一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置及方法与流程

1.本发明属于电化学试验技术领域，特别是涉及一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置及方法。


背景技术：

2.我国电力工业在未来15-20年内仍将保持快速增长，而且西电东送和南北互供的全国联网战略的实现，均需建设大量超/特高压输变电系统，输送容量也越来越大，造成变电站的接地网的感应电流和短路电流也相应的增加，从过去的几ka已增加到几十ka。
3.接地网是确保人身、设备和系统的安全不可缺少的重要装置。接地网接地除了可以有效防止人体触电之外，还能确保电力系统的安全运行，给线路及电气设备的绝缘提供了有效保护。接地网的耐蚀性对变电站的稳定运行起到了至关重要的作用，延长接地网的使用寿命，保证变电站的稳定运行是电力系统输变电安全生产和运行的重要保障。
4.在接地网材料土壤腐蚀试验评价中，接地网材料在土壤中的耐腐蚀性评价方法主要分为室外现场埋设和室内加速腐蚀实验。室外现场埋设是通过在典型的土壤中埋设试件，然后按照一定的试验周期取出，测量试样的失重率和腐蚀速率。这种方法简单，所观察到的试样表面形貌和测得的数据能比较直观的反映材料在土壤中的耐蚀性能。但由于其实验周期长，不能及时得到接地材料在土壤中的耐蚀性以及腐蚀动力学方面的信息。
5.室内加速腐蚀实验是一种人为控制实验条件通过模拟加速腐蚀的实验方法，力求在较短的时间内快速判断材料在土壤中的腐蚀特征。常用的室内加速腐蚀试验评价包括土壤加速模拟试验评价和电化学测量评价。土壤加速模拟试验是通过在室内引入试验土壤，通过升高温度或者引入腐蚀性介质提高金属材料在土壤中的腐蚀速率，实现快速评价；而电化学测量评价则是通过对试验土壤的介质特征进行提取，然后在能够反映土壤特征的土壤模拟溶液中对接地材料试样进行电化学测量，通过解析测量数据，获得金属材料对应的腐蚀速度。室内加速腐蚀试验具有快速简便，可对接地材料进行快速评价，对接地材料的入网检验和接地网材料的快速筛选提供重要的数据支持。相比土壤加速模拟试验，电化学测量评价速度更快，同时还可以对服役工况下的腐蚀动力学提供研究数据。
6.北京科技大学公开的专利号为cn201096707，名称为一种土壤腐蚀模拟加速试验箱，其试验装置中设置了温度、含水量、重量传感器等装置，可用于在实验室内模拟现场土壤腐蚀的实际情况，通过调节试验温度和土壤含水量来达到加速腐蚀的目的，从而比较不同材料的耐土壤腐蚀能力，以及比较不同土壤的侵蚀性的强弱。
7.国网山东电力有限公司电力科学研究院公开的专利号为201320675615.5，名称为一种土壤腐蚀模拟加速试验箱。该设计通过重量传感器的信号线与控制系统连接，增加了土壤介质水分的均匀化程度，提高了土壤介质含水量的控制精度。
8.福州大学提出了一种电化学腐蚀实验系统(cn110542648a)，通过设计电解槽的结构，引入变频泵实现对槽内电解液的调节。
9.江苏大学提出了一种电化学腐蚀试样制备装置与方法(cn102620972a)。可以把试
样的工作面朝下，通过外周的四个弹片紧密固定住试样，使得工作面与聚乙烯本体下表面的1mm
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1mm镂空窗口贴合。方便对较大的试样进行局部电化学测量。
10.上述这些专利中的设计有效地实现了常规金属材料在模拟土壤环境下的腐蚀试验，和常规金属材料的腐蚀电化学测量试验。但对接地网的服役工况环境，上述各专利中提到的设计装置还不能满足接地网材料在服役工况下的腐蚀电化学试验。从接地网的服役工况来看，接地网材料在土壤中的腐蚀除了受土壤环境参数(含水量、温度、湿度、ph值、氧含量等)影响以外，还有一个重要的工况参数，就是通过接地网的电流。在接地网服役过程中，接地网材料会流过不同大小和频率的电流。这对接地网的腐蚀有重要的影响。因此，在模拟接地网土壤腐蚀试验中，需要引入这一重要的参量。


