接地導體腐蝕對地網接地電阻的影響和改善方法

周利軍，何智杰，陳 穎，劉 源，何 健，仇祺沛

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

近幾年，我國鐵路建設得到了快速發展。隨著寶蘭、西成等一批新建高速鐵路投入運營，鐵路營業里程達到12.7萬km。由于路網規模不斷擴大，牽引變電所所處的地質條件日益復雜，且隨著接地網運行年限的增加，接地網腐蝕帶來的接地網特性參數超標問題，時刻危害著牽引供電系統的安全與穩定運行[1]。

Q235鋼(碳素結構鋼)在華南酸性土壤中埋地1.4年后均勻腐蝕速率達到6～8 g/(dm2·a)，點腐蝕速率0.7～1.3 mm/a(腐蝕等級劃至5級)，試樣表面蝕坑密集連續，腐蝕嚴重。凱里供電段管轄湘黔線9個牽引變電所，自1998年以來，經預防性試驗先后發現一些地網的接地電阻超標，最大的接地電阻達7.3 Ω，超過設計和運行規定值的14倍。昆明鐵路局管轄的南昆線上8個牽引變電所，運行時間均已超過17年，其接地電阻值均大于規定的0.5 Ω。

牽引變電所的接地網是保證人員與電氣設備安全、維護鐵路系統可靠運行的重要措施。為了保證供電系統的安全、穩定和可靠運行，一般要求接地電阻值盡量低[2-4]。文獻[5]規定熱鍍鋅鋼材只能用于設計壽命不超過15年的臨時接地，且要定期檢測接地電阻及銹蝕情況。通過對牽引變電所接地網安全性狀態評估，發現接地網在基建設計與運行維護中存在的問題，有針對性地指導接地網大修技改所耗費的人力與物力成本越來越高。目前，我國電氣化鐵路牽引變電所接入的電壓等級為110 kV和220 kV，隨著高速電氣化鐵路的快速發展，將會有更多的牽引變電所接入220 kV 電網。這使得新建大型牽引變電所地網面積在10 000 m2以上，在這種情況下，需要解決由土壤理化性質與運行環境惡劣而引起的地網腐蝕以及接地網特性參數超標等問題尤為迫切。

文獻[6-9]研究了多層土壤結構參數和電阻率的確定方法，并指出土壤理化特性與腐蝕的關系。文獻[10-12]研究了等電位地網設計中接地導體半徑與地網接地電阻的關系。文獻[13-16]研究了不等間距布置地網均壓導體優化的問題，其研究的重點在于優化布置方法，分析等間距與不等間距布置時地網電氣參數的差異。

地網接地電阻是地網工程設計中的一項重要指標與參數，本文針對牽引變電所地網受侵蝕而引起接地電阻超標的情況，應用CDEGS專業接地軟件，仿真計算接地導體腐蝕狀況對接地網接地電阻的影響?？紤]不同土壤環境下接地導體腐蝕的差異，研究不同面積下接地導體腐蝕對地網參數特性的變化規律，通過不等間距布置接地導體的方法，優化地表電位分布，提高了接地網的整體利用率和散流效果，在等面積等鋼材用量下降低了接地網接地電阻受腐蝕影響的程度。

1 接地導體腐蝕對地網接地電阻的影響規律

牽引變電所接地網直接埋設在地下，常年暴露在大氣、浸沒在水或其他液體中，構成接地網的導體將產生腐蝕現象。假設隨著變電所接地網投運年限的增加，接地導體腐蝕程度隨年限增加，接地導體半徑以均勻速率逐年遞減。地網模型為100 m×100 m、網孔為10 m×10 m的均勻正方形接地網，水平接地極為水平圓鋼接地導體，接地導體直徑20 mm，地網埋深0.5 m。CEDGS軟件默認為銅質材料，“相對電阻率”和“相對磁導率”均為1，本文使用的鍍鋅鋼為鍍鋅層包裹碳鋼鋼芯，其電阻率為銅的8～10倍。可以求得其相對銅質材料的“相對電阻率”(取10)和“相對磁導率”(取300)。

