（电气工程专业论文）接地网腐蚀状态检测及其寿命预测.pdf

乃er e s e a r c ho nc o r r o s i o nd e t e c t i o na n dl i f ep r e d i c t i o nf o r g r o u n d i n g g r i d s b y 洲g t a o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rp e n gm i n f a n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：未多采 e t 期：沙年，月弘e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 物磊 动敲议 e l 期：功年j - 月凇日 e l 期：刎年j - - 月阳e t 接地网数值计算与优化设计方法及其应用 摘要 接地网是发变电站不可或缺的组成部分，对于电力系统的稳定运行和站内工 作人员及设备的安全起着至关重要的作用。由于我国普遍采用碳钢作为接地网材 料，常年埋于地下后，容易发生腐蚀，致使其电气性能恶化，严重时直接危及电 网的稳定运行，因此研究接地网腐蚀检测方法，实现不断电、不开挖情况下的腐 蚀状态检测，以便及时发现故障，防患于未然，这对于保障电力系统的可靠运行 具有重要意义。 本文首先介绍了接地体在土壤中的腐蚀机理，并分析了接地网无损检测现有 方法的特点及其不足之处，在此基础上，提出了基于准稳态测量和线性极化技术 并结合小波去噪的接地网腐蚀状态检测方法。该方法通过模拟接地网导体的腐蚀， 构建其等效电路模型，采用准稳态测量技术来获取接地网导体的腐蚀速率和腐蚀 深度，以实现接地网在不同腐蚀程度下的状态检测。同时，考虑到接地网现场检 测时干扰信号多而强，采用小波滤波及硬件滤波器去除测试环境对准稳态测试响 应信号的干扰。 基于上述原理，介绍了所在课题组开发的接地网腐蚀检测系统。该系统硬件 部分采用嵌入式计算机p c i0 4 作为中央控制单元，其外围电路包括电阻测量模块、 准稳态测量模块及信号采集模块；软件部分采用c 语言作为开发语言，具体包括 信号处理、数据处理、数据管理和人机界面等多个子部分。同时，课题组还分别 在软、硬件方面进行了系统的可靠性设计。 本文进一步研究了灰色预测理论、遗传算法和b p 神经网络在接地网腐蚀速 率预测上的应用，提出了基于这三者的灰色组合预测模型，并通过具体的算例， 验证了该模型良好的预测效果。在此基础上，初步研究了接地网剩余寿命预测的 基本原理，给出了接地网剩余寿命预测的基本流程，以为接地网的日常维护提供 一定的理论参考。 关键词：接地网；腐蚀检测；准稳态测量；线性极化；腐蚀速率；腐蚀深度；剩 余寿命 硕士学位论文 a bs t r a c t g r o u n d i n gg r i d si sa l li n d i s p e n s a b l ee s t a b l i s h m e n ti np o w e rs t a t i o n sa n ds u b s t a t i o n s i t p l a y sav i t a lr o l ei nk e e p i n gs t a b l i l i t ya n ds a f e t yo fp o w e rs y s t e m , a n di ne n s u r i n gt h es e c u r i t y o fo p e r a t o r sa n dp o w e re q u i p m e n t s i no u rc o u n t r y ，c o r r o s i o no ft h eg r o u n d i n gg r i d sw h i c h a r em a d eo fs t e e lo rg a l v a n i z e ds t e e lw o u l do c c u r0 nt h ec o n d u c t o rb r a n c h e sa f t e rs e v e r a l y e a r so fo p e r a t i o n w h e ni ti ss e r i o u s ，i tw i l lm a k eg r o u n d i n gp a r a m e t e r sw o r s e n t h