高压电网大气腐蚀在线监测技术进展

于金山，万闪，赵鹏，缪春晖，陈国宏，董泽华

（1. 国网天津电力有限公司电力科学研究院，天津 130088；2. 华中科技大学 化学与化工学院 材料服役失效湖北省重点实验室，武汉 430074；3. 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230088）

高压电网作为重要的能源输送走廊，其稳定运行对于国家经济安全与社会稳定至关重要。然而包括架空电线、铁塔、金具、变压器以及接地网等电力设备广泛受到大气、土壤和海水的腐蚀，特别是变电站大都建在人口密集、空气污染较重的工业城市，极易导致电力设备的大气腐蚀[1]。电力设备的金属材料一般由导电性较好的金属材料（如Cu、Al、Ag、Fe、Zn等）构成，考虑到供电设备的导电部件对导电性和散热性要求较高，一般无法使用外敷式涂料对其进行防腐，因而电力设备中的金属材料对大气腐蚀尤为敏感。此外，电力控制系统中的接插件和电路板等，其中Cu、Ag、Sn等电子材料的腐蚀可能会造成电路短路或断路，导致变电站严重故障[2]。

暴露于大气环境中的金属表面会自发吸附水分子，并形成一层数微米到数十微米的薄液膜，而大气中的污染粒子（如NaCl、SO2、SO3和NOx等）溶解其中，便形成导电薄液膜。也就是说，金属的大气腐蚀本质上是薄液膜下电化学腐蚀。此外，强电磁场、雷击和短路电流会导致金具触点烧蚀。金属表面薄液膜的形成与大气相对湿度具有较高的相关性[3]，一般将大气腐蚀速率显著增加时的相对湿度数值称之为临界相对湿度。由于不同金属材料的表面功涵（Working function）不同，其临界相对湿度也不一样。碳钢临界相对湿度一般为 70%左右[4]，当相对湿度低于该值时，大气腐蚀比较轻微，反之大气腐蚀显著增加。此外降雨增加了当地的相对湿度，使腐蚀效应相应增加，特别是污染地区雨水融入大气污染物，会促进金属腐蚀。当金属表面粘附有灰尘颗粒或其他污染物时，会显著降低凝露或液膜形成的临界相对湿度。如 MgCl2盐粒的临界潮解湿度为42%，NaCl为76%。高吸湿性盐分的吸附，会导致低相对湿度下，金属表面也形成含盐薄液膜，促进金属大气腐蚀。

1 腐蚀在线监测

腐蚀在线监测是指在不影响设备正常运行的情况下，连续对金属材料的腐蚀状态进行测量。它能实时监测材料的腐蚀进程，揭示腐蚀发展规律，从而能迅速判断设备的腐蚀状况，防止重大事故的发生。因此，要提高电力设备故障的预警能力，必须采用腐蚀监测手段，对电力设备在大气环境中的真实腐蚀状况进行实时测量，对可能导致电力系统腐蚀失效的状态，作出早期预警，及时采取防范和控制措施，降低事故发生的概率。准确的腐蚀在线监测可为电力设备关键组件的预防性更换和视情维修提供重要参考。

我国的大气腐蚀研究起于20世纪60年代。主要是在大气腐蚀监测站内进行长期大气暴晒试验，并采用定期取片和失重法来研究金属材料的大气腐蚀速率。失重法耗时长，过程繁琐，不适合在线监测，但优点是数据可靠。近年来，大气腐蚀在线监测方法得到快速发展，包括电偶腐蚀电池[5]、电化学阻抗[6]、薄膜电阻探针[7]、交流导纳技术和石英晶体微天平[8]等腐蚀监测方法。

