本申请采用如下技术方案：

一种接地腐蚀在线监测系统，包括设备支撑柱和用于固定在土壤上的水泥基础墩，所述设备支撑柱固定连接或可拆卸地连接在水泥基础墩上，所述设备支撑柱顶端设置有补能电源；

所述接地腐蚀在线监测系统还包括依次连接的传感器单元、监测设备箱、入地电流测试箱；

所述监测设备箱、入地电流测试箱设置在设备支撑柱上，所述传感器单元设置在土壤中；

所述传感器单元通过测试电缆与监测设备箱连接；

所述入地电流测试箱串联接入电气设备的接地端和接地网间的引下线电缆中；

所述监测设备箱通过传输线或无线网络与外部集控平台连接。

可选地，所述传感器单元包括若干用于原位监测土壤理化性能的传感器。

若干用于原位监测土壤理化性能的传感器的组合即土壤腐蚀性参数在线监测传感器。

可选地，所述传感器单元腐蚀试片腐蚀率监测传感器。

可选地，接地腐蚀在线监测系统为基于超微电阻测量的原位材料腐蚀速率监测系统。

可选地，所述传感器与接地网材质相同。

可选地，所述土壤理化性能包括土壤电阻率、土壤氧化还原电位、接地材料在土壤中的自然电位、土壤pH值、土壤含水量、材料腐蚀速率、微生物参数、杂散电流、电磁场。

可选地，所述土壤理化性能包括土壤电阻率、土壤氧化还原电位、接地材料在土壤中的自然电位、土壤pH值、材料腐蚀速率、交直杂散电流。

可选地，所述土壤理化性能包括土壤电阻率、土壤氧化还原电位、土壤pH值。

土壤的电阻率是土壤腐蚀性理化重要指标之一，通常认为土壤电阻率越低，土壤腐蚀性越强。测量未扰动的大地土壤电阻率时，可以采用文那四极法或土壤电极法进行，测量得到的土壤电阻率。

氧化还原电位是土壤重要的理化性质指标，它可以理解为土壤提供或接受电子的能力。接受电子能力强意味着高氧化还原电位，而提供电子能力强意味着低氧化还原电位。土壤的通气性、微生物活动能力等与土壤腐蚀性相关的因素。土壤的氧化还原电位的测定可以采用惰性电极电位法。将铂金或石墨电极置入待测的土壤中，测量该电位与参比电极的差值，即可获得土壤的氧化还原电位。

金属电极在电解质中阴阳极反应达到平衡以后，即可建立稳定的平衡电位。金属在土壤中的自然电位可以反映土壤温度、湿度、紧实度、通气状况等理化性能参数，是一个综合影响因素，可初步评估金属的腐蚀状况。金属在土壤中的自然电位可以通过与接地网相同材质的试片与参比电极之间的电位差测得。在分布式系统中，各监测位置的自然电位可以代表该环境土壤的均匀性参数。

土壤酸碱性是影响土壤腐蚀率的重要参数之一，采用金属传感器或玻璃电极测量传感器电位，换算成土壤pH值。

水是土壤成为腐蚀性介质的成分。因此土壤的含水量对金属材料的腐蚀至关重要。可以采用介质介电常数型传感器，在线测试土壤的含水量变化。

将与接地材料相同材质的金属试片埋设于接地网环境土壤中，采用电化学法、电阻法、电感法等方法，测试金属试片的土壤腐蚀率或侵蚀率。

可选地，所述入地电流测试箱包括用于监测接地网接地极电流的传感器。

可选地，所述接地网接地极电流传感器包括接地网接地极直流传感器、接地网接地极交流传感器。

通过将接地引下线断开，串接入毫欧级大功率采样器件，根据采样器件的直流、交流电压差，可以计算通过该引下线位置流入接地主网，进而流入大地的交流电流和直流电流强度。交流电流与直流电流通过接地材料流入大地时，接地材料表面发生金属失去电子的电化学反应。直流电流流过时的反应相当于电解反应，接地材料腐蚀加速。监测到的电流强度，可以计算出接地材料的腐蚀速率和腐蚀积累损失。

可选地，所述监测设备箱将传感器单元和入地电流测试箱实时感知采集的数据传送至集控平台进行土壤腐蚀性的评估；

所述评估包括将实时监测的理化性能数据和土壤固有指标结合进行打分，通过分值综合评价环境土壤的腐蚀等级，并参考接地网入地电流值修正环境土壤腐蚀性等级；

其中，所述土壤固有指标包括土壤质地、土壤Cl离子含量。

土壤质地、Cl离子含量作为土壤固有指标，可以通过一次性检测获得。

接地网入地电流值包括入地直流电流强度值和入地交流电流强度值，利用接地网的入地直流电流强度，通过法拉第定律，计算出接地极直流电流腐蚀速率，利用接地网的入地交流电流强度，通过经验公式，计算交流电流腐蚀速率；将计算结果，修正环境土壤腐蚀等级。