e nt h e s a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mw i l lb ei nd a n g e rd i r e c t l y s o ，i ti su r g e n tt od e v e l o pa m e t h o dt od e t e c tt h ec o r r o s i o ns t a t u so fg r o u n d i n g g r i d sw i t h o u te x c a v a t i o no rp o w e ro f f , t h e n t a k er e l e v a n td e f e n s i v em e a s u r e st oa v o i dt h ep o t e n t i a la c c i d e n t s b yi n t r o d u c i n gc o r r o s i o nm e c h a n i s mo fg r o u n d i n gb o d ya n da n a l y z i n gw e a k n e s s e so f e x i s t i n gg r o u n d i n gg r i dd e t e c t i n ga p p r o a c h e s ，ac o r r o s o i o nd e t e c t i o nm e t h o df o rg r o u n d i n g 鲥d si sp r o p o s e db a s e do nq u a s i s t e a d ym e a s u r e m e n t , l i n e a rp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d w a v e l e td e n o i s i n gm e t h o d e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l sa r ec o n s t r u c t e db ys i m u l a t i n gt h e c o r r o s i o no fg r o u n d i n gg r i d s ，c o r r o s i o nr a t ea n dc o r r o s i o nd e p t ho fg r i dc o n d u c t o r sa r e o b t a i n e db yu s i n gq u a s i s t e a d y - s t a t em e a s u r e m e n ta n dt h e nt h ec o r r o s i o ns t a t e so f g r o u n d i n g 鲥d sa l er e c o g n i s e d f u r t h e r m o r e ，w a v e l e tt r a n s f o r ma n dh a r d w a r ef i l t e ra l eu s e dt of i l t e rt h e i n c i d e n t a ln o i s e si nt e s ts i g n a l ss i n c et h e r ea r eam a s so fs t r o n gn o i s e si nt h et e s te n v i r o m e n t b a s e do nt h ea b o v ep r i n c i p l e ，t h ec o r r o s i o nd e t e c t i o ns y s t e md e v e l o p e db yo u rt e a mi s i n t r o d u c e d p c10 4i su s e da st h ec o r e - m o d u l eo ft h eh a r d w a r ep a r t s a n ds u b m o d u l e sc o n s i s t o fr e s i s t a n c em e a s u r e m e n tm o d u l e ，q u a s i - s t e a d y - s t