接地装置是电力系统的重要组成部分，不可或缺。在我国，接地网通常采用碳钢、镀锌钢等材料。这些材料在土壤环境中容易发生腐蚀。腐蚀会导致电力安全事故的发生。电力安全事故进而会威胁人身安全。同时也会给电力系统的安全运行造成威胁。
目前，我国在对接地网电气连接故障点以及腐蚀诊断方面，尚未形成系统且完备的方法。通常采用的是开挖检测这种方式。这种方式往往会导致人力和物力的无效耗费。如何能够延长接地网的使用寿命，并且确保其安全性，已经成为电力部门迫切需要解决的难题。
近年来，为了延长接地网的使用寿命并确保其安全性，研究人员针对接地网展开了诸多工作。其一，从改善接地材料的耐腐蚀性能这一角度出发，运用了锌包钢、铜包钢、不锈钢覆层钢、铝镁合金覆层钢等新型的具有耐蚀性的接地材料；其二，对接地网材料的腐蚀行为与机理进行研究，构建接地材料腐蚀评估与预测的方法，以此来指导实际现场接地网的选材工作。这些措施有利于延长接地材料的使用寿命，对电力系统安全生产意义重大。但在实际接地系统应用中，我国不同区域土壤介质与环境条件差异明显，且目前我国对不同接地材料（尤其新型接地材料）的腐蚀数据积累不足，所以仅靠上述措施仍无法彻底解决延长接地网使用寿命和确保电力系统安全生产的问题。
接地网材料在服役环境中的腐蚀数据可通过现场原位腐蚀监测获得。这些数据比实验室模拟试验和加速腐蚀试验所得数据更接近实际情况。所以，现场原位腐蚀监测对不同接地材料在不同介质环境中腐蚀数据的积累很重要。
传统电化学腐蚀监测技术，像线性极化法、恒电流阶跃法以及电化学阻抗法等，是借助现场埋设与接地网相同材料的电极来进行测量，从而获取接地网材料的腐蚀数据。然而，这些方法所得到的并非实际埋设接地网金属的腐蚀数据。近些年来，在混凝土钢筋腐蚀监测领域应用的护环电极方法，开始被运用到接地网金属的腐蚀监测当中。
护环电极腐蚀监测技术以现场接地网金属当作工作电极。它添加了一个辅助电极以及护环电极，借此将中心辅助电极的电力线限制在预定接地金属的表面积范围内。这样就解决了被测接地网金属面积不确定的难题。并且获得了实际埋设的接地网金属的极化电阻。进而能够得出其腐蚀速率。
试验材料
与现场土壤性质
选用市购的普通热浸镀锌圆钢（ф10 mm）当作试验材料，这种圆钢的基体是 Q235 钢，其表面的镀锌层厚度在 60 到 70 μm 之间。接着把镀锌圆钢分别加工成自腐蚀试样、模拟接地网以及电化学监测探头。
武汉土壤为棕壤土。在开挖现场取深度 0.6 米的土壤样品。对该土壤样品进行分析，得到其基本性质如下：pH 值为 6.9，电阻率是 4247 Ω·cm，含水量为 21%，饱和含水量为 43%，总盐含量为 30%。从土壤性质方面来看，该试验土壤属于低腐蚀性土壤。
试样制备
自腐蚀试样
把上述镀锌圆钢材料加工成ф10 mm×50 mm 的自腐蚀试样，一共 36 个。在加工过程中，不能破坏镀锌圆钢原有的表面状态。接着，用无水乙醇和丙酮擦洗试样表面，之后用冷风吹干。然后，将试样置于干燥器中 24 小时。最后，使用精度为 0.1 mg 的分析天平对试样进行称量，结果取 3 次称量的平均值。对经过称量后的试样两端进行绝缘封装处理，并且要留出 11.0 平方厘米（直径为 10 毫米、长度为 35 毫米）的工作面积。封装完毕后的试样是可以进行现场埋设的。
模拟接地网
模拟接地网由两根ф10 mm×2 m 的镀锌圆钢构成，分别是圆钢 1 和圆钢 2。每根镀锌圆钢的两端都钻了孔，并且配有螺栓。将两根焊有接线片的电缆（1×10，长度为 2 m）连接到螺栓上，两端各连接 1 根。然后确认导线与镀锌圆钢实现了电连接。接着用无水乙醇和丙酮对试样进行清洗，之后再用环氧重防腐蚀涂料涂封螺栓连接处。等试样表面的涂层干燥后，就可以进行现场埋设了。