技术实现要素：

11.有鉴于此，本发明提供了一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置及方法，通过模拟接地网服役工况，可有效测定接地网材料在不同土壤环境下的腐蚀速率。
12.依据本发明一个方面，提供了一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置，包括：
13.电解槽，包括槽体、以及位于所述槽体内的对电极和参比电极；
14.接地模拟系统，包括供电电源和惰性电极，所述惰性电极位于所述槽体内并与待测试试样构成回路，所述供电电源用于为所述惰性电极和所述待测试试样构成的回路供电，以实现所述待测试试样在服役工况下通电状态的模拟。
15.进一步的，所述槽体中还设有温度调节器，所述温度调节器用于调节所述槽体内的电解液的温度。
16.进一步的，所述惰性电极为石墨板电极、或不锈钢电极、或钛电极。
17.进一步的，所述惰性电极包括第一惰性电极和第二惰性电极，所述第一惰性电极、第二惰性电极和待测试试样平行设置，且所述待测试试样位于所述第一惰性电极和所述第二惰性电极之间。
18.进一步的，所述第一惰性电极和所述第二惰性电极均通过导线串联后与所述供电电源的接地极连接；所述供电电源的输出极与所述待测试试样连接。
19.进一步的，所述供电电源为交流电源或直流电源。
20.进一步的，所述参比电极为饱和甘汞电极或银/氯化银电极；所述对电极为铂电极。
21.本发明提供的一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置，通过使惰性电极与待测试试样构成回路，再通过供电电源为惰性电极和待测试试样构成的回路供电，以实现待测试试样在服役条件下通电状态的模拟，本发明提供的装置可以有效地模拟接地网材料的服役工况，实现对接地网服役环境下接地网材料的腐蚀电化学测量，大大提高了测试结果的有效性和可靠性。
22.依据本发明另一个方面，提供了一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验方法，包括：
23.在如上述所述的模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置的槽体中注入电解液后，将所述对电极、参比电极、待测试试样和惰性电极分别放入所述槽体中；
24.控制所述供电电源向所述惰性电极和所述待测试试样构成的回路供电，以实现所述待测试试样在服役条件下通电状态的模拟。
25.进一步的，在控制所述供电电源向所述惰性电极和所述待测试试样构成的回路供电前，还包括：
26.通过温度调节器对所述槽体内的电解液的温度进行调节，直至所述电解液的温度为预设温度为止。
27.借由上述技术方案，本发明实施例提供的技术方案至少具有下列优点：
28.本发明提供了模拟接地网材料服役工况的电化学试验方法，与现有技术相比，本发明通过通过引入供电电源和惰性电极，通过调控可以有效模拟接地网材料在土壤环境下服役工况，提高接地网材料土壤腐蚀试验的准确性和可靠性。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
30.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
31.图1示出了本发明实施例提供的模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置的结构示意图；
32.图2示出了本发明实施例的cu电极在酸性土壤模拟液中通过不同电流密度的动电位极化曲线。
33.图中：1、槽体，2、对电极，3、参比电极，4、供电电源，5、第一惰性电极，6、第二惰性电极，7、待测试试样，8、电解液，9、电感元件，10、电化学工作站。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
35.如图1所示，一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置，包括电解槽和接地模拟系统，电解槽包括槽体1、以及位于槽体1内对电极2和参比电极3；接地模拟系统包括供电电源4和惰性电极，惰性电极位于槽体1内并与待测试试样7构成回路，供电电源4用于为惰性电极和待测试试样7构成的回路供电，以实现待测试试样7在服役条件下通电状态的模拟。
36.本发明通过使惰性电极与待测试试样7构成回路，再通过供电电源4为惰性电极和
待测试试样7构成的回路供电，以实现待测试试样7在服役条件下通电状态的模拟，本发明提供的装置可以有效地模拟接地网材料的服役工况下的通电条件，实现对接地网服役环境下接地网材料的腐蚀电化学测量，大大提高了测试结果的有效性和可靠性。
37.在一些实施方式中，槽体1中还设有温度调节器，温度调节器用于调节槽体1内的电解液8的温度，以实现对接地网所处环境下的温度模拟，进而实现对接地网环境的精确模拟。
38.由于，惰性电极是在测试中可与待测试试样7构成电流回路的电极，因此，在对惰性电极的选择时，需要考虑惰性电极不会与待测试试样发生反应，因此，在一些实施方式中，惰性电极为石墨板电极，不锈钢电极、钛电极中的一种。作为优选的，惰性电极选为石墨板电极。
39.在一些实施方式中，惰性电极包括第一惰性电极5和第二惰性电极6，第一惰性电极5、第二惰性电极6和待测试试样7平行设置，且待测试试样7位于第一惰性电极5和第二惰性电极6之间。将待测试试样7放在第一惰性电极5和第二惰性电极6之间，能够使第一惰性电极5、第二惰性电极6和待测试试样7构成的回路上的电流分布均匀。
40.在一些实施方式中，第一惰性电极5和第二惰性电极6均通过导线串联后与供电电源4的接地极连接；供电电源4的输出极与待测试试样7连接。