a t em e a s u r e m e n tm o d u l ea n d s i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l e t h ew h o l es o f t w a r ep a r t si sd e v e l o p e db ycl a n g u a g e ，a n dc o m p o s e do f s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t am a n a g e m e n t , h u m a n - c o m p u t e ri n e f f a c ea n ds oo n m e a n w h i l e ，t h er e l i a b i l i t yd e s i g no ft h i ss y s t e mi ss t u d i e di nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，b ys t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o no fg r e yf o r e c a s t i n gt h e o r y , g e n e t i c a l g o r i t h ma n db pn e u r a ln e t w o r ki nt h ec o r r o s i o nr a t ep r e d i c t i o no fg r o u n g d i n gg r i d s ， ac o m b i n e dm o d e li sd e v e l o p e d t h ep r a c t i c a l e x a m p l er e s u l t ss h o wt h i sm o d e li s f e a s i b l ea n da c c u r a t e b a s e do nt h i s ，t h er e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o no fg r o u n g d i n gg r i d s i sp r e l i m i n a r i l ys t u d i e d ，a n dt h e nt h eb a s i cf l o wo fr e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o ni sg i v e n ， w h i c hc a np r o v i d es o m er e f e r e n c et ot h er o u t i n em a i n t e n a n c eo f g r o u n d i n gg r i d s k e yw o r d s ：g r o u n d i n gg r i d s ；c o r r o s i o nd e t e c t i o n ；q u a s i s t e a d ym e a s u r e m e n t ； l i n e a rp o l a r i z a t i o n ；c o r r o s i o nr a t e ；c o r r o s i o nd e p t h ；r e m a i n i n gl i f e i i i 接地系统数值计算方法研究及其软件开发 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 接地的目的及其重要性一1 1 2 课题研究背景及意义1 1 2 1 接地网面临的问题“1 1 2 2 接地网腐蚀检测的意义一3 1 3 国内外研究现状。4 1 3 1 腐蚀检测研究现状4 1 3 2 寿命预测研究现状5 1 4 本论文的主要研究工作6 第2 章接地网腐蚀机理及现有检测方法7 2 1 概! 