戈壁灘鹽堿地質環境牽引變電所接地技術研究

1 戈壁灘鹽堿地質環境接地技術的特點

環境特點。新疆地區屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，遠離海洋，深居內陸，年降水量少，氣溫溫差大，土壤電阻率高。文章所研究的3座牽引變電所分別為處于哈密市的新尾亞牽引所（以下簡稱A所），處于吐魯番市的分區9所（以下簡稱B所），和AT19所（以下簡稱C所）。從現場地理形貌來看，地表層均覆蓋了不同程度的戈壁風化卵石，下層為主要為鹽漬土，土壤電阻率平均值均在2000以上，具有類同性。

土壤特征。一般情況下，在距地表1m 內易溶鹽的平均含量高于0.3%的土壤定義為鹽漬土。鹽漬土的形成與氣候、地形、土壤、水文地質等自然條件有直接關系，極端干旱的氣候條件造就了新疆成為中國土壤鹽堿化、鹽漬化的主要分布區，是各種環境因子相互疊加的綜合反映。在0～0.8m的土壤深度層，土壤中的平均鹽分質量分數為15.37～22.67g/kg。土壤含鹽量高且土壤鹽分剖面具有表聚性，85%為硫酸鹽型鹽漬土，2%為氯酸鹽。PH值為7.5～8.5之間，呈堿性環境。

2 接地技術的影響性

接地材料的選擇應重點關注材料的載流能力、導電性、機械性能、耐腐蝕性等因素。不同材質的金屬接地材料，在中小型接地系統中，材料的導電率對整體接地系統的影響較小，對接地網的電位分布、接地電阻值基本沒有影響[1]。因此，對于牽引變電所的接地系統，材料的選擇載流能力和耐腐蝕性兩個因素，載流能力一般是通過增加導體的截面積來實現，而耐腐蝕性能與材料屬性和土壤環境具有直接關系。

PH 對金屬材料腐蝕性能的影響。根據土壤的PH值，土壤可分為7個層級（表1）[2]。蘭新二線新疆段沿線土壤PH值基本約為7.5～8.5，為堿性土壤環境。中國科學院海洋研究所開展了PH值對鍍鋅鋼在模擬銹層溶液中電化學腐蝕行為的影響[3]，陜西電力科學研究院開展了不同pH值的土壤溶液中銅包鋼的腐蝕行為研究等[4]，研究均表明，銅質、鋼質等材料在酸性環境中腐蝕性最強，隨著PH值的升高在中性、堿性環境中腐蝕速率逐漸降低。原因為PH值對金屬材料的電化學腐蝕行為起著重要作用，在強堿環境中可處于鈍化狀態，隨著PH值的升高，鈍化膜的穩定性上升，腐蝕速率降低。

表1 土壤酸堿度分級標準

含鹽量對金屬材料腐蝕性的影響。土壤中含有的可溶性鹽會直接影響到土壤的其他理化性質，可溶性鹽含量增加，由于帶電離子濃度增大，可使土壤導電能力變強、土壤電阻率降低，且介質濃度的變化也會影響腐蝕電流密度，土壤中對金屬腐蝕影響最大的是Cl-和SO42-。新疆電力公司電力科學研究院研究表明[5]，在富含硫酸根離子的土壤中，表面為銅質材料具有較好的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性能遠優于傳統的鍍鋅鋼材料。

降阻性能的影響。一般情況下，土壤含鹽量越高土壤電阻率越低，是基于土壤中的可溶性鹽。但新疆地區干旱少雨，雖然土壤為鹽堿地帶，但土壤中的鹽分主要為結晶鹽而非可溶性鹽，從而土壤電阻率仍可高達2000Ωm，僅在冰雪融化或者夏季出現的季節性洪水時，部分結晶鹽才轉化為可溶性鹽，土壤電阻率向下出現躍變。因此，對于牽引變電所接地系統依然要考慮降阻效率高的材料，同時也應兼顧季節性洪水期的接地材料耐腐蝕性能。

