黃建平，陶方華，林陽坡，黃玲珍，陳楚楚，孫理歐，馬原馳

0 引言

鐵路牽引變電所的接地系統(tǒng)直接關(guān)系到牽引供電系統(tǒng)的安全，重大電氣事故的發(fā)生和擴(kuò)大多與接地系統(tǒng)的缺陷有關(guān)[1]。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，牽引負(fù)荷隨之增大，而牽引變電所的回流電流會(huì)造成地網(wǎng)電位升高，一方面對(duì)人身以及設(shè)備安全造成威脅，另一方面對(duì)保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)裝置造成影響，并可能引發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)[2]，從而引起一系列嚴(yán)重后果，還會(huì)對(duì)接地網(wǎng)帶來影響。然而，接地網(wǎng)作為埋設(shè)于土壤中的均壓泄流裝置，長期承受工頻電流及軌道回流的作用，回流作用造成接地網(wǎng)所在土壤環(huán)境中的電磁能量密度增大，與這些設(shè)施相鄰的接地網(wǎng)發(fā)生感應(yīng)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增大[3]。因此，有必要對(duì)接地網(wǎng)的感應(yīng)腐蝕變化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

研究表明，外部環(huán)境因素的變化（如碳化和凍融等）、水的滲透、氯離子的擴(kuò)散、堿集料反應(yīng)、土壤中金屬接地極的腐蝕均可利用電化學(xué)阻抗譜的方法進(jìn)行研究，該技術(shù)既可用于快速檢測(cè)，也可用于對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行長期跟蹤觀察。本文提出利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)，通過研究土壤的微觀結(jié)構(gòu)與埋地金屬接地極性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕變化趨勢(shì)的長期在線監(jiān)測(cè)。

1 現(xiàn)有地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)對(duì)接地網(wǎng)的防腐運(yùn)維及檢測(cè)主要通過導(dǎo)通電阻以及接地電阻測(cè)試并進(jìn)行選點(diǎn)開挖實(shí)現(xiàn)。選點(diǎn)開挖的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、檢測(cè)結(jié)果代表性不強(qiáng)，有時(shí)無開挖條件，且導(dǎo)通及接地電阻測(cè)試分別反映接地點(diǎn)狀態(tài)及接地網(wǎng)整體狀態(tài)，存在一定的片面性。目前，國內(nèi)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕研究較多的是接地網(wǎng)的故障診斷（或稱缺陷檢測(cè)），主要的檢測(cè)方法是基于電磁感應(yīng)和基于電網(wǎng)絡(luò)理論（電阻抗法）的接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)。其中，電磁法易受激勵(lì)方式、外部環(huán)境影響，在測(cè)量過程中，變電所的電纜溝、水泥地、上方母線、各種開關(guān)和門形架都會(huì)對(duì)測(cè)得的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。電網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算復(fù)雜，且需依賴地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，否則無法建立準(zhǔn)確的地網(wǎng)模型。此外，這些方法都無法獲得接地網(wǎng)接地極金屬的腐蝕速率，如果檢測(cè)到導(dǎo)體被腐蝕變細(xì)，也無法獲知導(dǎo)體的截面不再滿足散流要求的時(shí)間。

牽引變電所接地網(wǎng)的接地極材料在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕[4]。從金屬腐蝕機(jī)理的角度考慮，腐蝕是因?yàn)榘l(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致金屬流失，而電流密度是表征腐蝕速率和腐蝕傾向的最佳參數(shù)。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1532—2016《接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定，檢測(cè)腐蝕狀態(tài)可采用對(duì)接地引下線間端口電阻進(jìn)行測(cè)量的電氣方法或者對(duì)接地網(wǎng)取樣稱重的理化方法。這兩種方法都面臨操作繁瑣、難以原位動(dòng)態(tài)測(cè)量，并必然造成原有土壤結(jié)構(gòu)局部破壞等缺點(diǎn)。而電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)是表征接地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)和研究腐蝕機(jī)理最有效的手段[5]。

2 基于電化學(xué)腐蝕原理的腐蝕在線監(jiān)測(cè)

本文提出一種基于電化學(xué)腐蝕原理的接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)，利用電化學(xué)阻抗譜研究土壤的微觀結(jié)構(gòu)與埋地接地極性能之間的關(guān)系，通過電化學(xué)傳感器感知接地網(wǎng)腐蝕狀況，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)經(jīng)由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等方式并經(jīng)WEB 服務(wù)器上傳至用戶終端，或由短信息直接查詢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率及其變化狀態(tài)的長期無縫在線跟蹤監(jiān)測(cè)，并支持異地瀏覽監(jiān)控和經(jīng)驗(yàn)信息共享，便于牽引變電所運(yùn)行維護(hù)人員從電化學(xué)的角度評(píng)估和預(yù)測(cè)接地網(wǎng)的使用壽命，以便于提前采取檢修措施。