1.1 电偶腐蚀电池

电偶腐蚀电池（Galvanic Corrosion Cell，GCC）是基于腐蚀电化学中电偶腐蚀原理设计，由不同材质（如Cu、Fe、Ag等）多片交替排列的双电极构成[9]，是一种较为典型的大气腐蚀监测（Atmospheric Corrosion Measurement，ACM）装置。电偶电极对一般采用梳齿型设计，二者紧密咬合，但又彼此绝缘，常见的梳齿电极腐蚀传感器如图1所示。在大气吸附薄液膜下，异种金属电极片之间形成电偶电流，通过高灵敏度的零阻电流计测量这种微弱电流，并计算电偶电流随时间的积分电量，从而得到腐蚀相关量。然后将上述得到的腐蚀数据与气象及环境污染数据相结合，统计分析环境因子与环境腐蚀程度的相关性，从而评判大气环境的腐蚀性。章兴德[10]用 GCC型（Fe/Ag）腐蚀传感器研究了海洋大气环境的腐蚀性。该传感器监测了Fe/Ag电偶电极上铁的腐蚀行为，并通过该传感器测得盐粒质量和湿度频率之间的数据关系。

图1 典型GCC梳齿电极腐蚀传感器以及零阻测量电路Fig.1 Typical GCC comb electrode corrosion sensors and zero resistance measurement circuit

GCC虽可以实时在线监测金属的腐蚀情况，但由于电偶腐蚀的两电极在测试过程中处于极化状态，而非自然状态，因此上述测得的腐蚀电流并不能直接代表腐蚀速率，只能用来评价大气环境的腐蚀性。此外，由于昼夜温差和环境湿度的变化，使梳齿电极之间的薄液膜呈现不连续状，如图 2a所示。常规大气腐蚀监测均采用电偶电流或者线性极化原理，测量结果极度依赖表面液膜的连续性。在 RH＜80%的环境中，由于梳齿电极间的薄液膜呈岛式分布，并不能形成连续导电通路，因此低湿大气下测量的电偶电流几乎为0，导致大气腐蚀测量结果出现严重偏差。实际上，基于电偶电流的GCC装置只适用于电极间存在连续导电液膜的高湿或高污染大气环境，如图2b所示。

图2 梳齿双电极表面吸附薄液膜的形成过程Fig.2 Formation process of thin liquid film adsorbed on comb double electrode surface: a) discontinuous conductive liquid film; b) continuous conductive liquid film

1.2 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱（EIS）通过对研究电极施加一个小幅度的交流电位扰动，得到相应的电流响应，进而采用相关积分算法来计算不同频率下阻抗的实部与虚部[11]，通过频率扫描来获取电极界面的腐蚀电化学信息。近年来，电化学阻抗方法因具有对测试系统扰动小，测量频率范围宽等特点，广泛应用于腐蚀研究领域[12-15]。用于大气腐蚀监测时，该技术一般选用同材质的双电极，且两电极间的交液线一般较长，可反映金属材料表面的润湿时间和腐蚀程度。完整的EIS测量频率过宽，时间较长，尤其是低频区测量容易受到外部电磁干扰的影响，不利于快速测量大气腐蚀速率，因而一般采用定频来测量电极间的电化学阻抗[16-17]。

Pan等[18]利用EIS原位监测了铜在模拟沿海工业大气中的腐蚀速率，并结合微观分析手段综合分析了模拟工业大气的腐蚀性。Li等[19]研究了不同湿度下海洋大气对碳钢的腐蚀性。EIS数据表明，湿度越高，海洋大气的腐蚀性越强，且该实验得出的湿度与对应阻抗谱之间的数据关系可作为评价大气腐蚀程度的参考指标。

EIS测量一般需要在电极表面存在连续导电薄液膜的条件下进行[20]，然而在低湿度条件下，电极表面难以形成连续薄液膜。此时测得的EIS，尤其是低频阻抗只与仪器的输入阻抗有关，基于该测量值所计算的极化电阻倒数与真实腐蚀速率相差较大。可见，基于电化学原理（电偶或极化）的传感器必须在电极表面存在连续液膜时才具有可信度。低湿大气环境下，电化学测量值与真实大气腐蚀速率有较大差距。

