接地网腐蚀状态检测装置设计*

孙洪博， 彭敏放， 黄 欢， 高永冲， 吴育毅

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082； 2.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002)

0 引 言

接地网广泛应用在国内的发变电站内，是保障电力系统安全可靠运行的重要措施[1]。由于国内铜资源的相对匮乏，大部分已经投入使用的接地网均是以镀铜钢或镀锌钢为材料制成，其经济性好，但是耐腐蚀程度却相对较差，在土壤中的腐蚀速度相对较快，很有可能导致接地网的横截面积缩小甚至断裂，从而造成电力故障。目前,检测接地网腐蚀最主要的手段仍是局部开挖，为此，国内外很多团队都已经开展了检测接地网腐蚀的相关研究。到目前为止有三种方法在此方面取得了成果[2]，即电化学方法[3,4]、电磁场方法[5]和电网络法[6,7]。

文献[8]利用虚拟仪器控制恒电位检测装置进行检测，但该系统需要测量大量数据，增加了测量成本；文献[9]采用了电磁场方法进行检测，但由于变电站所处环境过于复杂，存在很多磁场干扰，因此检测结果会存在较大误差；文献[10]采用了激励源的检测方式，加入了阻抗变换器，降低了磁场干扰，但是该系统检测数据过少，所得结果可能会存在偶然误差，从而降低了测量精度。

目前市面上投入使用的仪器为恒电位仪，通过测量自然腐蚀电位、极化电流，并依据接地电阻的大小来反映腐蚀情况。但其没有内部电源供电，对于不能接电的偏远输电线路的接地网是无法检测的，并且该仪器测量时，接地电阻需要人为计算，可能存在人为误差，无法准确地反映接地网的腐蚀情况。因此，开发一种可以自主供电并且同时检测接地电阻、腐蚀速率和腐蚀深度的装置是十分必要的。

本文提出了基于STC8A8K单片机的接地网腐蚀检测装置，并通过在现场的多次测量，证明了本装置的经济性与可行性。

1 检测原理与算法

在腐蚀位置的附近，其极化电位与极化电流存在着线性规律。据此可以推导出在腐蚀电位相对稳定点的附近区间,Δφ/ΔI(Δφ≤10 mV)和腐蚀电流is之间存在着如下关系

(1)

式中ba为阳极塔菲尔常数,bk为阴极塔菲尔常数，is为自然腐蚀电流，Δφ/ΔI为极化阻力。

极化阻力可以测量，而ba,bk也可以用电化学法进行测量，由此便可算出电流is，从而根据法拉第定律推导出腐蚀速率v(g/m2h)。其等效电路模型图如图1所示[11,12]。

图1 恒电位测量等效电路

当系统稳定时，Cd完成充电，此时图1等效转换为图2。

图2 稳定状态时等效电路

由此可以算出极化电阻Rp为

(2)

通过求出Rp，电流腐蚀密度便可求得，从而便算出腐蚀速率v(g/m2h)和腐蚀深度d(mm)

(3)

式中M(g/mol)为摩尔质量，Z为金属的原子量

(4)

式中ρ(g/cm3)为金属密度。

最后对d进行积分，便可求出年腐蚀深度，从而判断接地网的腐蚀状态。

2 接地装置硬件电路设计

2.1 传感器单元

系统采用三电极传感器[13]作为测量单位，其三极分别为参考电极、辅助电极和研究电极，此三极均采用与接地电极相同的材料打造，中心向对面留作研究使用，其余面均由环氧树脂密封，并通过有机材料将三电极固定，由三电极的中心向外引出导线，作为与检测装置相连接的部分。

2.2 检测装置单元

检测箱单元以STC8A8K单片机为核心部分，包含信号采集模块，信号放大模块及电源模块等。除此之外，还增添了并行扩展总线和串行扩展总线，增加了外部扩展程序存储器和数据存储器。其整体结构图如图3所示。

图3 检测装置单元结构

1)信号采集模块:分为电阻、电压、电流测量模块。在测量过程中。这三种电路由模拟开关控制接入和断开，保证每一种测量独立运行，保障测量数据的准确性。电阻模块由运算放大器组成，并由模拟开关选择参考电阻量程，此模块可测量最大电阻值为6 MΩ；电流模块的输入电压由单片机控制PWM电路产生，经过运算放大器放大后，使输入电压进入精密电阻，根据精密电阻前后电压差得出电流值；电压模块由差分放大器组成，在系统不施加电压的情况下，由差分放大器将参考电极和研究电极之间的电压差值放大，得到自然腐蚀电位。2)信号放大模块：是将信号采集模块中所得数据进行放大处理，使每一个数据都能达到单片机所能识别的数量级，以防止检测数据的丢失。3)电源模块：分为内部供电和外部供电。外部供电的输入电压为220 V的AC，经过电源模块的处理，使其转变为±5 V及±12 V电压为整个系统供电；内电源为12 V的蓄电池，其作用为保证在外部无法供电的场所该装置仍可以正常工作。

