输电线路铁塔及接地体的腐蚀是电力系统长期关注的难题[1]。空间电磁环境对金属构件的腐蚀具有一定的影响,一直未受到应有重视。当前大部分研究主要聚焦于磁场对金属的腐蚀影响。JAYARAMAN等[2]通过极化电阻技术测量腐蚀电位并评估腐蚀速率趋势。GHABASHY等[3]揭示了不同程度磁效应对腐蚀的影响。LU等[4]研究发现磁场作用强度可以改变氢离子去极化综合效果,金属在含溶解氧溶液中的腐蚀速率受界面扩散层中氧含量与传输过程的影响。电场和磁场会影响离子在金属/溶液界面层的传导过程,从而影响金属的腐蚀过程与速率。王大成等[5]认为交流电磁场对不同类别金属将产生不同的腐蚀。 

接地极与接地网是输电系统的重要基础设施,长时间埋于土壤中,腐蚀产物附着于表面,这会影响电流扩散能力并加速金属腐蚀[6]。统计发现垂直接地极的腐蚀速率远大于水平接地极,这意味着当水平接地极未被腐蚀时,垂直接地极早已发生严重腐蚀甚至断裂[7]。目前,接地装置的腐蚀评估主要依赖仿真方法[7-9]。接地极腐蚀监测方法主要分为大电流法和电网络法、地表电磁场法、电化学法[10-12]。其中,大电流法较为常见,但其缺点在于测量工序复杂、对设备要求较高、对于多个断点的情况十分敏感、无法反映接地网整体腐蚀情况,因此该方法的使用具有明显的局限性[11]。电网络法以接地网导体电阻为最主要的故障参量,主要考虑运用线性优化法计算多项参数,并与原始基准参数进行对比,从而判断接地网节点的腐蚀情况[13-14]。但是非线性问题和节点偏移会影响电网络法的辨识度,是当前研究的难点和热点。重庆大学、清华大学等单位开发了接地网腐蚀及断点诊断系统,但该方法仅能通过仿真手段实现初步的诊断,实际工程应用中非侵入式接地网腐蚀状态评估仍面临着很多问题[15-19],需要进一步检验电磁参量或者电参量大小,从而对接地极的实际运行状态进行综合评估。 

作者介绍了输电线路近地电场的计算理论,通过Maxwell平台建立同塔四回输电线路仿真模型,得到输电线路空间电场与近地电场分布特征。最后,在多种电压等级下观测变电站不同位置接地材料的腐蚀速率,探讨电场对接地极腐蚀的影响,结合场效应与电化学分析提出了减缓接地极腐蚀的具体实施策略,为接地极设计优化提供参考。 

1.   近地电场计算与仿真

500 kV架空线接地极附近的近地电场构成主要包括架空输电导线流通电荷ρc（r,z）产生的准静态场Ec、下行通道电荷ρ1（z）产生的电场E1以及接地极感应电荷产生电场Ei的叠加。其中,r,z分别为径向垂直高度坐标和轴向距离坐标。设近地磁场大小为B,则近地电场Ea大小可以用式（1）表示。 

准静态场Ec一般为数十m V/m级别,近地下行通道电荷平均发展速度为105 m/s数量级,对应的周期时间为ms级。因此,500 kV架空线下方的∂B/∂t可以近似等于0,近地电场大小可以进一步演变为式（2）所示。 

式中：φa为近地空间电位；φc、φ1、φi分别为架空导线、下行通道电荷、接地极感应电荷产生的对应电荷。 

可以采用模拟电荷法对式（2）进行求解,即建立三层电荷模型,如式（3）所示。首先,进行500 kV输电导线对地电场模型计算；进一步建立对地通道电场模型,包括目标感应电荷在内部及表面配置的模拟电荷及电位匹配点,从而通过求解模拟电荷系统方程得到近地电位及电场。在进行近地电场讨论时,需计算获得特征区域Ψ的平均电场值,得到边界Γ1的电位值,同时计算出满足条件接地电极的约束条件。 

根据式（3）可将近地电场进行边界条件划分,从而进一步实现场域精确分析。其中,第二分式满足第I类边值条件；第一与第三分式则满足第II类边值条件。如此,建立近地电场的理论计算模型,用于仿真与实验分析。在ANSYS Maxwell中建立500 kV同塔四回结构的输电线路模型,根据500 kV杆塔四回线路架设规范和最低安全距离设置场源结构参数。通过瞬态电场仿真得到500 kV架空线下方的电场分布云图,如图1所示。从图1中可见,虽然空间电场随时间呈现出不规则变化,但近地区域的电场趋向于稳定,近地电场强度约为几十V/m,而通过模拟电荷法逆问题计算,对近地场域的影响不可忽略。 

图2主要呈现了垂直高度为0.025 m的近地电场强度单周期变化趋势。可见,虽然相比激励信号,近地电场强度的相位发生变化,但总体呈现出交替变化的趋势。在交变电场作用下,地电位与接地极对应电位呈现出长期的正负极性更替,在地表和接地极之间产生对应的势差电流,因此在地表面及防腐蚀薄弱区域接地极会加速腐蚀。 