電化學(xué)腐蝕是接地網(wǎng)的主要腐蝕形式，腐蝕速率測(cè)量是接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。腐蝕速率的電化學(xué)測(cè)試技術(shù)是一種可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的原位測(cè)量技術(shù)[6]，靈敏度較高，能夠測(cè)得金屬的瞬時(shí)腐蝕信息，也可以長期監(jiān)測(cè)金屬電極表面腐蝕狀況，從而滿足對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率長期在線監(jiān)測(cè)的要求。

作為土壤腐蝕研究中應(yīng)用較廣泛的電化學(xué)測(cè)量方法，電化學(xué)極化阻力及其阻抗譜技術(shù)是一種非破壞性測(cè)試技術(shù)，其原理是向測(cè)試體系施加微小擾動(dòng)后，在腐蝕電位附近，電流和電位的變化呈線性關(guān)系，其斜率即為極化電阻RP。一般情況下，電化學(xué)檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)為振幅不超過20 mV 的正弦波，對(duì)稱的正弦波不會(huì)造成電極極化的積累，以微小電信號(hào)對(duì)體系進(jìn)行擾動(dòng)，不會(huì)打破體系原有的平衡態(tài)，同時(shí)保證了擾動(dòng)與響應(yīng)信號(hào)之間的近似線性關(guān)系，數(shù)據(jù)處理較為簡單。接地網(wǎng)接地極金屬的腐蝕速率可通過測(cè)定極化電阻RP來確定。通過測(cè)量極化電阻RP，可以得到腐蝕電流icorr，從而可測(cè)得金屬的瞬時(shí)腐蝕信息，能夠用于長期監(jiān)測(cè)金屬電極表面的腐蝕狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕狀況的長期在線監(jiān)測(cè)。

3 接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于前述的監(jiān)測(cè)方法，研究一套可用于牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)評(píng)估、基于電化學(xué)測(cè)量原理的在線監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)由若干多功能電化學(xué)腐蝕探頭、多功能數(shù)據(jù)采集儀主機(jī)和安裝有PC 客戶端軟件的后臺(tái)服務(wù)器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)腐蝕速率及其變化狀態(tài)的長期在線監(jiān)測(cè)。

圖1 接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

3.1 多功能電化學(xué)腐蝕探頭

多功能電化學(xué)腐蝕探頭采用無源方式，用于將接地網(wǎng)中接地極的腐蝕狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，可監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要包括接地極的腐蝕電位、腐蝕電流和腐蝕速率，土壤環(huán)境中的pH 值、氯離子濃度和土壤電阻率。

圖2 中的金屬銅材質(zhì)為工作電極，用于測(cè)量腐蝕速率和腐蝕電位，而帶黑色橡膠圈的為參比電極。此外，土壤環(huán)境中的pH 值、氯離子濃度和土壤電阻率等參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行定制選配。

圖2 多功能電化學(xué)腐蝕探頭

3.2 多功能數(shù)據(jù)采集儀

多功能數(shù)據(jù)采集儀主要包括腐蝕信號(hào)接收、控制及信號(hào)處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中，自身的存儲(chǔ)電路模塊可記錄999 組以上的測(cè)量數(shù)據(jù)，保證在傳輸出現(xiàn)故障時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)不丟失。

圖3 多功能數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)

該多功能數(shù)據(jù)采集儀具有多個(gè)監(jiān)測(cè)通道，能夠同時(shí)接入多個(gè)多功能電化學(xué)腐蝕探頭，可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，可根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)和數(shù)據(jù)采集，之后可根據(jù)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出相應(yīng)的腐蝕速率指標(biāo)。

經(jīng)過測(cè)量系統(tǒng)程序的參數(shù)設(shè)定后，腐蝕信號(hào)接收電路、控制及信號(hào)處理電路將檢測(cè)到的原始電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到埋地金屬接地電極的腐蝕電位、極化電阻和腐蝕速度等參數(shù)。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號(hào)的形式存儲(chǔ)于機(jī)載存儲(chǔ)器中，同時(shí)通過專用的通信電纜或無線4G 網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至位于總控室的后臺(tái)服務(wù)器上，以用于數(shù)據(jù)分析、管理和展示。

3.3 PC 客戶端后臺(tái)軟件

現(xiàn)場(chǎng)屏柜的監(jiān)控服務(wù)器中安裝有PC 客戶端后臺(tái)軟件，基于遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)所有前端的多功能電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器探頭進(jìn)行自動(dòng)巡檢、指令操控、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)顯示等，可同時(shí)控制多個(gè)電化學(xué)腐蝕傳感器探頭和數(shù)據(jù)采集儀，從而形成局域的腐蝕監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。后臺(tái)軟件主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、通信測(cè)試、單次測(cè)量、歷史曲線分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)瀏覽等功能模塊。通過后臺(tái)軟件可設(shè)定前端監(jiān)測(cè)探頭的各測(cè)試參數(shù)，包括金屬電極面積、測(cè)量時(shí)間間隔、通信端口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件等，也可隨時(shí)調(diào)取、查看和分析檢測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)接地網(wǎng)所處土壤結(jié)構(gòu)中化學(xué)環(huán)境的變化以及接地極的腐蝕電位、腐蝕速率等狀況。

