CN201069429Y - 一种电化学传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种电化学传感器，所述电化学传感器包括：柱状壳体，所述柱状壳体具有锥形前端，所述锥形前端的锥顶部具有限流孔；参比电极，所述参比电极设置于所述的柱状壳体内，并通过所述的限流孔检测被测金属在土壤中的腐蚀电位；辅助电极，所述辅助电极设置于所述的柱状壳体内，并与土壤、被测接地网金属构成导电回路。用以采集接地网土壤腐蚀电化学检测数据，通过电化学检测方法精确而方便的对接地网腐蚀状况进行检测。
Description
技术领域
本实用新型关于发电厂及变电站接地网腐蚀状态检测技术，特别是关于应用了电化学检测的接地网腐蚀状态检测技术，具体的讲是一种电化学传感器。
背景技术
发电厂及变电站的接地网是保障电力系统安全可靠运行的重要设施。由于接地网通常敷设在大于0.6米的地面下，既看不见，又无监视装置，因此当接地网投入运行后，在不开挖的条件下如何有效地检测接地网腐蚀状况是亟待解决的问题。
通常接地网的腐蚀使得接地导体截面减小，严重者甚至断开，由此导致接地网的接地阻抗值或接地导体热稳定截面等方面不符合相关规程。在此条件下，当系统发生单相接地短路故障时，一方面会发生设备失地运行，造成设备外壳或底座电位升高，且高电位会侵入二次控制柜或沿二次线串入主控制室，这将造成二次回路烧损，甚至引起二次电路板成片烧坏；另一方面，造成短路电流入地点地网的地电位升高，会发生人身伤亡事故。由此可见，接地网的故障已是电力系统安全运行的重大隐患，诊断地网的断点及地网的腐蚀情况已成为电力行业的一项重大课题。
在现有技术中发电厂及变电站接地网测量方案主要包括：
(1)接地电阻测量：如果接地网接地电阻值过高，接地网将不能发挥应有作用，接地电阻的测量是评价接地网是否符合规程要求的重要手段。对于运行多年的接地网，大多数接地电阻不符合规程规定，有的是因为腐蚀严重造成的，只有通过开挖来检查其被腐蚀的程度，这种检查腐蚀的方法带有盲目性，工作量大、速度慢，并且受现场运行的限制。
(2)接触电压和跨步电压测量：接触电压和跨步电压是衡量接地网安全性的重要指标，同时根据跨步电压的变化规律，可以发现接地网因腐蚀等原因而发生断裂的部位，但其并不能发现已发生严重腐蚀而未发生断裂的地网腐蚀段。
(3)接地网腐蚀和断点物理诊断法：该方法根据地网可测结点之间的电压或电阻测量值，应用适当的计算方法，计算出各段导体的实际电阻值，将它与标称值相比较，并按照一定的阈值来判断地网导体是否有断裂或腐蚀的情况存在，图1为该检测方法的测量原理图。该方法要求准确知道地网的结构，在此基础上提出确切的数学模型，依据此数学模型对测量的数据点分析计算，方可得出各段地网导体的实际电阻值，由此可以看出影响该方法测量结果准确性的因素较多，而且其对运行多年旧地网的腐蚀诊断仍有一定的局限性。
由于接地网材料在土壤中腐蚀的电化学本质，其腐蚀状态可以用电化学特征参数来表征。对电化学腐蚀，通常还可用电流密度来表示腐蚀速度。在金属电化学腐蚀过程中，被腐蚀的金属作为阳极，发生氧化反应而不断被溶解，同时释放出电子。释放出的电子数量越多，亦即输出的电量越多，意味着金属被溶解得多。因此，金属电极上输出的电量显然与金属电极的溶解量之间存在定量的关系，这个定量关系就是法拉第定律。根据法拉第定律，由电极上通过的电量可以计算出金属溶解的量。不同的电化学特征参数可以表征不同的腐蚀状态，例如可以用击穿电位评价金属抗点蚀性的大小，电位越低，抗蚀性越差。金属腐蚀速度的电化学测试技术有极化阻力技术、暂态线性极化技术、充电曲线技术和恒电量法等。采用线性极化或交流阻抗等电化学技术可以测量接地网碳钢材料的极化电阻、腐蚀电流等电化学参数，但要完成接地网碳钢材料的原位腐蚀电化学检测，必须解决以下两个问题：