1.3 薄膜电阻传感器

薄膜电阻（TER）传感器的本质是一种金属箔条或者细丝，因大气腐蚀导致金属截面厚度减薄，引起金属导体电阻增加，通过精密测量电阻随时间的变化量，再基于欧姆定律可反推出厚度或直径变化，进而计算金属箔或丝的腐蚀速率或腐蚀量。电阻探针技术因原理简单，适用于油、气、水等各种腐蚀介质的优点，广泛应用于腐蚀监测的各个领域[21-25]。

TER传感器由两个串联的同材质金属箔片构成：一个箔片暴露于大气环境中，作为测量臂，记录截面腐蚀引起的阻抗变化；另一个表面用防护漆进行掩埋，作为参考臂，对温度引起的电阻变化进行补偿，如图3所示。

图3 薄膜电阻探针传感器和相应的监测电路原理Fig.3 Membrane resistance probe sensors and corresponding monitoring circuit principle

腐蚀深度可由式（1）进行计算：

式中：Tinit为参考臂的初始厚度；Rref(t)和Rsens(t)分别为测量臂和参考臂在时刻 t的电阻值；Rref,init、Rsens,init分别为测量臂和参考臂的最初电阻；h为金属箔的腐蚀深度。

腐蚀监测工程中，如海上风机塔筒、大型计算机房和电气设备间的空气腐蚀监测，可以采用高灵敏度的精密电阻腐蚀监测仪来实现。该设备采用电池供电，内置温度补偿电路，可以对Cu、Ag和Fe等多种金属材料的大气腐蚀进行精确测量，分辨率可以达到纳米级减薄率。不同盐粒沉积量下，铜箔电阻传感器在35 ℃、90%相对湿度下的大气腐蚀如图4所示。由图4可知，当铜箔表面无盐粒沉积时，即使在高湿度（RH为90%）下，铜基本不发生腐蚀，腐蚀速率仅为0.2 μm/a。一旦铜表面被盐粒污染时，前期腐蚀速率会急剧增大到 16 μm/a，然后缓慢下降，后期趋于一个定值。这是因为盐粒在RH为90%下，会发生潮解，生成薄液膜，加速铜的腐蚀。由于腐蚀产物的不断积累，对底层铜形成保护，故后期腐蚀速率会逐渐降低。

图4 盐粒沉降对铜箔腐蚀量和腐蚀速率的影响曲线Fig.4 Effect curve of corrosion and corrosion rate of copper foil by grain sedimentation

TER传感器是一种基于物理方法来测量腐蚀程度的技术，能广泛应用于各种腐蚀环境中，且得到的数据稳定可靠。相比电化学方法，更能真实地反映大气腐蚀状态[21,26]。由于 TER测量的仅仅只是一种物理响应，与金属表面电化学过程无关，无法揭示电化学信息，也无法有效监测局部腐蚀。在特殊情况下，如果金属表面的腐蚀产物是导电体，会导致腐蚀测量结果偏高。

1.4 石英晶体微天平

石英晶体微天平（QCM）是一种基于压电谐振原理来记录石英晶体谐振频率变化的传感器。对石英晶片施加交变电场时，晶片就会产生机械变形。反之，若对石英晶片施加机械压力时，则会在石英晶片相应方向上产生相应的电场，这种现象称为压电效应[27]。一般情况下，石英晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常微小，只有在外加交变电压的频率与石英晶体的固有震荡频率一致时，才会诱导共振而增强振幅，这就是压电谐振，此频率称为谐振频率。20世纪50年代，Sauerbrey[28]导出了石英晶体谐振频率变化Δf与晶片表面沉积质量变化Δm的关系：

式中：Δf为石英晶片振动频率的改变量，又称频移，Hz；Δm为晶片表面刚性沉积物质量的变化量，g；A为晶片的表观面积，cm2；f0为晶片的基频，MHz。该式表明质量变化与谐振频率之间呈线性关系，这也是QCM测量金属大气腐蚀的基本原理。