述7 2 2 接地网腐蚀影响因素分析7 2 2 1 接地网导体材料7 2 2 2 土壤腐蚀8 2 3 接地网的腐蚀机理l o 2 3 1 主接地网腐蚀机理1 0 2 3 2 其他接地体腐蚀机理j ：11 2 4 现有接地网腐蚀检测方法及其分析1 2 2 4 1 电网络分析法1 2 2 4 2 电磁场检测方法1 3 2 4 3 电化学检测方法1 5 2 4 3 其他检测方法1 6 2 5 本章小结17 第3 章接地网腐蚀检测方法研究18 3 1 概j 苤o 18 3 2 接地网腐蚀检测电化学原理1 8 3 2 1 线性极化理论1 8 3 2 2 准稳态测量技术1 9 3 3 接地网腐蚀检测方法实现2 0 i v 硕士学位论文 3 - 3 1 状态传感器2 l 3 3 2 等效电路2 1 3 3 3 基本算法2 2 3 4 检测信号处理2 4 3 4 1 信号预处理2 4 3 4 1 信号滤波j 2 5 3 5 本章小结2 8 第4 章接地网腐蚀检测系统设计2 9 4 1 概述一2 9 4 2 系统总体设计2 9 4 3 系统硬件设计3 0 4 3 1 传感器单元3 0 4 3 2 中央控制单元3 2 4 3 3 外围电路3 4 4 4 系统软件设计3 8 4 4 1 软件总体设计3 8 4 4 2 软件开发与实现3 8 4 4 3 主要模块3 9 4 5 系统可靠性设计4 2 4 6 应用实例4 3 4 7 本章小结4 4 第5 章接地网腐蚀速率预测方法研究4 5 5 1 概述4 5 5 2 灰色预测理论4 5 5 2 1 数据处理4 5 5 2 2 灰色g m ( 1 ，1 ) 模型4 7 5 2 3g m ( 1 ，1 ) 模型精度检验4 8 5 3b p 神经网络4 9 5 3 1b p 网络的基本结构5 0 5 3 2b p 网络的学习过程5 0 5 3 3b p 网络的训练算法5l 5 4 遗传算法5 2 5 4 1 遗传算法原理5 2 5 4 2 遗传算法的基本流程5 3 5 4 3 遗传算法的基本要素5 4 v 接地系统数值计算方法研究及其软件开发 5 5 灰色组合预测模型5 5 5 5 1 基本思想5 5 5 5 2 组合建模5 6 5 5 2 预测流程5 7 5 6 预测实例5 8 5 7 本章小结6 l 第6 章接地网剩余寿命预测研究6 2 6 1 概述6 2 6 2 寿命预测原理及方法6 2 6 2 1 寿命预测原理6 2 6 2 2 寿命预测方法6 3 6 3 接地网剩余寿命预测模型o 。6 3 6 3 1 预测原则6 4 6 3 2 关键问题6 4 6 4 接地网材料最小允许厚度的确定6 5 6 4 1 根据热稳定性确定最小允许厚度6 5 6 4 2 根据接地故障保护确定最小允许厚度6 6 6 5 接地网剩余寿命预测流程6 6 6 6 本章小结6 7 结论6 8 参考文献7 0 附录a ( 攻读学位期间发表的学术论文目录) 7 5 附录b ( 攻读学位期间参加的科研工作及学术活动) ；- 7 6 致谢7 7 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 接地的目的及其重要性 接地是将电力系统的某点、电力设备的某些部分与大地相连接，以满足系统 正常工作及设备和人员安全的需求。接地的主要作用是及时排泄故障电流及雷电 流，以稳定电压，提供零电位参考点，从而确保电力系统、电气设备的安全运行， 同时保护工作人员的安全n 3 。按照接地功能，电力系统交流电气装置的接地可分 为三类：工作接地、保护接地和防雷接地。工作接地可以有效降低作用在电气设 备绝缘上的电压，继而明显降低设备的绝缘水平，从而达到缩小设备绝缘尺寸、 降低设备造价的目的；防雷接地是通过将接地装置与避雷器、避雷针和避雷线等 雷电防护装置相连，达到及时排泄雷电流，从而保护电力系统及人身安全的目的； 保护接地是将所有电气设备的外壳接地，当电气设备发生故障时，便可立即排泄 故障电流，保证设备外壳的电位在人体安全电压值之下，及时避免因电气设备外 壳带电而造成的触电事故嵋1 。 总的来说，接地对于电力系统安全运行起着十分关键的作用。随着现代电网 的快速发展，电压等级和系统容量在不断提高，接地故障电流亦不断增大，各种 微机监控设备的普遍应用，对接地的性能要求日益严格。国内就曾多次发生因接 地不良而引发的机组跳闸停机、主设备损坏及二次设备烧毁等事故，极大地危害 了电网的安全稳定运行。为了保证电力设备工作的可靠性，同时提高电力系统运 行的安全性，电力系统接地技术的应用必不可少。电力系统接地后，可将大地作 为接地电流回路的一个器件，使流经接地电阻产生的过电压不超过运行设备容许 的限值。在国家电网公司新颁布的二十五项重点反事故措施中，对接地进行了明 确的规定，强调所有重要设备都必须采取两点接地，如电力变压器( 尤其是变压 器中性点) 的接地一定是与接地装置的两根不同接地线分别连接。