(1)腐蚀电化学测量传感器的限流问题：传统的电化学三电极测量系统很难准确测量地网金属的腐蚀状态，因为予测量的某一段地网金属并不是一个独立的电极，它与整个地网金属是连接在一起的，因此通过辅助电极加在地网金属上的极化电流并不会只局限在被测量的这段地网金属上，被极化地网金属面积的不确定性，将会在腐蚀电流密度的计算中引入较大的误差，图2为传统的电化学三电极测量系统测量原理示意图。因此要实现接地网碳钢材料的腐蚀电化学检测，首先要解决腐蚀电化学测量传感器的限流问题。
(2)发电厂、变电站及输电线路测量环境对测量系统的干扰问题：测试环境发电厂、变电站及输电线路中存在多而强的干扰信号以及土壤中存在的杂散电流对电化学测试技术的响应信号有很强的干扰，有时甚至完全淹没真实的信号，得到的响应信号信噪比很低，无法进行数据分析。
中国专利99109622.3公开的“发变电站接地网腐蚀及断点的诊断方法及其测量、诊断系统”、中国专利01216711.8公开的“高精度土壤腐蚀测量装置”以及中国专利申请200510012656.6公开的“发电厂、变电站大型接地网检测技术及其检测系统”可作为本实用新型的现有技术而合并于此。
实用新型内容
本实用新型提供一种电化学传感器，用以采集接地网土壤腐蚀电化学检测数据，通过电化学检测方法精确而方便的对接地网腐蚀状况进行检测。
本实用新型的技术方案是：一种电化学传感器，所述电化学传感器包括：柱状壳体，所述柱状壳体具有锥形前端，所述锥形前端的锥顶部具有限流孔；参比电极，所述参比电极设置于所述的柱状壳体内，并通过所述的限流孔检测被测金属在土壤中的腐蚀电位；辅助电极，所述辅助电极设置于所述的柱状壳体内，并与土壤、被测接地网金属构成导电回路。
本实用新型的有益效果在于：所述的电化学传感器将辅助电极封闭在柱状壳体内，极化电流只能通过限流孔流向工作电极，实现了传感器的限流作用。通过所述的电化学传感器可以有效检测接地网腐蚀电化学参数，使电化学检测技术真正的应用于接地网腐蚀检测中，进而对检测的接地网腐蚀电化学信号应用恒电流瞬态响应技术，测量了腐蚀体系的电位响应曲线，响应信号经接地网腐蚀电化学检测小波滤波后，由(电化学参数)充电曲线解析出被测接地网金属的极化电阻、土壤电阻等电化学参数，使得在不停电和不对地网开挖的情况下，简单、快捷地测得地网金属的腐蚀状态。
附图说明
图1为现有技术的测量原理图；
图2为现有技术的电化学三电极测量系统测量原理示意图；
图3是本实用新型电化学传感器具体实施方式的系统结构框图；
图4是本实用新型柱状壳体的示意图；
图5是本实用新型电化学传感器实施例的剖面图；
图6是本实用新型锥形前端实施例的剖面图；
图7是本实用新型电化学传感器实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。本实用新型电化学传感器包括：柱状壳体，所述柱状壳体具有锥形前端，所述锥形前端的锥顶部具有限流孔(如图4所示)；参比电极，所述参比电极设置于所述的柱状壳体内，并通过所述的限流孔检测被测金属在土壤中的腐蚀电位；辅助电极，所述辅助电极设置于所述的柱状壳体内，并与土壤、被测接地网金属构成导电回路。
如图5、6所示，所述柱状壳体包括：绝缘柱状壳身504、金属锥形前端509和绝缘冒503；其中，所述金属锥形前端509的锥顶部具有限流孔；所述的金属锥形前端509与所述的绝缘柱状壳身504之间为可拆卸的连接；所述的绝缘冒503与所述的绝缘柱状壳身504之间为可拆卸的连接。
所述的参比电极包括：绝缘管状腔体517，用于存放硫酸铜溶液516；渗透塞513，用于封堵所述绝缘管状腔体517的一端，所述的硫酸铜溶液516通过所述渗透塞513渗出；密闭塞506，用于封堵所述绝缘管状腔体517的另一端；铜导线508，所述铜导线508插入所述绝缘管状腔体517内的硫酸铜溶液516，并通过所述的密闭塞506引出。
所述的辅助电极包括：金属锥形电极511，该金属锥形电极511的轴向具有穿孔；辅助电极端子512；绝缘层510，用于使金属锥形电极511与金属锥形前端509绝缘；参比电极引线501，与所述的铜导线508连接；辅助电极引线502，与所述的辅助电极端子512连接。所述限流孔与渗透塞513之间具有可容纳土壤的空间。