评估采用的为多指标法，其评估结果可以做为接地网选材、运行、维护的依据。长期积累的腐蚀试片侵蚀率，可以计算接地材料腐蚀损失，获得精确的腐蚀率，用于预警接地网腐蚀事故。

可选地，所述传输线选自光纤、CAN总线电缆、485电缆中的至少一种。

可选地，所述无线网络包括4G传输网络。

可选地，所述补能电源选自市电、太阳能、风能中的至少一种。

补能电源用于给接地腐蚀在线监测系统尺寸提供电源。

可选地，所述外部集控平台包含本地工控机、远程上位机软件平台、云系统中的至少一种。

利用大数据统计和分析建模，形成决策数据，提供给生产人员及管理人员。管理人员根据系统决策数据对接地的腐蚀状况、防腐蚀措施及设计、维护参数进行决策，形成智能化管理策略。

根据本申请的一个方面，提供了一种电力接地腐蚀在线监测系统，包括上述接地腐蚀在线监测系统。

可选地，所述下引线电缆通过绝缘螺栓在绝缘接板上连接至变电站设备。

根据本申请的另一方面，提供了一种上述接地腐蚀在线监测系统中在电力、建筑、计算机、工矿企业、通讯领域中的应用。

完备的电力接地腐蚀监测体系应囊括接地装置环境的众多腐蚀参数，包括土壤的理化参数、微生物参数、入地电流参数、接地装置外界电流干扰参数等，完整考虑所有影响接地材料的腐蚀影响因素。通过长期的数据收集和积累获得接地材料在服役期内的完整腐蚀性数据，利用大数据统计分析结果，才能够获得最为精准的腐蚀态势。

本申请能产生的有益效果包括：

本申请提供的接地腐蚀在线监测系统，与现有技术相比，实现对接地网、接地材料土壤腐蚀行为的全面监控，可以全面分析电力等行业环境下接地材料的腐蚀影响因素，完成接地材料综合腐蚀在线监测预警及接地腐蚀数据存储分析预测。解决了电力等行业接地材料腐蚀评估、寿命预测工作基础数据缺乏，决策依据不足等问题，可通过长期积累土壤环境腐蚀性数据及接地材料侵蚀率数据，实现综合评估接地网腐蚀态势，接地材料腐蚀预警等功能，为电力等行业接地材料选择、设计、维护、管理提供基础数据及决策依据，降低接地事故，保障运行安全。

附图说明

图1为本申请接地腐蚀在线监测系统的结构示意图。

附图标识

1.传感器单元；2.测试电缆；3.入地电流测试箱；4.检测设备箱；5.设备支撑柱；6.引下线电缆；7.传输线；8.补能电源；9.水泥基础墩；10.电气设备；11.绝缘接板；12.绝缘螺栓。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

根据本申请的一种实施方式

电力接地腐蚀在线监测系统，即电力接地腐蚀感知与安全预警系统，主要由以下几部分组成：

(1)土壤电化学腐蚀及腐蚀率传感器单元

(2)接地网交直流电流传感器单元

(3)集成式数据采集、传输装置

(4)上位机系统

土壤理化性能传感器单元及接地网电流传感器单元负责将影响接地土壤腐蚀性的关键数据反应出来，通过数据采集单元换成数字信号，并通过传输单元传送至上位机系统内，形成测试硬件系统。技术人员或管理人员可以在远程测量、记录，分析土壤腐蚀状况、接地材料腐蚀数据等。

其中，土壤腐蚀性参数传感器测试包括：土壤电阻率、土壤氧化还原电位、接地材料在土壤中的自然电位、土壤pH值、土壤含水量、接地网接地极电流、材料腐蚀速率。

数据采集传输单元可采用市电、太阳能、风能作为补能电源。系统传感器将土壤腐蚀性数据通过有线或无线网络传输至上位机软件平台或云系统上，利用大数据统计和分析建模，形成决策数据，提供给生产人员及管理人员。管理人员根据系统决策数据对接地的腐蚀状况、防腐蚀措施及设计、维护参数进行决策，形成智能化管理策略。

土壤腐蚀性的评估可采用电力多指标法，通过分值确定环境的腐蚀等级，并参考接地网入地电流值修正土壤腐蚀性等级。其评估结果可以做为接地网选材、运行、维护的依据。长期积累的腐蚀试片侵蚀率，可以计算接地材料腐蚀损失，获得精确的腐蚀率，用于预警接地网腐蚀事故。

实施例1

电力接地腐蚀在线监测系统，包括设备支撑柱(5)和用于固定在土壤上的水泥基础墩(9)，所述设备支撑柱(5)固定或可拆卸地连接在水泥基础墩(9)上，所述设备支撑柱(5)顶端设置有补能电源(8)，补能电源(8)为太阳能；