由此可见，良 好的接地对于电力系统正常运行具有极其重要的作用。 1 2 课题研究背景及意义 1 2 1 接地网面临的问题 当前，国内发变电站接地网材料普遍采用的是扁钢或者镀锌钢，常年埋于地 下时，因土壤的腐蚀、接地短路电流点动力作用等众多原因，容易发生腐蚀，甚 至断裂，从而导致接地网导体截面减小、热稳定性不够、接地电阻增大，尤其是 在腐蚀性较强的土壤，如盐碱地，这种地网腐蚀现象特别严重。 接地网腐蚀状态检测及其寿命预测 图1 1 发生腐蚀的接地网导体 表1 1 广东省部分变电站接地网腐蚀情况 变电站名称运行时间( 年) 原截面( m m 2 )腐蚀率( m m 2 年) 及腐蚀状况 国外的调查研究表明，在腐蚀性较强的土壤中，接地网导体的年腐蚀率可达 2 o m m ，腐蚀性特强的土壤中可达3 4 m m ，腐蚀性极强的土壤中可达8 o m m 阳】。 在我国，接地网的腐蚀也十分严重。根据广东省中试所对接地网腐蚀情况的调查， 在1 9 8 1 1 9 8 5 年运行1 0 年及以上的变电所中，开挖检查发现有6 1 个接地网有不 同程度的腐蚀。其中运行1 6 年的变电站接地网扁钢被腐蚀掉8 0 ，且有十多处 断裂；运行2 1 年的接地网圆钢完全被腐蚀成细条状。表1 1 、表1 2 分别显示了 广东省和陕西省部分变电站接地网的腐蚀情况。 硕士学位论文 由此可见，我国接地网面临的腐蚀问题非常突出。一旦发变电站发生腐蚀等 接地故障，可能会引发较大的安全事故，从而带来不可估量的经济损失和社会影 响。因此，对接地网腐蚀状态进行日常检测，及时发现问题并采取相应维护措施， 才能有效避免安全事故的发生。 1 2 2 接地网腐蚀检测的意义 接地网是发、变电站电力系统的重要组成部分，它必须在正常及事故状态下 具备以下两个主要功能：及时排泄故障电流，以确保设备正常运行；将跨步 电压差和接触电压差限制在人体容许的安全范围内，以保护人身安全。但由于接 地网埋于地下，在土壤的腐蚀作用下，其导体或地下引线将会变细甚至断裂，致 使接地网的接地性能变坏，接地电阻过大，当系统发生接地短路故障时，较大的 入地电流会造成接地网电位异常升高或分布不均，对工作人员人身安全构成威胁； 同时反击电流可能破坏二次设备的绝缘系统，严重时甚至破坏监控设备从而扩大 事故，造成无法估量的损失和影响。 我国就曾多次发生因接地网故障而引发的电力系统事故，给国家带来了巨大 的经济损失和社会影响。表1 3 显示了近些年我国发生的一些接地网事故，从中可 知，接地网的故障已成为电力系统安全运行的重大隐患，及时检测接地网的腐蚀 状况及断点情况已是电力部门的一项重大反事故措施。但接地网导体常埋于土壤 中，具有较强的隐蔽性，目前实际工程中对接地网性能好坏的检测一般由接地电 阻的大小来间接判断。该方法无法了解接地网的腐蚀情况，若等到发现接地电阻 不合格或引发接地事故后，再进行大面积的开挖来检查接地网的腐蚀及断点情况， 不但效果较差，且费时费力，还会影响发变电站的运行。 表1 3 部分接地网事故历史记录表 鉴于此，国内众多专家学者对接地网的腐蚀检测进行了深入研究，力图在发 接地网腐蚀状态检测及其寿命预测 变电站不停电和不开挖的情况下，实现对接地网腐蚀状态的检测，从而准确掌握 接地网的运行状况，及时发现故障隐患并采取相应措施，防止由于接地不良造成 的危害。这项研究对保障电力系统运行的安全、工作人员的人身安全和企业设备 财产的安全具有重要意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 腐蚀检测研究现状 目前，国外发达国家广泛采用i e e es t d8 0 2 0 0 0 “i e e eg u i d ef o rs a f e t yi n a c s u b s t a t i o ng r o u n d i n g ”标准进行接地网设计，铜及铜包钢材料使用比较普遍，腐蚀 问题不太严重，关于接地网腐蚀程度检测方法和检测仪器的文献报道较少。但美 国科罗拉多州立大学的p a n a k a jk s e n 等学者利用美国国家标准局1 2 年中对4 4 种不同土壤腐蚀的试验数据，计算得到了钢在土壤中的腐蚀速率公式： y = 3 3 6 - 9 6 3 ( 1 0 q ) ( 五) + 0 2 9 ( x 2 ) + 0 0 3 4 ( x 3 ) 4 - o 0 1 2 ( x 4 ) ( 1 1 ) 其中，】，、五、五、墨和五分别表示腐蚀速度( m i l s y r ) 、土壤电阻率( q - e r a ) 、 p h 值、含水量( ) 和含气量( ) 。