当 QCM 晶片表面的金属膜因氧化而质量增加时，就会造成晶体振荡器的共振频率下降，通过高分辨的频率计数器，可以测量晶体表面的质量变化。QCM具有极高的灵敏度，响应时间可以缩短到秒级，因此可原位在线监测大气环境中金属表面腐蚀产物质量的变化，有助于研究大气环境下金属的腐蚀动力学规律。

作为大气腐蚀监测传感器，QCM 也有其固有缺陷。例如，用于监测大气腐蚀前，需将被研究的金属（如Cu、Ag、Sn等）预镀在晶片上，目前使用较广的方法是蒸镀或电镀。然而有些金属不能通过上述方法镀在晶片上，这在很大程度上限制了QCM的使用。另外，镀在晶片上的金属薄膜已改变其原始状态，与真实服役的金属材料的受力状态和金相组织等完全不同。因此其测量结果与真实大气腐蚀也有较大区别，必须对QCM的测试结果作出一些修正。此外，QCM 对水汽凝结、大气颗粒沉积和污染气体吸附很敏感，这些因素也会导致晶片表面质量增加，造成腐蚀速率计算错误。

1.5 电化学噪声监测

除了上述大气腐蚀监测技术以外，近年来电化学噪声测量（Electrochemical Noise Measurement，ENM）也被用来在线监测大气腐蚀。ENM 是一种原位无损的腐蚀监测方法[29]，其传感器也可采用与电偶腐蚀电池类似的梳齿电极。ENM无需外加三角波、方波或正弦波扰动，只需要通过电压跟随器和零阻电流计实时记录薄液膜下梳齿电极之间因腐蚀而产生的电位与电流波动，最后通过噪声分析来确定腐蚀类型，计算腐蚀速率[30]。由于是无扰测量，ENM能真实反应材料的腐蚀状态，尤其是点蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀，因此ENM近年来受到了广泛重视。

关于ENM分析方法，目前主要包括时域统计分析、频域分析和小波分析。其中时域统计（如噪声电阻）应用最为广泛[31]，但用于计算腐蚀速率时，仍然受到诸多因素干扰，导致准确度不高。频域分析（如功率谱分析和谱噪声电阻Rsn计算）受低频漂移影响大，导致高频部分的信息受到污染，计算误差增大。小波分析通过将原始噪声在不同小波尺度上进行分解，可以反映局部腐蚀细节[32]，但用于大气腐蚀监测时，难以提取出统一的腐蚀评价指标。

尽管ENM方法较简单，但容易受到外界环境的干扰，很多监测到的信号并不是来自大气腐蚀电极。尤其是当梳齿电极传感器表面形成不连续薄液膜时，电极对之间的高阻抗会如天线一样，将大量的外部电磁干扰耦合到测量仪器中，造成噪声信号严重畸变，这也增加了ENM应用于现场大气腐蚀监测的难度[33]。

2 架空线腐蚀监测技术

架空地线是输电线路的重要组成部分，其耐腐蚀性能是影响电网安全、稳定、可靠运行的重要因素。在我国沿海和工业密集区，空气中的SO2、NO2和CO2浓度逐步上升，形成腐蚀性强的酸雨，加上沿海大气盐粒沉降都会迅速消耗掉架空钢绞线表面的镀锌层，加速钢绞线的腐蚀。此外，强电磁场、雷击和短路电流会导致金具触点烧蚀。大气腐蚀和过流烧蚀二者共同作用，再加上强风的周期性拉应力，会加速钢绞线腐蚀疲劳断裂[34]，引发跳闸故障。

当前各大电力公司都加大了铝合金绞线、铝包钢芯铝绞线、光纤复合架空地线等新产品的应用，努力提高架空地线的耐蚀等级，实现全寿命周期成本控制。然而，对于架空地线故障，很难做到预先评估，往往只能等到地线坠落才能发现，这给供电安全带来很大困扰。

