接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置及其模拟方法

摘要

本发明公开了接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置及其腐蚀模拟方法，接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置，包括辅助回路电极、微型等比例接地极模型，所述辅助回路电极的为中空圆筒体，微型等比例接地极模型为圆环体，微型等比例接地极模型设置在辅助回路电极的圆心处，微型等比例接地极模型连接到供电电源的一极，辅助回路电极连接到供电电源的另一极。

说明书

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护领域，具体涉及一种接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置及其模拟方法。

背景技术

随着我国电力系统规模的扩大，输电功率的增加，输电距离的增长，不同步电网之间的联网与送电等实际需求，使特高压直流输电得到了广泛的应用。我国的特高压直流输电系统全部采用双极两端中性点接地方式，正式投产后为双极运行方式，故障、检修时采用单极运行。采用单极—大地运行方式运行时，直流接地极将作为工作电流的返回通道，数千安级的大电流流经接地极。双极运行实际上是由两个可独立运行的单极—大地运行系统组成，运行时两极在地中的电流方向相反，当两极电流相等时，地回路中的电流为零。但是在双极运行时允许有不大于额定电流的1%的电流作为不平衡电流从接地极流过。电流在地中流动时，由于土壤的电阻作用，地中会形成一定梯度的地电场，场中的金属结构如变电站接地网、输电线路杆塔接地体、铠装地下电缆、输油输气管道等就会受到地电场影响而发生电化学腐蚀。由于埋地材料一般为金属材料，是电子导体，而土壤是多种盐组成的离子导体，当电能在电子导体与离子导体之间转换时，两相界面必然会发生氧化还原反应，以实现电量的转移，因此无论是单极—大地运行时的工作电流，还是双极运行时的不平衡电流，电流流出的一极都将作为阳极发生电化学腐蚀。这种腐蚀会加速埋地金属材料的破坏，大大缩短埋地金属材料的使用寿命，严重威胁埋地构筑物的安全运行。

长期以来，科研人员为探索直流接地极电流对埋地金属的腐蚀与防护措施，需要掌握现场腐蚀数据及防护措施对比效果。为此，科研人员往往需要在接地极址附近进行相关试验。但接地极电流受换流站运行方式的影响，长期处于变化状态，科研人员不可能长期守在接地极不间断测量电流、电压、波形、频率等相关试验数据，而且如要观测到明显的金属腐蚀现象，耗时极长。而对于一些腐蚀参数，特别是对于防腐措施的研究，需要在实验室进行前期的对比试验。现有的模拟腐蚀试验装置对杂散电流的模拟是通过方形土壤盒内处于两端的正负电极回路实现，不能准确模拟接地极电流从极环由内向外四周发散的实际情况。目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置。为解决这一问题，研究开发一种模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置，模拟直流接地极真实腐蚀环境，在实验室或试验站即可完成相关腐蚀及防护试验，对比试验效果，从而探索腐蚀机理及防护方法，是目前急待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置及其模拟方法，可实现模拟直流接地极不平衡杂散电流及单极运行条件下等效杂散电流腐蚀环境的功能，具有模拟直流接地极腐蚀环境相似度高、操作简单、自动化程度高等优点。

本发明通过下述技术方案实现：

接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置，包括辅助回路电极、微型等比例接地极模型，其特征是：所述辅助回路电极为中空圆筒体，微型等比例接地极模型为圆环体，微型等比例接地极模型设置在辅助回路电极的圆心处，微型等比例接地极模型连接到供电电源的一极，辅助回路电极连接到供电电源的另一极。

上述结构的设计原理为：本发明中，将土壤设置在辅助回路电极的中空腔体中，然后将微型等比例接地极模型，按照上述要求设置在土壤中，再此基础之上，布置埋设待研究腐蚀样品。