同时，他们指出了采用钢作为接地网材料时应 当使用的阴极保护方法，如牺牲阳极法和强制电流法。 国内的接地网设计采用电力行业标准d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地， 通常使用普通碳钢或者镀锌钢，因此腐蚀现象较为突出。而常规的腐蚀检测方法 主要通过测量接地电阻、测量接地引线直流电阻并结合局部开挖检查其腐蚀状况 来实现。整个检测过程复杂，检测设备笨重，费时费力且不便于定期检测，无法 及时对接地网状态作出分析与评估3 。鉴于此，近年来国内不少机构和学者对接 地网腐蚀检测进行了深入研究。在各方的共同努力下，接地网检测技术已在理论 上取得了很大的进步，现在还处于不断发展中，其中具有代表性的方法有以下几 种1 6 3 们： 清华大学的何金良、曾嵘等人提出了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( 专利号：9 9 1 0 9 6 2 2 3 ) 阳j 3 。该方法将接地网等效为纯电阻 网络，每一段导体代表一个电阻，通过地下引线向接地网注入电流或电压并采集 相应端口数据，计算可得两接地引线间的端口电阻，再将端口电阻和接地网的拓 扑结构输入诊断分析软件得到各段导体的电阻值，最后将该电阻值与完好时的电 阻值进行比较便可得到接地网导体的腐蚀程度及断点情况。该方法依赖于接地网 导体电阻的测量，会受到地下引下线具体位置和数量的限制，并且检测过程中需 要专业人员实时调整测量节点，进行多次测量，因此不便于实际的推广应用。 华北电力大学崔翔、刘洋、张波等人将电磁感应理论应用于接地网的断点诊 断，并通过数值计算、矩阵理论及电路理论的结合，在仿真计算的基础上开发了 硕士学位论文 变电站接地网断点诊断系统随叫们。该方法通过地下引线向接地网注入较大电流， 由于电磁感应，接地网导体会在地表形成磁场，若导体严重腐蚀或断裂，其所形 成的地表磁感应强度将明显异常，因此可利用特制的探测线圈对地表磁感应强度 进行探测，进而判断其断点情况。检测过程中，该方法需要操作人员按一定方向 移动探测线圈并观察记录测量信号，这对操作人员的专业素质提出了较高的要求， 同时，接地网周围存在的强磁场会对检测产生一定程度的干扰，从而影响该方法 的诊断准确性。 华北电科院的张秀丽、天津大学的韩磊等人应用电化学测试技术中的恒电流 充电曲线方法对接地网的腐蚀进行了现场原位检测，并开发了相应的腐蚀检测系 统1 幻。该方法对腐蚀体系施加恒定阶跃电流，同时记录极化电位随时间的变化 曲线，通过分析软件解析出充电曲线得到极化电阻，最后比较极化电阻值便可判 断地网的腐蚀情况。该方法对于非地下引下线处的接地网导体的腐蚀检测还未进 行探讨。本项目组对此也进行了深入研究，提出了一种应用准稳态测量和小波变 换的接地网腐蚀检测电化学方法，详细内容将在后续章节叙述。 除此之外，重庆大学的陈先禄、刘渝根等研究了中大型接地网的优化诊断， 采用模糊诊断方法对典发1 1 0 k v ，邮亭2 2 0 k v ，人和2 2 0 k v 变电站进行了现场 实测，取得了一定的效果；西安科技大学、西安交通大学、武汉大学、华北电力 大学等高校和科研单位在接地网腐蚀检测方法上进行了许多探索和研究n 3 2 引。运 用不同的诊断模型及算法，如分层简约模型、单纯形算法、禁忌搜索算法、参数 识别法等对接地网的腐蚀诊断进行了分析，并对如何进行接地网的改造和防腐提 出了很多宝贵的意见和建议心量 3 。 1 3 2 寿命预测研究现状 寿命预测是指通过分析计算、物理检验、非破坏金相检查和力学性能试验等 方法分析预测设备在规定的运行工况下能够完全运行多长时间。它又包括早期寿 命预测和中晚期寿命预测两部分。早期的寿命预测主要通过理论上的分析计算来 确定设备的设计寿命；中晚期寿命预测是指通过其运行历史的分析、无损探伤、 断裂力学计算以及其他直接和间接的寿命预测技术，评估设备还能继续安全运行 的时间3 羽。 接地网的寿命预测主要是对接地网的中晚期寿命进行预测，也就是根据接地 网现在的运行状态、腐蚀劣化规律及其他影响和决定因素，通过对接地网的腐蚀 状态检测获得腐蚀速率、腐蚀深度等信息，然后经过科学、全面综合的分析，掌 握接地网的当前状况及寿命期望值，同时得出对接地网进行维修和更换的最佳时 期。