电化学监测探头
把镀锌圆钢制作成ф10 mm×50 mm 的电极试样，在试样的一端焊接铜导电，其长度为 2 m。接着用环氧树脂封装试样的两端，同时留出工作面积 11.0 cm²（ф10 mm×35 mm）。电化学监测探头是由 3 支电极试样按照等边三角形的方式进行排列，且彼此间距约为 2 cm，一共制备了 3 组电化学监测探头。
现场埋设布局
在室外挖掘一个尺寸为 3.0 m×0.7 m×0.6 m 的土坑。然后按照图 1 所指示的位置来埋设试样。模拟接地网（由 2 m 镀锌圆钢构成）处在土坑的中央位置。两端的连接电缆通过使用ф30 mm×3 mm 的电缆护管进行保护，并将其引出到地面。在镀锌圆钢的两端以及中部，于相同深度（0.6 米）的位置，埋设了 3 组电化学监测探头（编号为 1 至 3），且这些探头是等距离埋设的。测试导线是用 ф30 毫米×3 毫米的电缆护管进行保护后引出地面的。自腐蚀试样是平躺埋设的，每 3 个自腐蚀试样构成一组，每组试样之间的间隔大约为 0.2 米。在两根镀锌圆钢的中部正上方，留出了一个直径为 ф50 厘米、深度为 45 厘米的空间，该空间是用于护环电极测量的。将开挖的土壤依次进行回填，要尽力让土壤保持其原始的状态。把回填完成的时间记录下来，以此作为现场测试的起始时间。
图1 现场试样埋设位置示意图
电化学测试
电化学测试是在 CS353 便携式电化学工作站开展的。试样埋设之后镀锌钢材加工，使用便携式饱和硫酸铜电极作为参比电极，来测量模拟接地网以及电化学监测探头的自腐蚀电位（Ecorr）。一共分别测量了 3 组电化学监测探头的电化学阻抗（EIS）。在测量过程中，激励信号是幅值为±10 mV 的正弦波，测试的频率范围是 0.01 ～ 105Hz。然后采用.0软件拟合处理EIS数据。
测量得知，模拟接地网中 2 根圆钢的自腐蚀电位随时间变化的曲线是相似的。同时，3 组电化学监测探头的曲线也具有相似性。所以，以模拟接地网（圆钢 2）的两端以及电化学监测探头 2 中的各电极为例，对它们的自腐蚀电位进行阐释，如图 2 所呈现的那样。
(a) 模拟接地网
(b) 电化学监测探头
图2 武汉土壤中镀锌圆钢自腐蚀电位随时间的变化曲线
从图 2 能够看出，在刚开始埋设的时候（时间小于 40 天），自腐蚀电位呈现出比较负的状态，处于-1.2 到-1.0 V 这个范围，而这个数值范围正是镀锌层的自腐蚀电位；当埋设时间超过 40 天之后，自腐蚀电位开始有了明显的向正方向的移动。埋设时间超过 90 天后，自腐蚀电位在-0.9 到-0.6V 这个区域内波动，其数值更加接近 Q235 钢的自腐蚀电位。这表明在此时，试样表面的镀锌层已经大部分被破坏了。
定期对 3 组电化学监测探头的 EIS 进行测量。通过.0 软件进行拟合，从而得到极化电阻 Rp。接着计算 3 组探头极化电阻的均值和方差。结果如图 3 所示。
(a) 极化电阻
(b) 极化电阻均值与方差
图 3 展示了武汉土壤中镀锌圆钢电化学监测探头所测量的极化电阻，以及其均值和方差随时间变化的曲线
从图 3(a)能看出，因为 3 个探头的埋设位置和状态不一样，所以它们的极化电阻有差别，但整体的变化趋势大致相同。从图 3(b)可知，在埋设刚开始的时候（小于 40 天），极化电阻的均值先是增大，接着减小，然后又增大，而埋设 40 天后就呈现出逐渐增大的趋势。
从图 2 的自腐蚀电位数据来看，在埋设初期，试样主要呈现出镀锌层的腐蚀行为。在这一期间，极化电阻的变化反映了镀锌层逐渐被腐蚀破坏的过程。当埋设 40 天后，自腐蚀电位开始明显向正方向移动。此时，Q235 钢基体的影响逐渐增强，镀锌层的腐蚀加速，极化电阻变得较小。随后，极化电阻开始逐渐变大。这一现象可能是因为试样表面生长出了腐蚀产物，而这些腐蚀产物对腐蚀起到了抑制作用。