2.   腐蚀观测与评估

2.1   变电站不同位置接地材料的腐蚀速率

在近地电场作用下,金属容易发生局部腐蚀的原因在于接地极的裸露部分与埋地部分产生了强电势差,从而构成多个微型腐蚀阳极区域和阴极区域,进而在近地电场的催化作用下,发生不间断的电化学反应。如果对金属表面进行独立分割,用导线通过外电路将这些分开的部分耦合起来组成通路,模拟从阳极流向阴极的微弱电流,如果将每个电极与公共耦合节点的电阻相连,则微弱电流将在该电阻上形成一个小的电压降,通过 μV级电压表可以测得微弱电流的大小,该方法一般被称为耦合多电极矩阵法。根据传感器探头阵列的大小,以及电极所用材料不同,可得到不同的测试结果。 

利用多电极耦合测量技术在沈阳徐家及穆家几个不同电压等级变电站不同位置对接地材料进行腐蚀速率监测。传感器探头阵列为3×3。电极材料与接地极碳钢材料相同,截面积为1.5~2.0 mm2,采用环氧树脂封装电极从而减少地电场的干扰；将各独立电阻连接到公共节点上,最后将探头做成矩阵形状,进行等面积分布。为测试不同电场强度下金属的腐蚀速率差异,选择地面、开关、羊角及关闭中的开关等不同位置进行测试,测试结果见图3。 

结合仿真计算结果,近地电场的大小一般在几十到几百V/m,但其对腐蚀效率的影响程度不容忽视。从多个电压等级变电站杆塔附近接地极腐蚀的长期观测结果来看,主控室地面处腐蚀速率要远远低于其他几个强电场环境中相同测试位置处。无论在66 kV、220 kV还是在500 kV的变电站中,远离电场环境的地面由于测试当天较为干燥,大气腐蚀速率极低,小于0.5 μm/a。在断开的开关处,大气腐蚀速率也较低。但闭合开关、羊角、刀闸等处于强电磁环境中,在这几处腐蚀速率增加很快,最高达到了40 μm/a,是无电场环境中大气腐蚀速率的80倍以上,可见电场环境对材料腐蚀的影响十分明显。 

测试结果还显示,随着电压等级的提高,材料的腐蚀速率也增大。纵向对比来看,在220 kV与500 kV电场环境中材料的腐蚀速率远远大于在66 kV环境中的腐蚀速率。但在220 kV与500 kV环境中,腐蚀速率的差别则不大。这说明随着电压等级的提高,材料的腐蚀速率增大。 

2.2   有无近地电场情况下接地极腐蚀速率对比

接地极的腐蚀速率与土壤电阻率、土壤含氧量、土壤含水量、土壤p H和杂散电流等因素有关,因此在进行接地极腐蚀速率差异对比时,必须考虑上述因素。在有无近地电场情况下,对穆家500 kV交直流变电站附近接地极的腐蚀速率进行监测。首先,选择变电站主控地面附近的接地极作为观测对象,在含带电设备的两组完全对称的密闭空间内对接地极腐蚀情况进行长期跟踪监测,保证土壤电阻率、土壤含氧量、土壤含水量、土壤p H等参数保持近似一致。测试方法同2.1节。图4为连续12个月监测得到的接地极腐蚀速率。可见,在无近地电场情况下的腐蚀速率要明显低于有近地电场情况下的腐蚀速率,而不同月份土壤含氧量和含水量的不同也直接影响了整体腐蚀速率。 

2.3   防腐蚀措施

为延缓金属腐蚀速率,可以从近地电场干扰屏蔽方面提出以下应用措施： 

（1）采用材料和尺寸相同的接地电极,且所选材料应对近地电场敏感度不高,即需要保证一定纯度的金属导体作为接地极材料。 

（2）在进行水平电极和垂直电极焊接时,需要进行较高程度的电极打磨,从而降低近地电场作用下局部接地极区间的电势差,减缓腐蚀进程。 

（3）可采用一定的涂层材料用于加大地表面以上接地极的介电系数,降低其与埋深电极和地表面的相互影响。 

3.   结论

（1）介绍了输电线路近地电场的计算理论,通过Maxwell平台建立同塔四回输电线路仿真模型,得到输电线路空间电场与近地电场分布特征。结果表明,空间电场随时间呈现出不规则变化,但近地区域的电场趋向于稳定,近地电场强度约为几十V/m,对近地场域的影响不可忽略。 

（2）利用多电极耦合测量技术测量了在多种电压等级输电线路变电站不同位置接地材料的腐蚀速率,以及有无近地电场情况下接地极腐蚀速率。结果发现,由于强电场的存在,接地材料的大气腐蚀速率增加了近80倍,且随着电压等级的提高,材料的腐蚀速率增大。 

（3）鉴于强电场环境中影响材料的大气腐蚀速率的因素众多,其作用机理、腐蚀行为及影响因素还需要结合电化学反应进行进一步讨论,因此还需要开展广泛分析与模拟试验。长期工作在强电场环境中的接地材料设计与防护手段,都需要根据其腐蚀特点进行深入研究。结合电场效应与电化学分析提出减缓接地腐蚀的具体措施。