牽引變電所接地網電化學腐蝕監測系統研究及應用

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直接關系到牽引供電系統的安全，重大電氣事故的發生和擴大多與接地系統的缺陷有關[1]。隨著我國高速鐵路的快速發展，牽引負荷隨之增大，而牽引變電所的回流電流會造成地網電位升高，一方面對人身以及設備安全造成威脅，另一方面對保護、測量、信號裝置造成影響，并可能引發保護裝置的誤動或拒動[2]，從而引起一系列嚴重后果，還會對接地網帶來影響。然而，接地網作為埋設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所在土壤環境中的電磁能量密度增大，與這些設施相鄰的接地網發生感應腐蝕的風險相應增大[3]。因此，有必要對接地網的感應腐蝕變化趨勢進行監測。

研究表明，外部環境因素的變化（如碳化和凍融等）、水的滲透、氯離子的擴散、堿集料反應、土壤中金屬接地極的腐蝕均可利用電化學阻抗譜的方法進行研究，該技術既可用于快速檢測，也可用于對研究對象進行長期跟蹤觀察。本文提出利用電化學阻抗譜技術，通過研究土壤的微觀結構與埋地金屬接地極性能之間的關系，實現對接地網腐蝕變化趨勢的長期在線監測。

1 現有地網腐蝕檢測技術

傳統對接地網的防腐運維及檢測主要通過導通電阻以及接地電阻測試并進行選點開挖實現。選點開挖的方式費時費力、檢測結果代表性不強，有時無開挖條件，且導通及接地電阻測試分別反映接地點狀態及接地網整體狀態，存在一定的片面性。目前，國內對接地網腐蝕研究較多的是接地網的故障診斷（或稱缺陷檢測），主要的檢測方法是基于電磁感應和基于電網絡理論（電阻抗法）的接地網腐蝕診斷技術。其中，電磁法易受激勵方式、外部環境影響，在測量過程中，變電所的電纜溝、水泥地、上方母線、各種開關和門形架都會對測得的磁場產生影響。電網絡法計算復雜，且需依賴地網拓撲結構圖，否則無法建立準確的地網模型。此外，這些方法都無法獲得接地網接地極金屬的腐蝕速率，如果檢測到導體被腐蝕變細，也無法獲知導體的截面不再滿足散流要求的時間。

牽引變電所接地網的接地極材料在土壤中的腐蝕屬于電化學腐蝕[4]。從金屬腐蝕機理的角度考慮，腐蝕是因為發生了電化學反應導致金屬流失，而電流密度是表征腐蝕速率和腐蝕傾向的最佳參數。根據電力行業標準DL/T 1532—2016《接地網腐蝕診斷技術導則》的相關規定，檢測腐蝕狀態可采用對接地引下線間端口電阻進行測量的電氣方法或者對接地網取樣稱重的理化方法。這兩種方法都面臨操作繁瑣、難以原位動態測量，并必然造成原有土壤結構局部破壞等缺點。而電化學檢測技術是表征接地網材料腐蝕狀態和研究腐蝕機理最有效的手段[5]。

2 基于電化學腐蝕原理的腐蝕在線監測

本文提出一種基于電化學腐蝕原理的接地網腐蝕在線監測評估技術，利用電化學阻抗譜研究土壤的微觀結構與埋地接地極性能之間的關系，通過電化學傳感器感知接地網腐蝕狀況，利用物聯網、移動互聯網等先進技術構建接地網電化學腐蝕在線監測網絡，數據經由移動互聯網等方式并經WEB 服務器上傳至用戶終端，或由短信息直接查詢，從而實現對接地網腐蝕速率及其變化狀態的長期無縫在線跟蹤監測，并支持異地瀏覽監控和經驗信息共享，便于牽引變電所運行維護人員從電化學的角度評估和預測接地網的使用壽命，以便于提前采取檢修措施。