护环电极测试
试样埋设完毕后，使用护环测试仪来测量模拟接地网的极化电阻。护环电极的情况如图 4 所展示。在图中，RE1、RE2、RE3 这些都是饱和 Cu/CuSO4 参比电极，CE 是辅助电极，GE 则是护环电极。在地面进行测量，测量深度为护环电极距离接地网距离 0.6 m；在中心预留位置进行测量，测量深度为 0.15 m。分别测量模拟接地网的极化电阻，在测量过程中护环面积均选择 5.4 cm²，观察测量深度对测试结果的影响。
图4 护环电极示意
测量结果表明，当埋设时间为 38 天的时候，测量数据出现较大偏差；当埋设时间为 165 天的时候，测量数据也出现较大偏差。而其他测量数据的相对偏差处于-38%到 29%之间。
实际测量中，影响护环电极测试数据的因素有很多。测试距离会对测试数据产生明显影响，土壤含水率也会对测试数据产生明显影响。埋设时间为 38 天的时候，是夏季且土壤含水率很低，这会影响护环电极发送电流在土壤中的分布，从而导致测试数据偏离很大。另外，在测试时难以保证护环电极放置位置正好处于接地网试样的正上方，这会影响其实际的投影面积。总体来看，护环电极测量的极化电阻数据波动情况较为明显。不过，倘若条件能够得到恰当控制，那么所得到的数据与电化学监测探头测量的数据是具备可比性的。
失重法
测试腐蚀速率
再用水清洗并使其干燥。首先用分析天平来称量试样，接着进行拍照记录。通过失重法，也就是依据试样在腐蚀前后的质量差，进而计算出自腐蚀试样的腐蚀速率。
图5 武汉土壤中镀锌圆钢腐蚀速率随时间的变化曲线
从图 5 能看出，当埋设时间处于 1 月到 2 月这个时间段时，腐蚀速率 vcorr 比较大，并且还有稍微增大的趋势。然而，一旦埋设时间超过了 2 月，腐蚀速率就会逐渐减小。在埋设 2 月到 3 月的期间，腐蚀速率减小的幅度是最大的。等到埋设 3 月之后，腐蚀速率减小的趋势就变得缓慢了。
镀锌圆钢在武汉土壤中埋设，时间分别为 1 月、2 月、3 月、4 月、5 月、6 月后，其腐蚀形貌
从图 6 能看出，在埋设初期（前 3 月），镀锌层的腐蚀溶解呈现出不均匀的情况。当埋设 30 天时，试样表面的部分区域，其镀锌层已经完全被破坏掉了。随着埋设时间不断延长，镀锌层的破损区域逐渐变得更大。在这样的状态之下，镀锌层会与 Q235 基体形成腐蚀电偶，从而加快镀锌层的溶解破坏速度，而 Q235 钢基体则会得到保护。这一时期，试样表面主要是镀锌层。所以，测试得到的自腐蚀电位和腐蚀速率反映的主要是镀锌层的腐蚀行为。埋设时间超过 3 月后，试样表面残留的镀锌层变得很少。因此，试样的自腐蚀电位逐渐向正方向移动，接近 Q235 钢的自腐蚀电位值（见图 2）。然而，从图 6 所示的腐蚀形貌来看，埋设 6 月时试样表面的镀锌层并未完全消失。总体来看，各试样表面没有出现明显的局部腐蚀区域。
数据相关性分析
极化电阻 Rp 依据腐蚀电化学原理与试样的腐蚀电流密度 Jcorr 呈反比关系。也就是说，Jcorr 等于 B 除以 Rp，这里的 B 是 Stern 系数。所以，极化电阻的倒数 1/Rp 能够用来描述腐蚀速率的变化趋势。
失重法得到的腐蚀速率是在一段时间内的平均情况，电化学监测探头得到的极化电阻则是某一时刻的瞬间值。所以，要依据连续测定的 Rp，绘制出 1/Rp-t 曲线，算出曲线下方的面积也就是对时间进行积分，接着把积分值除以总的时间，从而求出这段时间内 1/Rp 的均值 1/Rp 均。该均值能够与腐蚀速率的变化趋势进行对比。同时，能够依据 vcorr 和 1/Rp 都求出 Stern 系数 B。