1.1 周圍土壤電阻率不同時接地導體腐蝕對地網接地電阻的影響

采用接地分析軟件CDEGS，假設土壤的整體結構為均勻土壤結構，將土壤電阻率ρ從50 Ω·m分別調至100、200和500 Ω·m，仿真計算不同土壤電阻率下地網接地電阻的變化規律，結果見表1。

表1 不同的周圍土壤電阻率與接地導體腐蝕程度下的接地電阻上升率

表1中：α為接地電阻R的上升率，α=(RA-R)/R，RA為接地導體半徑變化后的接地電阻值，R為接地導體半徑r=10 mm時的接地電阻值。

α與接地導體腐蝕程度的關系如圖1所示。由圖1可知，對于相同的土壤電阻率ρ，隨著接地導體腐蝕程度線性遞增，接地導體半徑線性遞減，接地電阻上升率α增長得越來越快；對于不同的土壤電阻率ρ，接地電阻上升率α上升趨勢相似，且隨著ρ的增大，曲線的上升速率均漸緩，即ρ越大，接地導體半徑對地網接地電阻的影響越??；當ρ較大時，即使腐蝕程度較高，地網接地電阻的上升也并不明顯。當接地導體腐蝕程度小于20%時，接地導體半徑的變化對整體地網接地電阻的影響小于2%；而當接地導體腐蝕程度達到60%時，接地電阻上升率α的最大值可以達到10%。其原因在于隨著地網周圍土壤的土壤電阻率增大，接地導體的內阻相對接地電阻較小，使得接地網中的入地電流更容易通過遠端接地網散流，提高了接地網的整體利用率，因此導體半徑的同等變化對地網接地電阻的影響降低。

圖1 土壤電阻率、接地導體腐蝕程度與接地電阻上升率三者的對應關系

1.2 地網面積不同時接地導體腐蝕對地網接地電阻的影響

各牽引變電所地網面積略有不同，其地網的接地電阻受腐蝕的影響程度也不一樣，圖2為ρ=100 Ω·m時接地導體腐蝕程度與接地電阻上升率的對應關系。由圖2可知，在接地導體腐蝕程度較小時，兩者接地電阻上升率的差異并不明顯，在相同腐蝕程度的情況下，地網面積S越大，接地電阻上升率α上升得越快?？梢钥吹皆诟g程度小于40%時，地網面積增大3倍，其接地電阻上升率α約增大2倍；在腐蝕程度達到70%的情況下，面積為40 000 m2的地網接地電阻上升率接近40%，約為面積為10 000 m2的地網腐蝕程度達到80%的情況。而實際變電所投運中，地網面積越大，地網因施工時焊接不良及漏焊、接地短路電流電動力作用等原因，導致接地導體斷裂的情況將更加嚴重，使地網散流效果更加惡劣。

圖2 接地導體腐蝕程度與接地電阻上升率的對應關系(ρ=100 Ω·m)

由圖3可以看出，在相同的腐蝕程度情況下，土壤電阻率ρ越小，地網面積S越大，其接地電阻上升率相差越大。當腐蝕程度達到80%時，在土壤電阻率ρ=20 Ω·m處面積為10 000 m2的地網，其接地電阻上升率達到130%。國內一般的變電所接地電阻值普遍為0.3～0.5 Ω，以變電所單相接地故障產生的入地電流，考慮架空地線等分流貢獻后，實際入地短路電流IG也將達到7～10 kA，接地網電位升高將超過標準規定的安全電壓2 kV，這是相當危險的。假設最大故障持續時間為0.5 s，入地故障電流IG為10 kA，鍍鋅鋼導體融化溫度Tm為1 400 ℃，衰減系數為1.1，按IEEE標準及我國電力行業標準計算，此時最小導體尺寸半徑r=4.267 5 mm，接地導體半徑已經不滿足行業標準?？梢缘贸鼋拥貙w半徑過小導致接地導體沒有足夠的通流量來承受全部故障電流，接地網無法滿足行業標準的散流要求，使接地阻抗急劇上升。