41.进一步的，供电电源4为交流电源或直流电源。当供电电源4为交流电源时，交流电源的频率可调，可满足接地网通过电流的频率特征需求，包括工频频率和其他频率，由于交流电源的电流可调，因此，交流电源能够满足接地网工况模拟所需的电流需要。当供电电源4为直流电源时，直流电源能够满足模拟接地网在直流输变电环境下通过电流的参数需要。本技术通过将供电电源4选择为直流供电电源4或交流供电电源4，可模拟不同输变电服役环境下接地网材料的服役工况，可针对性地进行试验。
42.在一些实施方式中，参比电极3为饱和甘汞电极或银/氯化银电极；对电极2为铂电极。
43.本发明提供的一种模拟接地网材料服役工况的电化学试验方法，包括如下步骤：
44.步骤1、在如上述所述的模拟接地网材料服役工况的电化学试验装置的槽体1中注入电解液8后，将对电极2、参比电极3、待测试试样7和惰性电极分别放入槽体1中；
45.步骤2、控制供电电源4向惰性电极和待测试试样7构成的回路供电，以实现待测试试样7在服役条件下通电状态的模拟。
46.其中，在待测试试样7的准备中，待测试试样7可根据实际需要选择适当的大小和形状。在本技术中，使待测试试样7的通过焊接或机械与一根带绝缘护套的导线相连，并通过树脂或全胶封闭连接部位，避免产生电偶腐蚀。待测试试样7的表面处理按照电化学测量要求执行。在电解液8中放置待测试试样7时，先将导线与待测试试样7连接，并与供电电源4的输出端相连。然后，在平行于待测试试样7的周围摆放惰性电极，将惰性电极连接的导线与供电电源4的接地点连接。同时，在槽体1中安置参比电极3和对电极2。
47.然后，待测试试样7的导线通过一个电感元件9与电化学工作站10的工作电极端子连接，这里，引入电感元件是为了屏蔽电极/石墨板回路中的交流信号。槽体1中的参比电极3与电化学工作站的参比电极3端子连接，对电极2与电化学工作站的对电极2端子连接。
48.在对待测试材料进行试验开始时，在槽体1中加入模拟土壤的电解液8，比过通过
恒温控制调节电解液8温度。随后调节供电电源4使得测试电极通过一定量的电流，满足模拟接地网工况的需要。随后就可以开始对接地网材料进行腐蚀电化学测量试验。
49.与现有的土壤试验方法相比，本技术引入供电电源4和惰性电极，通过调控可以有效模拟接地网材料在土壤环境下服役工况，提高接地网材料土壤腐蚀试验的准确性和可靠性。
50.在一些实施方式中，在控制供电电源4向惰性电极和待测试试样7构成的回路供电前，还包括：通过温度调节器对槽体1内的电解液8的温度进行调节，直至电解液8的温度为预设温度为止。
51.为了更好地说明本发明的目的、技术方案及优点，下面将结合实际案例，对本发明的实施例中的技术方案进行清晰的描述。
52.在本实施例试验中，选用的接地网材料为铜，从接地网生产线中取样，待测试材料为圆柱体状。取样大小为φ10mm
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3mm。待测试材料通过焊锡焊接连接，然后通过环氧树脂封闭样品与导线连接处，避免发生电偶腐蚀。随后对样品进行除油、清洗处理。待用。
53.电解液8选择为土壤模拟液，优选为按照我国东南地区典型的酸性红壤的分析结果配制模拟出的电解液8。
54.试验中，选用的惰性电极为石墨板电极，石墨板电极的尺寸为50mm
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50mm
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4mm，在石墨板电极的顶端通过钻孔、攻丝获得螺纹孔，并通过螺丝将导线与石墨板电极连接，随后用环氧树脂封闭螺丝与导线连接部位。避免螺丝与导线腐蚀。随后对石墨板电极进行除油、清洗干燥。待用。
55.在电解液8中放置待测试材料时，先将导线与待测试材料连接，并与供电电源4的输出端相连。然后在平行于待测试材料周围摆放石墨板电极，将石墨板电极连接的导线与电源的接地点连接。同时在电解槽中安置参比电极3和对电极2。这里，参比电极3选用饱和甘汞电极，对电极2选用铂电极。
56.然后，待测试材料的导线同时与电化学工作站的工作电极端子连接，参比电极3与电化学工作站的参比电极3端子连接，对电极2与电化学工作站的对电极2端子连接。
57.试验开始时，在电解槽的槽体1中加入模拟土壤的电解液8，比过通过恒温控制调节电解液8温度达到25℃。随后调节供电电源4使得接地网材料通过一定量的电流，满足模拟接地网工况的需要。随后就可以开始对接地网材料进行腐蚀电化学测量试验。
58.根据接地网实际服役工况换算得到通过电极的电流密度依次为10a/m2、30a/m2、50a/m2、100a/m2，同时设置一组未通过电流的电极作为空白对照。动电位极化曲线扫描范围为相对开路电位-0.1v-0.1v，扫描速率为0.1667mv/s。进行三次平行实验以确保数据的可靠性和重复性。动电位极化曲线测试结果如下图2所示。
59.利用电化学数据分析软件对动电位极化曲线进行最小二乘法拟合，拟合结果如表1所示。可以看到cu电极的腐蚀电流密度随外加电流密度的增大而逐渐增大，表明cu电极的腐蚀速率随外加电流的增大而逐渐增大，交流电的引入促进了cu的腐蚀。
60.本发明提出的模拟接地网材料服役工况的土壤腐蚀电化学试验装置和方法，充分考虑了接地网服役工况中的接地电流特征工况参数。通过本发明装置可获得与接地网实际工况更接近的试验结果。具有较高的准确性和可靠性。
61.表1.cu电极在酸性土壤模拟液中通过不同电流密度的动电位极化曲线拟合结果
62.i/a m-2
0103050100i
corr
/a cm-2
4.7556e-65.7735e-65.816e-61.2922e-52.8002e-5
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。