(a) 1/Rp
(b) 1/Rp均
图 7 显示，武汉土壤中镀锌圆钢电化学监测探头测量得到的 1/Rp 以及另一个 1/Rp ，它们都随着时间而发生变化，呈现出相应的曲线。
从图 7(b)能看出，随着埋设时间不断延长，1/Rp 都呈现出逐渐下降的态势，并且这与图 5 中腐蚀速率随时间变化的趋势大致相同。从理论层面来讲，依据腐蚀速率能够得出腐蚀电流密度，接着再依据图 7(b)就可以得到 B。
镀锌圆钢发生腐蚀后，镀锌层与基体 Q235 钢之间形成了电偶镀锌钢材加工，这对腐蚀数据产生了较大影响。从埋设 1 个月的腐蚀速率（1.246 g·dm-2·a-1）以及 1/Rp 均（4.391×10-5Ω-1·cm-2）来看，若按锌溶解来计算，可得出 Jcorr 为 1.167×10-6A·cm-2，B 为 0.0266 V。这些结果表明，在埋设 1 月时，试样主要呈现出镀锌层的腐蚀行为。
根据埋设 2 至 6 月的数据进行计算，B 迅速增大。依据埋设 4 至 6 月的数据来计算，B 远远超出了 B 的正常范围（0.017 至 0.026 V）。由此可见，在此时用上面的方法来估算 Jcorr 是不行的。
尽管如此，由法拉第定律可知，腐蚀速率 vcorr 与 Jcorr 存在线性关系，并且 Jcorr 与 1/Rp 也都呈线性关系。所以，vcorr 与 1/Rp 也应满足线性关系，借助两者的线性关系能够观察到它们的相关性。图 8 是镀锌圆钢通过失重法得到的 vcorr 与电化学监测探头得到的 1/Rp 之间的关系图。图中每个数据点对应的埋设时间相同。
图 8 中，镀锌圆钢通过失重法得到的 vcorr 与电化学监测探头得到的 1/Rp 之间的关系
线性拟合得出两者之间存在这样的关系式：vcorr 等于 0.7397 加上 0.1262 乘以 105 再乘以 1 除以 Rp 均。该关系式的拟合度为 0.928，皮尔森相关系数为 0.9634。这表明电化学监测探头所得到的极化电阻与失重法所得到的腐蚀速率之间有着较好的相关性。
从图 8 中能看出，2 月埋设的数据偏离程度较大。这很有可能是因为 Zn-Q235 之间电偶作用的影响较为显著。即便如此，由于 vcorr 与 1/Rp 都存在较好的线性关系，所以依然可以通过对 Rp 的测量来观察镀锌圆钢腐蚀速率的变化。
结 论
镀锌圆钢在武汉土壤中埋设初期自腐蚀速率较大，约为 1.26 g·dm-2·a-1，之后自腐蚀速率逐渐减小。其表面镀锌层溶解情况不均匀，埋设 1 个月时表面镀锌层已出现破损，然而在此时试样依然展现出镀锌层的腐蚀行为，自腐蚀电位为-1.2 至-1.0 V。埋设 3 个月后，试样表面残留的镀锌层变得很少。它逐渐展现出了 Q235 钢的腐蚀行为，其自腐蚀电位为-0.8 至-0.7 V。
电化学监测探头所得到的极化电阻和失重法得到的腐蚀速率之间的相关性较为良好。镀锌层破损之后会与 Q235 钢基体形成电偶。所以不能依照传统方法依据极化电阻来得到腐蚀速率。但是可以依据腐蚀速率与极化电阻倒数均值之间的线性关系来进行计算从而得到腐蚀速率。
现场采用护环电极法测量极化电阻时，影响因素较多。其中，测量深度和投影面积的影响尤其大。在本研究中，当条件合适时，护环电极法测量得到的极化电阻与电化学监测探头测量的极化电阻是具有可比性的。
作者分别是徐霞 1、2、3，刘凡 4，汤亮亮 1、2、3，范松海 4，雷潇 4，刘刚 1、2、3，陈辉荣 1、2、3，吴敏 1、2、3。
工作单位：1.
2.
3. 电网雷击风险预防湖北省重点实验室
4.
徐霞为高级工程师且拥有硕士学位，其主要的工作内容是进行电力系统雷击防护以及接地技术方面的研究。