现有的模拟腐蚀试验装置对杂散电流的模拟是通过方形土壤盒内处于两端的正负电极回路实现，不能准确模拟接地极电流从极环由内向外四周发散的实际情况。目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置。为解决这一问题，本发明研究开发了一种模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置，以中空圆筒体的导体作为辅助回路电极，采用圆环体作为微型等比例接地极模型，能准确模拟接地极电流从极环由内向外四周发散的实际情况，可实现模拟直流接地极不平衡杂散电流及单极运行条件下等效杂散电流腐蚀环境的功能，具有模拟直流接地极腐蚀环境相似度高、操作简单、自动化程度高等优点。在实验室或试验站即可完成相关腐蚀及防护试验。

所述供电电源为输出非直线波电源的波形发生器及波形放大器。非直线波可以包括矩形波或正弦波或余弦波或锯齿波或横波等，即排除直线波，使得本系统可以研究不同波形电源对腐蚀环境的影响。根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，为整个腐蚀试验区提供电源支持。现有技术的腐蚀供电回路的供电电源一般为直流开关电源，输出的电源为直线波，研究腐蚀环境中电压、电流的等级、腐蚀环境的变化对腐蚀试片的影响，没有将波形的影响纳入腐蚀研究。现有的模拟腐蚀试验装置专利中，对杂散电流的模拟都是通过直流电源实现，只有电流、电压对腐蚀有影响。而通过接地极实地测试，发现极址附近土壤间电压波形是实际存在的，波形的形状和大小对腐蚀有影响，所以在模拟腐蚀试验装置中引入波形，目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流波形的腐蚀试验装置。

优选的，还包括控制系统，控制系统还包括信息采集装置、与信息采集装置连接的信号变送器、与信息采集装置连接的控制装置、与信息采集装置连接的数据传输远控装置；

数据传输远控装置是基于4G或WIFI的无线数据传输的远控单元，所述波形发生器及波形放大器为整个腐蚀试验区提供电源支持，并根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出。控制装置为PLC控制装置，所述信号变送器用于接受电流、电压信号，并对此信号进行处理及反馈，所述信息采集装置通过信号变送器采集电压、电流信号，并将信号传输至控制装置。

还包括第二电压表，第二电压表两极分别连接在微型等比例接地极模型、辅助回路电极上，第二电压表的电压数据输出端连接到信号变送器；

还包括电流表，电流表串联在微型等比例接地极模型与供电电源之间，电流表的电流数据输出端连接到信号变送器；还包括参比电极，参比电极设置在辅助回路电极、微型等比例接地极模型之间，参比电极为内部设置有硫酸铜溶液的有机玻璃圆柱形体。该参比电极为硫酸铜参比电极，参比电极与第一电压表配合使用，测定腐蚀试验区电位分布。

电压表、电流表可以通过端子排传输到信号送变器。

所述微型等比例接地极模型为金属导体的圆环体。

所述辅助回路电极为金属导体的圆筒体。

基于接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

电源输出步骤：控制装置根据数据传输远控装置的指令及信息采集装置采集到的数据来控制波形发生器及波形放大器的电流、电压、波形、频率参数；

上述步骤利用波形发生器及波形放大器实现对输出电源的电流、电压、波形、频率的设定，而传统电源的输出的是直流电源。

建立杂散电流环境：微型等比例接地极模型和辅助回路电极接收波形发生器及波形放大器输出的电源，微型等比例接地极模型和辅助回路电极作为腐蚀杂散电流输出的正负极端子，提供杂散电流环境；

电位提取步骤：根据参比电极与第一电压表，提取腐蚀试验区的电位，该步骤可采用现有技术，在此不再赘述。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：可实现模拟直流接地极不平衡杂散电流及单极运行条件下等效杂散电流腐蚀环境的功能，具有模拟直流接地极腐蚀环境相似度高、操作简单、自动化程度高等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的布局示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、数据传输远控装置；2、信息采集装置；3、信号变送器；4、控制装置；5、波形发生器及波形放大器；6、端子排；7、电流表；8、辅助回路电极；9、参比电极；101、第一电压表；102、第二电压表；11、微型等比例接地极模型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置，包括辅助回路电极8、微型等比例接地极模型11，其特征是：所述辅助回路电极为中空圆筒体，微型等比例接地极模型11为圆环体，微型等比例接地极模型11设置在辅助回路电极的圆心处，微型等比例接地极模型连接到供电电源的一极，辅助回路电极连接到供电电源的另一极。