参比电极引线501，与所述的铜导线508连接；辅助电极引线502，与所述的辅助电极端子512连接。
实施例
如图3所示，本实施例提供了具有电化学传感器的接地网腐蚀状态检测系统，其中的电化学传感器被称为小孔限流型腐蚀电化学传感器，简称小孔限流传感器。
一、小孔限流传感器包括：
1)作为锥形前端的外套(普通碳钢制)；
2)绝缘层501(聚四氟胶带)；
3)位于外套上的M2.5的螺孔(514、515)，并配相应螺钉和固定塑料管以便可拆卸的与绝缘柱状壳身504连接(也可采用螺纹连接)；
4)作为绝缘柱状壳身的内径为15mm外径为21mm的聚氯乙稀管；
5)辅助电极(1Cr13SS)；
6)参比电极(Cu/CuSO4)；
7)作为辅助电极端子的螺孔，配螺钉，以便引出辅助电极导线。
二、参比电极的制作：
将一根聚乙烯塑料管，一端用软木塞紧(或渗透陶瓷塞)，既能使管中的饱和CuSO4溶液尽量不外流又能导通良好保证电位测量的准确。塑料管中注入饱和CuSO4溶液，并放入少量CuSO4晶体保证溶液的饱和性，插入去除氧化物除油除脂的纯铜丝，塑料管的另一端用塞子塞住。
三、辅助电极的制作：
辅助电极仅起导通电流的作用，耐蚀的金属或合金都能够满足要求，如铂片和不锈钢均可作辅助电极。考虑到辅助电极(如图5、6、7所示)的形状。辅助电极的一端加工成圆台状与外套配合，圆台侧面用聚四氟胶带缠紧，防止与碳钢外套导通。另一端加工出一螺孔并配相应的螺钉固定导线做为辅助电极引线。在整个辅助电极的中心为一个通孔，以插入参比电极(如图5所示)。
四、保护外套的制作及探头成型：
如图5、6所示，作为金属锥形前端509的锥形的保护外套，其前端为限制电流的小孔，小孔直径5mm。参比电极和辅助电极装配后插入聚氯乙稀塑料管的前端，参比电极引线和辅助电极引线由塑料管内部引出。装上保护外套，用螺钉与聚氯乙稀塑料管固定。
如图3所示，将参比电极引线和辅助电极引线与恒电位仪连接，将采集的电信号传送给所述的恒电位仪，所述的恒电位仪还可连接一笔记本电脑。其中称恒电位仪能控制工作电极电势(相对于一定的参比电极)，用来测量电流对于电势的响应。可控制电势随时间按一定程序改变，从而获得各种类型的伏安曲线或电极阻抗数据。
在恒电位仪或笔记本电脑中安装小波滤波程序模块和充电曲线解析程序模块。在小孔限流传感器、恒电位仪和笔记本电脑组成的接地网腐蚀状态检测系统中，小孔限流传感器用于采集接地网土壤腐蚀电化学检测电位响应信号；恒电位仪，用于接收所述传感器传来的电化学检测电位响应信号，(控制电势随时间改变，)获得伏安曲线或电极阻抗数据；小波滤波程序，用于对采集的所述接地网土壤腐蚀电化学检测电位响应信号进行小波滤波处理；充电曲线解析程序，用于对小波滤波处理后的接地网土壤腐蚀电化学检测电位响应信号进行腐蚀电化学参数解析处理，生成接地网腐蚀解析结果。所述小孔限流传感器的极化电流通过小孔流向工作电极。所述的接地网土壤腐蚀电化学检测电位响应信号包括：腐蚀电位响应信号和恒电流瞬态测试电位响应信号。
所述的电化学传感器将辅助电极封闭在柱状壳体内，极化电流只能通过限流孔流向工作电极，实现了传感器的限流作用。通过接地网腐蚀电化学检测传感器，应用恒电流瞬态响应技术测量了腐蚀体系的电位响应曲线，响应信号经接地网腐蚀电化学检测小波滤波后，由电化学参数充电曲线解析出被测接地网金属的极化电阻、土壤电阻等电化学参数，使得在不停电和不对地网开挖的情况下，简单、快捷地测得地网金属的腐蚀状态。
以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而非用于限定本实用新型。
Claims (10)
1.一种电化学传感器，其特征是，所述电化学传感器包括：
柱状壳体，所述柱状壳体具有锥形前端，所述锥形前端的锥顶部具有限流孔；