PC 客戶端后臺(tái)軟件各主要監(jiān)測(cè)參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線如圖4 所示。

圖4 主要參數(shù)變化曲線

PC 客戶端后臺(tái)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫管理，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估牽引變電所接地網(wǎng)接地極發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。該軟件還具有閾值設(shè)定及報(bào)警功能，異常情況時(shí)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行本地報(bào)警提示，也可通過定制Web Service 自動(dòng)發(fā)送短信或E-mail，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)報(bào)警提示。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則

接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)中的多功能電化學(xué)腐蝕探頭的數(shù)量和配置與監(jiān)測(cè)的牽引變電所接地網(wǎng)的規(guī)模息息相關(guān)。一般情況下，傳感器探頭的安裝點(diǎn)位和密度可根據(jù)牽引變電所所處的地理環(huán)境條件確定，并可在重要電氣設(shè)備區(qū)域或接地引下線密度較高的區(qū)域加強(qiáng)布置，也可根據(jù)接地網(wǎng)面積按照一定的密度進(jìn)行均勻橫縱排布。

特別地，在牽引變電所亭內(nèi)的一些核心場(chǎng)區(qū)需要重點(diǎn)考慮和埋設(shè)多功能電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器探頭，主要包括：（1）主變壓器接地點(diǎn)；（2）接地網(wǎng)中間架構(gòu)或高壓開關(guān)設(shè)備接地點(diǎn)；（3）進(jìn)線端避雷器接地點(diǎn)；（4）主接地網(wǎng)最外圍邊角處；（5）電纜溝內(nèi)；（6）獨(dú)立避雷針接地體位置處。

此外，多功能電化學(xué)腐蝕探頭的埋設(shè)深度與接地網(wǎng)鋪設(shè)深度需保持一致，但探頭無需與接地極進(jìn)行捆綁或串接，這樣不僅不會(huì)影響被測(cè)牽引變電所接地網(wǎng)接地極，而且便于現(xiàn)場(chǎng)的安裝施工。

4.2 牽引變電所安裝應(yīng)用情況

為實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕發(fā)展趨勢(shì)的有效監(jiān)測(cè)，全面提升設(shè)備的智能化水平，將本文所述的電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用在某牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)中。該變電所接地網(wǎng)共配置了20 個(gè)多功能電化學(xué)腐蝕探頭、3 臺(tái)多功能數(shù)據(jù)采集儀以及1 面戶外就地采集柜。現(xiàn)場(chǎng)安裝施工主要是在均勻分布的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工難度和重點(diǎn)設(shè)備區(qū)域監(jiān)控的要求，20 個(gè)多功能電化學(xué)腐蝕探頭基本埋置在1～4 號(hào)主變壓器、斷路器、進(jìn)線處電壓電流互感器的接地引下線位置附近。

多功能電化學(xué)腐蝕探頭的信號(hào)采集一端與接地極采用非接觸的方式連通，但應(yīng)盡量朝向侵蝕物可能進(jìn)入的方向，并在埋入前對(duì)探頭信號(hào)采集一端抹覆上一層土壤，同時(shí)將腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器探頭固定在接地極上或其附近，如固定在接地極上可采用捆扎帶固定，注意保持傳感器與接地極之間的電絕緣，固定后盡可能使用原土壤回填。土壤回填過程中盡量避免混凝土/回填土直接沖擊傳感器探頭，以防傳感器損壞。此外，信號(hào)電纜可在土壤內(nèi)部通過鋼管沿線槽、電纜溝排布，可用捆扎帶固定在電纜溝支架上或外套保護(hù)管后與電纜溝支架固定。

現(xiàn)場(chǎng)多功能數(shù)據(jù)采集儀安裝在戶外就地采集柜內(nèi)部，并由現(xiàn)場(chǎng)AC 220 V 50 Hz 電源轉(zhuǎn)DC 12 V供電；多功能電化學(xué)腐蝕探頭采集到的模擬信號(hào)經(jīng)多功能數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)換后，通過RS485 經(jīng)以太網(wǎng)接入到設(shè)置于變電所主控機(jī)房的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，通過后臺(tái)軟件展示該牽引變電所接地網(wǎng)各埋置點(diǎn)位上接地極的腐蝕發(fā)展趨勢(shì)及周邊土壤環(huán)境狀況。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于電化學(xué)原理的牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可幫助鐵路牽引供電運(yùn)維人員建立牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕長期在線監(jiān)測(cè)評(píng)估所需的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)開展專家系統(tǒng)分析和初步?jīng)Q策提供數(shù)據(jù)支撐，提升了牽引變電所亭內(nèi)接地網(wǎng)的智能化監(jiān)控和在線預(yù)警水平，提高了高速鐵路牽引變電管理系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益和管理效益。