这对于避免因接地故障而导致的重大安全事故和节约接地网维修成本等方面 具有较强的使用价值。 接地网腐蚀状态检测及其寿命预测 美国的g e 公司于l9 9 6 年首次提出了基于诊断技术的寿命预测概念，使得电 力设备维护上升到了一个新层次。我国的电力设备寿命预测工作虽然已经开展了 好些年，但仍处于初级阶段，且仅限于个别领域或个别设备，如电力变压器、水 轮机、烟气轮机等。常用的方法有故障树分析法、基于专家系统的方法、基于模 糊推理的方法及人工神经网络等。而对于接地网的寿命预测，国内外尚未有相关 的研究成果。 1 4 本论文的主要研究工作 本文在分析接地网在土壤中的腐蚀机理及其现有腐蚀检测方法的基础上，研 究电化学方法在接地网腐蚀检测中的应用，提出基于准稳态测量技术和小波变换 的腐蚀检测方法；研究灰色预测、神经网络及遗传算法等理论在接地网导体腐蚀 速率预测上的应用，提出基于上述三种方法的灰色组合预测模型，并以此为基础， 初步探究接地网剩余寿命预测方法，给出基本的预测流程。同时，介绍了所在课 题组开发的基于准稳态测量技术的接地网腐蚀检测系统。本文各章节具体研究内 容如下： 第1 章：对接地网腐蚀状态检测和剩余寿命预测的意义及其国内外研究现状 等方面进行较全面的论述，明确本文的研究对象，提出本文的研究内容。 第2 章：介绍接地网导体材料及土壤腐蚀等因素对接地网在土壤中腐蚀的影 响，并进一步揭示接地网的腐蚀机理，然后详细介绍现有的几种接地网腐蚀检测 方法。 第3 章：本章深入研究准稳态测量技术和线性极化理论在接地网腐蚀检测中 的应用，针对接地网现场检测的实际情况建立数学模型和电路模型，研究去除现 场干扰的措施，进而提出接地网腐蚀检测的原理与方法。 第4 章：本章将详细介绍所在项目组开发的接地网腐蚀检测系统，该系统硬 件部分采用嵌入式计算机p c i 0 4 作为中央控制单元，软件部分采用c 语言作为开 发语言。同时，对系统的可靠性设计进行探讨，并通过具体实例对本文所提检测 方法的可行性及检测系统的准确性和可靠性进行验证。 第5 章：介绍灰色预测理论、b p 神经网络和遗传算法的工作原理，在此基础 上，针对接地网腐蚀速率数据的特点，研究灰色组合预测模型，结合具体的算例， 验证该模型对接地网腐蚀速率预测结果的准确度和可靠性。 第6 章：初步探究接地网剩余寿命预测的原理及其实现方案，给出整个寿命 预测的基本流程。 结论：全面地总结本文的主要研究工作，并提出存在的一些疑难点及进一步 的研究方向。 硕士学位论文 第2 章接地网腐蚀机理及现有检测方法 2 1 概述 接地网是保障发变电站安全可靠运行，保护工作人员和电气设备安全的重要 设施，其接地性能一直受到生产运行部门的高度重视。随着现代电网的发展，电 压等级不断提高，电网容量不断加大，接地电流亦不断增大，在此情况下，接地 网保持良好的工作性能至关重要。近些年来，随着接地网运行年限的增加，国内 接地网腐蚀断裂的现象越来越严重，由接地故障引发的电力安全事故时有发生。 鉴于此，国内很多学者从接地网的设计j 选材、土壤腐蚀及腐蚀检测等各个方面 对接地网进行了全面的研究，并取得了不少积极成果。 本章介绍接地网导体材料、土壤成分等因素对接地网腐蚀的影响以及主接地 网及接地引线等在土壤中的腐蚀机理，在此基础上，分析探讨目前常用的接地网 腐蚀检测方法，为下一章的研究奠定理论基础。 2 2 接地网腐蚀影响因素分析 2 2 1 接地网导体材料 土壤的电化学特性非常复杂，不同金属在土壤中受腐蚀因素影响的程度差别 很大，因此，接地网导体材料直接决定了接地网的腐蚀程度。目前，国内外使用 的接地装置材料大致有以下几种口朝： ( 1 ) 铜导体 裸铜是欧美等发达国家常用的接地导体材料，我国这两年也有逐渐采用铜做 接地( 核电站为国内最早采用) 的趋势。铜导体具有良好的导电性，并且相对于 其他可能埋于地下的金属来说，铜是阴极，因此具有很好的耐腐蚀性。绝缘铜主 要用于电缆导体的接地，但其热容量比裸钢要小。但值得注意的是，铜接地网可 能会与埋设的钢结构、管道以及电缆护层的铅基合金等形成原电池，这将加重这 些金属的腐蚀。 ( 2 ) 钢导体 由于资源、经济等原因，钢是国内普遍使用的接地网导体材料。当然，在北 美以外的地区，钢也常用作户内的接地导体。作为接地网材料，钢可以消除上面 提及的铜导体的副作用，但其电导率比铜低，使用时要求具有较大的截面。钢导 体在土壤中容易发生腐蚀现象，因此典型的用法是采用镀锌钢或其他耐腐蚀的钢， 与阴极保护共同使用。 