当前用于在线巡检钢绞线腐蚀程度的方法不多，主要通过望远镜或者无人机视觉观测表面锈蚀状态，因此测量结果并不准确。架空钢绞线具有金属的趋肤效应，在高频（1～100 kHz）正弦波信号激励下，交流电仅沿钢绞线表层传输，因此对表面状态如腐蚀程度、腐蚀产物堆积量极为敏感。腐蚀减薄会增加架空线的内电感，在导纳-频率谱上形成导纳峰。随着腐蚀程度的加深，地线的平均直径下降，导致虚导纳峰位向高频移动，且相对于地线的直流电阻变化，虚导纳峰的移动幅度有着数量级上的优势，因此虚导纳法具有较强的可观测性和可操作性。通过测量一段地线的虚导纳峰位相应的频点，并与新架空线进行对比，可以判断出地线的腐蚀程度，计算出架空地线的平均剩余直径。

采用频谱扫描测量的某段长10 m的φ6 mm实验架空线的实部与虚部导纳值随频率的变化曲线如图5所示。可见架空线锈蚀后，同频率下，相比新架空线，导纳虚部 "G的绝对值有所下降，尤其是在中频区100～1000 Hz。这可能是因为架空线因腐蚀导致截面积减小后，使导线的交流电阻和内电感增加所致。根据一定长度的导线电感计算公式（3），对于长度为l，直径为d，磁导率为μ=μ0的导线，其内电感为[35]：

导线的虚导纳 G " = 1/jω L0，因此根据图5b中的虚导纳频率图，可以计算出导线的电感量L0，进而根据公式（3）计算出导线的剩余直径d。

对于现场架空线的腐蚀监测，可以采用两台架空线行走装置分别作为两个移动夹持点，将交流导纳监测仪测量电缆的两个端点分别联接在这两个移动装置夹持点上，由移动作业装置的行走轮和压紧轮分别实现两个远端测点的移动和夹持。通过交流导纳测试仪测量一段架空地线的交流导纳，来计算这段架空线的剩余直径，再配合WI-FI无线通讯，将测试数据下载到地面手持控制器，就可以实现架空线腐蚀状态的自动巡检，如图6所示。

图5 全新及腐蚀后的钢绞线导纳Fig.5 New and corroded steel strand admittance: a) real component spectrum; b) imaginary part of spectrum

图6 移动行走装置与交流导纳仪测量架空地线腐蚀状态示意Fig.6 Mobile walking device and exchange admittance instrument measuring earth wire corrosion condition

电力设备材料在大气环境中的腐蚀失效是一个十分复杂的过程，其服役可靠性与服役寿命的预测需要长期的数据积累，除了需要对电力电器典型材料的大气腐蚀进行定期检测外，还需要不断完善腐蚀在线监测技术，提高在线监测仪器的灵敏度和精确度。此外，建立相应材料的大气腐蚀发展模型和数据分析模块，完善大气腐蚀数据库，将腐蚀在线监测与腐蚀数据统计模块相结合，可望大幅提高电气设备大气腐蚀失效故障诊断以及可靠性评估的精确度。

3 结语

针对输变电设备的大气腐蚀问题，文中对几种典型大气腐蚀监测方法进行了文献综述和对比分析，比较了电偶腐蚀电池、电化学阻抗谱、薄膜电阻探针、石英晶体微天平和电化学噪声等多种方法应用于电力设备大气环境中各自的优缺点。工程上只有将几种监测技术结合起来，相互验证，才能得到比较准确的大气腐蚀信息。

针对架空地线现场腐蚀监测，提出了采用交流导纳法逐段测量架空地线的虚导纳。通过架空线的内电感与锈蚀量的关系式，来计算出架空线的平均腐蚀量。结合自动巡线行走装置，将可望大幅提高架空线腐蚀巡检的效率和精度。