圖3 地網面積為10 000 m2與40 000 m2接地電阻上升率對比

2 基于不等間距布置對地網腐蝕引起接地電阻超標的改善

目前牽引變電所接地系統的接地裝置大多數都是以水平接地極為主，外緣閉合，內部敷設若干均壓導體的接地網。均壓導體一般按5、7、10 m等間距布置，由于端部和鄰近效應，邊角網孔處接地體的散流作用較強，電流密度比中間網孔的電流密度大。因此按等間距布置的地網地面電位分布很不均勻，地網邊角處網孔接觸電勢遠比中心網孔接觸電勢高，而且這種差值隨地網面積和網孔數的增加而加大。對于均勻土壤分層模型，利用不等間距布置均壓導體改善接地網各導體的電流分布情況，能有效改善接地網地面的電位分布，降低接觸電壓和跨步電壓[21-25]。

地網模型面積為100 m×100 m，接地導體直徑20 mm，地網埋深0.5 m，網孔數保持100不變。根據DL/T 621—1997中接地網不等間距布置網孔邊長為網邊長百分數，布置不等間距均壓導體，仿真計算不等間距布置下，導體腐蝕程度與接地電阻上升率的相互關系。

由表2可知，在相同的土壤條件與腐蝕程度下，不等間距布置均壓導體的接地網接地電阻值都明顯小于等間距布置的地網接地電阻值，驗證了均壓優化的可靠性以及仿真搭建的正確性。隨著接地導體腐蝕程度的增大，接地導體半徑減小，采用不等間距布置均壓導體的優化效果更加明顯。在未腐蝕或腐蝕程度較小時，可以降低接地電阻約2%，而在腐蝕程度較大時，采用不等間距布置均壓導體可以降低接地電阻約8%。同時，采用不等間距布置均壓導體的方法也明顯降低接地電阻上升率，在腐蝕程度較大時，可以降低7%左右。

表2 不同均壓導體布置方法下接地電阻及其上升率

由圖4、圖5可以看出：不等間距布置均壓導體的方法，隨著接地導體腐蝕程度的增大，接地電阻上升率α明顯增大，但在高腐蝕狀況下，相較于等間距布置有明顯的降低。不等間距布置通過降低接地網對中間部分導體的屏蔽性，增大了中間導體的泄漏電流密度分布，在接地導體腐蝕程度變大時，因為接地導體可通流量降低，使中間導體與邊緣導體得到較充分的利用，提高了接地網的整體利用率和散流效果，使得接地電阻上升率α也得以降低。地網邊緣網孔與中心網孔的最大跨步電壓、接觸電壓基本相等，只有地網四角的網孔會出現跨步電壓與接觸電壓過高的情況，此時可以把地網四角設計成圓弧形。

圖4 不同均壓導體布置方法與接地電阻上升率的關系(ρ=100 Ω·m)

圖5 不同均壓導體布置方法與接地電阻上升率的對應關系

3 結論

本文采用專業接地軟件CDEGS建立牽引變電所接地網模型，對接地導體腐蝕引起地網接地電阻上升進行了研究。由于該問題涉及面廣，影響參數眾多，要想全面認識和掌握影響規律，還需要進行大量細致的理論研究和相關試驗研究。從本文分析研究中可以得出以下結論：

(1)在同一土壤電阻率下，接地導體腐蝕程度增大，使得接地電阻上升率非線性遞增；土壤電阻率越低，接地電阻上升得越快；在土壤電阻率低于100 Ω·m、接地導體腐蝕程度大于50%的情況下，接地電阻上升率可達20%～120%；而在高土壤電阻率下，盡管接地導體腐蝕達到70%，接地電阻上升率增加約5%，可以忽略。

(2)對于相同的腐蝕情況，地網面積越大，地網接地電阻增加得越明顯，因此對于大型的牽引變電所更應關注地網的腐蝕狀態。

(3)對于等面積和等鋼材用量下的接地網，通過采用不等間距均壓優化布置，充分利用接地導體，提高接地網的整體利用率和散流效果，在降低地網接地電阻的同時，接地電阻上升率也得以降低。綜合考慮接地網安全特性參數和安全限制要求，通過合理的選擇、調整、設計接地網方案，實現降低接地電阻的同時，降低接地網接地電阻受腐蝕影響的程度，實現經濟技術最優化。

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