本系统的上位机采用的是安卓板，主要功能是信息的查询与指令的下发。通过上位机输入命令，传递给单片机系统进行数据测量，实现人机通信功能；同时安卓板将单片机所测数据进行处理并显示以反映接地网的腐蚀状况。将检测装置单元与传感器单元相连接，如图4所示。

图4 硬件电路整体结构

3 软件设计

3.1 单片机软件设计

单片机部分的软件设计分为A/D，D/A转换模块、通信模块、信号传输模块等，主要功能为接收上位机传输命令并进行响应与处理，测量上位机所需数据并传送给上位机。

1)通信模块：接收上位机发送过来的指令，并根据单片机的工作状态给上位机回复，即准备就绪或系统繁忙，在准备就绪情况下，上位机可以发出测量命令使单片机系统开始测量，当系统繁忙时，表示现在不能开启测量工作，请稍后再发送命令。2)信号传输模块：在测量过程中，如果上位机发送查询命令，单片机会回应正在测量电压、电流或电阻，使测量人员了解到装置的工作状态。当装置采集数据结束后，上位机发送查询命令，单片机系统会将所测数据传输给上位机进行处理。3)A/D，D/A处理模块：A/D模块保证测量数据以正确形式传送给单片机，使单片机得到正确的测量结果并发送给上位机；D/A模块保证输送给整个硬件电路的电压值准确且安全，既能满足电路需要，又不会因电压过大而烧毁电路。

3.2 上位机软件设计

上位机的软件设计包括命令控制、数据采集、数据处理、数据查询、数据预测、人机交互以及通信等七部分，其主要工作是将单片机所采集数据完整的接收并利用检测算法对数据进行处理，从而将腐蚀速率、腐蚀深度、年平均腐蚀深度等数据显示出来，实现对接地网腐蚀状况的分析功能。

1)命令控制：包括电阻测量命令、电压测量命令及电流测量命令、数据查询命令、终端命令等，其作用是将具体测量命令或者查询命令发送给单片机，使单片机开始工作。2)数据处理部分：将单片机发送过来的数据进行提取，并在线计算出极化电阻、腐蚀电流密度、腐蚀速率及年平均腐蚀深度等参数，从而对接地网工作状态进行安全性评估。3)人机交互：主要包括显示屏上的操作按钮，通过这些按钮可以完成人机对话功能，使显示的信息更加直观、易于收集与分析。在整个装置的操作栏安装了USB接口，方便将采集并处理之后的数据拷贝出来进行存档与备案，同时也安装了单片机的编程下载串口，以方便对单片机内部程序的更新与升级。

4 现场试验与数据对比

根据接地网传感器优选埋设方法，分别在变电站A和B各埋设了3只传感器，并在埋设3个月后分别用本装置、已经投入市场的恒电位仪以及万用表对传感器进行了测试，将所测数据进行处理后所得变电站A，B腐蚀速率与腐蚀深度如表1所示。

表1 变电站A，B测试数据结果

由检测数据可以看出，本装置与万用表所测得真实数据的误差最大值为4.49×10-3，最小值为7.7×10-4，恒电位仪与万用表所测得真实数据的误差最大值为2.221×10-2，最小值为1.97×10-3，两个检测仪均满足误差要求，但是本装置的误差更小，精确度更高，可以较准确的测量出腐蚀速率、腐蚀深度，较好地反映接地网的腐蚀状况，准确可信。同时，由于本装置配备了蓄电池，在变电站内测量时不需要外接输电线，减少了现场测量的工作量，弥补了恒电位仪不能自主供电的缺点。

5 结 论

本文针对杆塔等较为偏僻不易接电的地点增添了蓄电池供电模式，即内外双供电系统，使接地网仪器检测不再存在死角，更好地预防事故的发生。使用STC8A8K单片机作为核心控制单元，精确度高、速度快。本文装置可以自动处理测量好的数据得到最终参数，不再需要人为计算，出现误差的几率大大降低，使数据的准确性更高。