所述接地腐蚀在线监测系统还包括依次连接的传感器单元(1)、监测设备箱、入地电流测试箱(3)；

所述监测设备箱、入地电流测试箱(3)设置在设备支撑柱(5)上，所述传感器单元(1)设置在土壤中；

所述传感器单元(1)通过测试电缆(2)与监测设备箱连接；所述传感单中包括与接地网材质相同的传感器，

其中，所述土壤理化性能包括土壤电阻率、土壤氧化还原电位、接地材料在土壤中的自然电位、土壤pH值、土壤含水量、材料腐蚀速率、微生物参数、交直流杂散电流、电磁场。

所述入地电流测试箱(3)串联接入变电站设备和接地网间的引下线电缆(6)中；所述入地电流测试箱(3)包括接地网电流传感器。

下引线电缆通过绝缘螺栓(12)在绝缘接板(11)上连接至变电站设备。

所述监测设备箱通过CAN总线电缆与外部集控平台连接。

所述传感单元用于实时监测土壤理化性能；

所述接地网电流传感器用于实时监测接地网接地极电流；

传感单元和接地网电流传感器负责将影响接地土壤腐蚀性的关键数据反应出来，然后所述监测设备箱将实时感知采集的数据换成数字信号，传送至集控平台的远程上位机软件平台中，进行土壤腐蚀性的评估，技术人员或管理人员可以在远程测量、记录，分析土壤腐蚀状况、接地材料腐蚀数据等。

所述评估可采用多指标法，通过分值确定环境土壤的腐蚀等级，并参考接地网入地电流值修正环境土壤腐蚀性等级，具体为对电力输电杆塔接地土壤腐蚀，采用的指标包括：土壤质地、土壤电阻率、土壤氧化还原电位、土壤Cl离子含量以及土壤pH值，其中，土壤质地、Cl离子含量作为土壤固有指标，可以通过一次性检测获得，结合在线监测的土壤电阻率以及土壤氧化还原电位指标，通过打分法，综合评价土壤腐蚀等级；利用接地网的入地直流电流强度，通过法拉第定律，计算出接地极直流电流腐蚀速率，利用接地网的入地交流电流强度，通过经验公式，计算交流电流腐蚀速率；将计算结果，修正环境土壤腐蚀等级。

本电力接地腐蚀在线监测系统通过监测影响电力接地网接地材料的土壤腐蚀关键性参数和材料侵蚀率，可以用于全面评估接地网接地材料的腐蚀、利用长期数据积累、集合多种腐蚀因素测试分析而获得电力接地腐蚀态势，并可以用于预估接地网剩余使用寿命。

实施例2

电力接地腐蚀在线监测系统与实施例1相同，区别在于所述监测设备箱通过485电缆与外部集控平台连接，集控平台的包含本地工控机。

土壤腐蚀性参数在线监测传感器及腐蚀试片腐蚀率监测传感器采集数据，并通过所述监测设备箱内置的数据采集器测试转换成数字信号，采用485电缆传送至现场工控机中，工控机对采集的数据进行存储、计算，并形成土壤腐蚀性评估结果和接地网态势分析。供场站内人员进行使用与决策辅助。该实例不采用远程数据传输，监测数据不经过开放网络，适用于保密数据的需求。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，包括设备支撑柱和用于固定在土壤上的水泥基础墩，所述设备支撑柱固定连接或可拆卸地连接在水泥基础墩上，所述设备支撑柱顶端设置有补能电源；

所述接地腐蚀在线监测系统还包括依次连接的传感器单元、监测设备箱、入地电流测试箱；

所述监测设备箱、入地电流测试箱设置在设备支撑柱上，所述传感器单元设置在土壤中；

所述传感器单元通过测试电缆与监测设备箱连接；

所述入地电流测试箱串联接入电气设备的接地端和接地网间的引下线电缆中；

所述监测设备箱通过传输线或无线网络与外部集控平台连接；

所述传感单元包括若干用于原位监测土壤理化性能的传感器。

2.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述监测设备箱将传感器单元和入地电流测试箱实时感知采集的数据传送至集控平台进行土壤腐蚀性的评估。

3.根据权利要求2所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述评估包括将实时监测的理化性能数据和土壤固有指标结合进行打分，通过分值综合评价环境土壤的腐蚀等级，并参考接地网入地电流值修正环境土壤腐蚀性等级；

其中，所述土壤固有指标包括土壤质地、土壤Cl离子含量。

4.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述传感器与接地网材质相同。

5.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述土壤理化性能包括土壤电阻率、土壤氧化还原电位、接地材料在土壤中的自然电位、土壤pH值、材料腐蚀速率、交直杂散电流。

6.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述入地电流测试箱包括用于监测接地网接地极电流的传感器。

7.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述传输线选自光纤、CAN总线电缆、485电缆中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述补能电源选自市电、太阳能、风能中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的接地腐蚀在线监测系统，其特征在于，所述外部集控平台包含本地工控机、远程上位机软件平台、云系统中的至少一种。

10.权利要求1至9任一项所述接地腐蚀在线监测系统中的至少一种在电力、建筑、计算机、工矿企业、通讯领域中的应用。