3 蘭新二線牽引變的項目案例分析

3.1 改造前的現狀

蘭新二線新疆段牽引變接地系統通過5年的運行，依據《鐵路技術管理規程》（鐵總科技［2014］172號）、《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2016）、《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014），結合日常接地參數的監測，三座牽引變電所均已超出接地網接地電阻小于0.5Ω的規定。從表2可看出，三座牽引變電所現有的接地電阻值與技術規范要求比較，數值均已嚴重超標5倍以上，當設備發生故障或者雷擊時，易造成高、低壓設備燒損，影響設備安全可靠運行需進行專項整治。

表2 三座牽引變電所改造前的接地電阻值

3.2 真因分析

三座牽引變電所在新建投產前接地電阻值均低于0.5Ω，經過5年運行接地電阻值均出現了跨越式的上升躍變，通過真因分析針對性的發現問題，以達到牽引變電所可持續的可靠性。

以往僅注重接地的電氣參數要求，忽視了土壤的影響特性。通過對原地網實際開挖發現，在土壤鹽分的表聚區，鍍鋅鋼材料出現了較為嚴重的表面腐蝕，形成的銹蝕物質導電性能差，接地材料的泄流能力降低。

鹽堿地質存在季節性的土壤特性變化。一般情況下新疆戈壁灘區干旱少雨，土壤中存在的鹽分形成了結晶體，非電離性導體，呈現的是高土壤電阻率，較低的土壤導電性能，較低的腐蝕性能。而每年集中出現的降雪、降雨，甚至形成季節性洪水，導致土壤的電特性、腐蝕特性出現反轉，即結晶鹽部分轉化為離子狀態，出現季節性的接地材料狀態變化，此時土壤電阻率低，接地材料處于較強的腐蝕性環境，在季節再次干旱時，接地電阻值每年積累型的增大。

處于風區的接地網應高于普通地區的埋深。蘭新二線的路網走向在戈壁灘遠離車站區域，基本都處于無人區、甚至處于風口地帶，戈壁灘表面沒有植被保護，并且在項目初期建設過程中，歷年形成較為堅固的風化卵石層已被破壞，風區會逐漸使接地體在土壤中的位置相對變淺，受戈壁灘區溫差大等因素影響，也促使了接地電阻值的變化。

3.3 改造實施情況

土壤環境決定了接地材料的腐蝕性使用壽命，同時對接地網的電氣性能也有影響。本次實施改造在關注接地系統電氣特性的同時，也綜合考慮了所在區域的土壤特性。根據土壤環境，結合地質、氣候、牽引變的位置分布等特點選擇適用的接地材料。

水平接地材料的選擇。華東某省電力公司通過對所屬變電站接地系統多年的監測，認為接地網材料用銅或銅覆鋼材比鋼材的耐腐蝕要好，在腐蝕嚴重地區不用鋼而代之以銅是合理的[6]。因此，針對季節性的土壤嚴重腐蝕特點，本項目群水平接地體采用150mm2的銅絞線。

垂直接地材料的選擇。本項目群在多個季節仍然呈現土壤電阻率高的狀態，季節性溫差較大，仍需考慮接地系統的降阻特性，為避免接地電阻值的越變，垂直接地材料選擇長度為20m的銅質緩釋型離子接地裝置（緩釋型離子接地裝置技術已較成熟，本文不再論述），通過鉆孔深井的方式進行安裝。

增加接地溝槽的開挖深度。按照接地技術相關技術標準，一般要求接地溝槽的深度不低于0.6m，考慮到戈壁灘區域的風口特性，本項目群的開挖深度為0.8m，以降低風沙對表層的破壞影響，接地材料受土壤溫差影響較小。

表3 實施改造后的接地參數

項目實施后，接地電阻值達到了預期要求，并開展了為期3個月的數據監測，接地電阻參數較為穩定。從表3可看出，在實施后的第30天三座牽引所的接地電阻值都有較大幅度的降低，主要原因是接地溝槽表面的回填土受重力作用出現部分沉降，土壤之間更為密實。在60天、90天的兩次復測，緩釋型離子接地裝置的離子成分的緩釋性，接地電阻值趨于穩定。