接地网腐蚀状态检测及其寿命预测 ( 3 ) 电镀铜的钢导体。 目前国际上采用特殊工艺制成的电镀铜的钢导体被广泛用作杆塔接地装置以 及变电站的垂直接地极。电镀铜的钢导体具有造价低、耐腐蚀性等特点，但其加 工工艺要求较高，现今只有为数不多的几家公司能达到这一要求。 关于不同接地装置在土壤中所受的腐蚀情况，美国加利福尼亚国家海军土木 工程试验室在2 0 世纪6 0 年代早期与n a c e 合作开展了为期7 年的接地棒现场测试 研究工作。研究的对象为耐腐蚀、容易施工、对临近金属物腐蚀的接地棒。表2 1 显示了不同材料接地体埋在土壤中不同时间的腐蚀数据阳们。 表2 1 不同材料接地体的腐蚀数据 5 年后测得数据 2 2 2 土壤腐蚀 土壤是一种比较特殊的电解质，由土壤颗粒以及水和存在于土壤颗粒缝隙间 的空气组成，其结构和性质具有极大的不均匀性。当金属与不同性质的土壤接触 时，金属与土壤截面上就会形成产生不同的界面电位，金属的不同部位就存在电 位差，并通过土壤形成回路，构成腐蚀电池。因此，凡是能影响土壤中金属电位、 土壤导电性和极化电阻等各种土壤物理化学性质的因素都能直接或间接影响土壤 的腐蚀性。这些因素主要有阳朝： ( 1 ) 土壤的孔隙度 从理论上说，较大的孔隙度有利于氧渗透和水分的储存，从而促进腐蚀的发 生。但必须考虑的是，在透气性良好的土壤中也更容易生成具有保护能力的腐蚀 产物层，阻碍金属的阳极溶解，从而减慢腐蚀速率。因此不能肯定的说良好的透 气性将加速金属的腐蚀。造成这种复杂情况的原因在于氧浓差电池，微生物腐蚀 等因素的影响。在氧浓差电池的作用下，透气性差的的区域将成严重腐蚀区。 硕士学位论文 ( 2 ) 土壤的含水量 土壤含水量对钢铁的电极电位、土壤导体和极化电阻均有一定影响，此外它 还将明显影响氧化还原电位、土壤溶液离子的数量和活度及微生物的状态。总的 来说，土壤中的含水量对腐蚀的影响很大，虽然水分不直接参与腐蚀的基本过程， 但它几乎影响其他所有的涉及土壤腐蚀的因素，从而间接影响土壤的腐蚀。一般 情况下，当土壤水分未饱和时，含水量越多，金属的腐蚀速度越快；但如果土壤 的水分完全饱和时，则金属的腐蚀也难以发生。 ( 3 ) 土壤的电阻率 土壤电阻率是目前研究最多的一个重要影响因素，它既是土壤导电性能的指 标，也是土壤介质导电能力的反映，但它决不能等同于土壤腐蚀性。如果在地下 金属腐蚀过程中起主导作用的是宏观腐蚀电池，尤其当腐蚀中的阴阳两极距离相 隔较远时，那么此时土壤电阻率起主要作用；如果起主导作用的是微观腐蚀，阴 阳两极处于同一位置，此时两者之间的土壤电阻是完全可以忽略不计的，起主要 作用的是另外的影响因素。当然在大多数情况下，土壤的腐蚀性可用土壤的电阻 率来衡量，电阻率越小，腐蚀性越强，表2 2 显示了土壤电阻率与土壤腐蚀性程 度的关系们。 表2 2 土壤电阻率与腐蚀的关系 表2 3 土壤p h 值与腐蚀性的对应关系 土壤p h 值 土壤腐蚀程度 极低 低 中等 高 ( 4 ) 土壤的p h 值 在土壤溶液中，氢离子总与土壤的组成成分之间处于一种化学平衡，因此土 壤的p h 值可用来用来表示土壤的酸碱性。一般情况下，p h 值较低的土壤，将显 示较强的腐蚀性，从而引起腐蚀电位升高，腐蚀电流上升，腐蚀速率加快，氢的 去极化速度也明显提高。当在某些特殊情况下，如土壤中含有大量的有机酸时， 其p h 值虽然接近中性，但其腐蚀性依然很强。试验表明，p h 值对钢铁的电极电 0 0 5 5 & l 置 & m 5 5 7 5 4 接地网腐蚀状态检测及其寿命预测 位的影响是比较复杂的，p h 值与土壤的导电性也有一定关系。通常情况下的土壤 p h 值与土壤腐蚀性的对应关系如表2 3 所示。 2 3 接地网的腐蚀机理 2 3 1 主接地网腐蚀机理 主接地网埋入发变电站土壤中后，受土壤颗粒间存在的空气、水分和盐分等 物质的影响，将发生化学或电化学腐蚀反应。腐蚀反应后的产物以锈层形式发展， 逐渐成为层状，最终完全脱离接地网。不同土壤的腐蚀性相差很大，但主接地网 在土壤中的腐蚀属于一般的电化学腐蚀，具体包括微电池腐蚀、宏电池腐蚀、由 杂散电流引起的腐蚀及由微生物引起的腐蚀。 2 3 1 1 微电池腐蚀 由于土壤中的水饱和程度等因素的不同，土壤中主接地网扁钢导体表面的不 同部位之间将会出现电位差，从而形成腐蚀电池。若腐蚀电池中阴阳两极相距仅 数毫米或数微米，则称为微电池腐蚀。这种腐蚀形式对主接地网的影响较小，主 要由接地网金属成分和结构不均匀等因素引起。