参比电极，所述参比电极设置于所述的柱状壳体内，并通过所述的限流孔检测被测金属在土壤中的腐蚀电位；
辅助电极，所述辅助电极设置于所述的柱状壳体内，并与土壤、被测接地网金属极构成导电回路。
2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征是，所述的参比电极包括：
绝缘管状腔体，用于存放硫酸铜溶液；
渗透塞，用于封堵所述绝缘管状腔体的一端，所述的硫酸铜溶液通过所述渗透塞渗出；
密闭塞，用于封堵所述绝缘管状腔体的另一端；
铜导线，所述铜导线插入所述绝缘管状腔体内的硫酸铜溶液，并通过所述的密闭塞引出。
3.根据权利要求2所述的电化学传感器，其特征是，所述参比电极的绝缘管状腔体沿所述柱状壳体的轴向设置，且绝缘管状腔体的渗透塞一端朝向并接近所述的限流孔。
4.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征是，所述柱状壳体包括：
绝缘柱状壳身(504)、金属锥形前端(509)和绝缘冒(503)；其中，
所述金属锥形前端(509)的锥顶部具有限流孔；
所述的金属锥形前端(509)与所述的绝缘柱状壳身(504)之间为可拆卸的连接；
所述的绝缘冒(503)与所述的绝缘柱状壳身(504)之间为可拆卸的连接。
5.根据权利要求4所述的电化学传感器，其特征是，
所述的参比电极包括：绝缘管状腔体(517)，用于存放硫酸铜溶液(516)；渗透塞(513)，用于封堵所述绝缘管状腔体(517)的一端，所述的硫酸铜溶液(516)通过所述渗透塞(513)渗出；密闭塞(506)，用于封堵所述绝缘管状腔体(517)的另一端；铜导线(508)，所述铜导线(508)插入所述绝缘管状腔体(517)内的硫酸铜溶液(516)，并通过所述的密闭塞(506)引出；
所述的辅助电极包括：金属锥形电极(511)，该金属锥形电极(511)的轴向具有穿孔，且所述的参比电极插入所述的穿孔中；
辅助电极端子(512)；
绝缘层(510)，用于使金属锥形电极(511)与金属锥形前端(509)绝缘；
参比电极引线(501)，与所述的铜导线(508)连接；
辅助电极引线(502)，与所述的辅助电极端子(512)连接。
6.根据权利要求5所述的电化学传感器，其特征是，所述限流孔与渗透塞(513)之间具有可容纳土壤的空间。
7.根据权利要求5所述的电化学传感器，其特征是，所述限流孔的孔径约为5mm。
8.根据权利要求5所述的电化学传感器，其特征是，所述渗透塞为软木塞或渗透陶瓷塞。
9.根据权利要求5所述的电化学传感器，其特征是，所述绝缘管状腔体(517)为聚乙烯塑料管。
10.根据权利要求5所述的电化学传感器，其特征是，所述金属锥形前端(509)为碳钢锥形前端。
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Assignee: North China Electric Power Research Institute (Xi'an) Co., Ltd. Assignor: North China Electrical Power Research Institute LLC Contract fulfillment period: 2008.7.3 to 2013.7.2 Contract record no.: 2009610000022 Denomination of utility model: Electrochemical sensor and its prepn process and use Granted publication date: 20080604 License type: Exclusive license Record date: 20091123 |
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