上述结构的设计原理为：本发明中，将土壤设置在辅助回路电极的中空腔体中，然后将微型等比例接地极模型11，按照上述要求设置在土壤中，再此基础之上，布置埋设待研究腐蚀样品。

现有的模拟腐蚀试验装置对杂散电流的模拟是通过方形土壤盒内处于两端的正负电极回路实现，不能准确模拟接地极电流从极环由内向外四周发散的实际情况。目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置。为解决这一问题，本发明研究开发了一种模拟直流接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的试验装置，以中空圆筒体的导体作为辅助回路电极，采用圆环体作为微型等比例接地极模型，能准确模拟接地极电流从极环由内向外四周发散的实际情况，可实现模拟直流接地极不平衡杂散电流及单极运行条件下等效杂散电流腐蚀环境的功能，具有模拟直流接地极腐蚀环境相似度高、操作简单、自动化程度高等优点。在实验室或试验站即可完成相关腐蚀及防护试验。

所述供电电源为输出非直线波电源的波形发生器及波形放大器5。非直线波可以包括矩形波或正弦波或余弦波或锯齿波或横波等，即排除直线波，使得本系统可以研究不同波形电源对腐蚀环境的影响。根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，为整个腐蚀试验区提供电源支持。现有技术的腐蚀供电回路的供电电源一般为直流开关电源，输出的电源为直线波，研究腐蚀环境中电压、电流的等级、腐蚀环境的变化对腐蚀试片的影响，没有将波形的影响纳入腐蚀研究。现有的模拟腐蚀试验装置专利中，对杂散电流的模拟都是通过直流电源实现，只有电流、电压对腐蚀有影响。而通过接地极实地测试，发现极址附近土壤间电压波形是实际存在的，波形的形状和大小对腐蚀有影响，所以在模拟腐蚀试验装置中引入波形，目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流波形的腐蚀试验装置。

优选的，还包括控制系统，控制系统还包括信息采集装置2、与信息采集装置2连接的信号变送器3、与信息采集装置2连接的控制装置4、与信息采集装置连接的数据传输远控装置1；

数据传输远控装置是基于4G或WIFI的无线数据传输的远控单元，所述波形发生器及波形放大器为整个腐蚀试验区提供电源支持，并根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出。控制装置为PLC控制装置，所述信号变送器用于接受电流、电压信号，并对此信号进行处理及反馈，所述信息采集装置通过信号变送器采集电压、电流信号，并将信号传输至控制装置。

还包括第二电压表102，第二电压表两极分别连接在微型等比例接地极模型、辅助回路电极上，第二电压表102的电压数据输出端连接到信号变送器3；

还包括电流表7，电流表7串联在微型等比例接地极模型与供电电源之间，电流表7的电流数据输出端连接到信号变送器3；

第二电压表、电流表可以通过端子排6传输到信号送变器。

还包括参比电极9，参比电极9设置在辅助回路电极8、微型等比例接地极模型11之间，参比电极9为内部设置有硫酸铜溶液的有机玻璃圆柱形体。该参比电极为硫酸铜参比电极，与第一电压表101配合使用，测定腐蚀试验区电位分布。

所述微型等比例接地极模型为金属导体的圆环体。所述辅助回路电极为金属导体的圆筒体。

基于接地极杂散电流对埋地金属腐蚀的模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

电源输出步骤：控制装置根据数据传输远控装置的指令及信息采集装置采集到的数据来控制波形发生器及波形放大器的电流、电压、波形、频率参数；

上述步骤利用波形发生器及波形放大器实现对输出电源的电流、电压、波形、频率的设定，而传统电源的输出的是直流电源。

建立杂散电流环境：微型等比例接地极模型和辅助回路电极接收波形发生器及波形放大器输出的电源，微型等比例接地极模型和辅助回路电极作为腐蚀杂散电流输出的正负极端子，提供杂散电流环境；

电位提取步骤：根据参比电极与第一电压表，提取腐蚀试验区的电位，该步骤可采用现有技术，在此不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。