電化學腐蝕是接地網的主要腐蝕形式，腐蝕速率測量是接地網腐蝕監測的重點。腐蝕速率的電化學測試技術是一種可以進行實時測量的原位測量技術[6]，靈敏度較高，能夠測得金屬的瞬時腐蝕信息，也可以長期監測金屬電極表面腐蝕狀況，從而滿足對接地網腐蝕速率長期在線監測的要求。

作為土壤腐蝕研究中應用較廣泛的電化學測量方法，電化學極化阻力及其阻抗譜技術是一種非破壞性測試技術，其原理是向測試體系施加微小擾動后，在腐蝕電位附近，電流和電位的變化呈線性關系，其斜率即為極化電阻RP。一般情況下，電化學檢測激勵信號為振幅不超過20 mV 的正弦波，對稱的正弦波不會造成電極極化的積累，以微小電信號對體系進行擾動，不會打破體系原有的平衡態，同時保證了擾動與響應信號之間的近似線性關系，數據處理較為簡單。接地網接地極金屬的腐蝕速率可通過測定極化電阻RP來確定。通過測量極化電阻RP，可以得到腐蝕電流icorr，從而可測得金屬的瞬時腐蝕信息，能夠用于長期監測金屬電極表面的腐蝕狀況，實現對接地網腐蝕狀況的長期在線監測。

3 接地網腐蝕在線監測系統

基于前述的監測方法，研究一套可用于牽引變電所接地網腐蝕監測評估、基于電化學測量原理的在線監測評估系統，如圖1 所示。該系統由若干多功能電化學腐蝕探頭、多功能數據采集儀主機和安裝有PC 客戶端軟件的后臺服務器組成，可實現對接地網腐蝕速率及其變化狀態的長期在線監測。

圖1 接地網電化學腐蝕監測系統結構原理

3.1 多功能電化學腐蝕探頭

多功能電化學腐蝕探頭采用無源方式，用于將接地網中接地極的腐蝕狀態轉化為電信號，其結構如圖2 所示，可監測的參數主要包括接地極的腐蝕電位、腐蝕電流和腐蝕速率，土壤環境中的pH 值、氯離子濃度和土壤電阻率。

圖2 中的金屬銅材質為工作電極，用于測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，土壤環境中的pH 值、氯離子濃度和土壤電阻率等參數可根據現場需要進行定制選配。

圖2 多功能電化學腐蝕探頭

3.2 多功能數據采集儀

多功能數據采集儀主要包括腐蝕信號接收、控制及信號處理、存儲以及數據轉換、數據傳輸等部分，其結構如圖3 所示。其中，自身的存儲電路模塊可記錄999 組以上的測量數據，保證在傳輸出現故障時測試數據不丟失。

圖3 多功能數據采集儀結構

該多功能數據采集儀具有多個監測通道，能夠同時接入多個多功能電化學腐蝕探頭，可實現電化學腐蝕信號的數字化轉換，可根據上位機指令進行信號激勵和數據采集，之后可根據電化學動力學方程計算出相應的腐蝕速率指標。

經過測量系統程序的參數設定后，腐蝕信號接收電路、控制及信號處理電路將檢測到的原始電化學信號進行處理，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。測試數據經模數轉換后，以數字信號的形式存儲于機載存儲器中，同時通過專用的通信電纜或無線4G 網絡將信號傳輸至位于總控室的后臺服務器上，以用于數據分析、管理和展示。

3.3 PC 客戶端后臺軟件

現場屏柜的監控服務器中安裝有PC 客戶端后臺軟件，基于遠程服務器對所有前端的多功能電化學腐蝕監測傳感器探頭進行自動巡檢、指令操控、數據儲存和實時顯示等，可同時控制多個電化學腐蝕傳感器探頭和數據采集儀，從而形成局域的腐蝕監測網絡。后臺軟件主要包括系統參數設定、通信測試、單次測量、歷史曲線分析、數據存儲、數據瀏覽等功能模塊。通過后臺軟件可設定前端監測探頭的各測試參數，包括金屬電極面積、測量時間間隔、通信端口、數據存儲文件等，也可隨時調取、查看和分析檢測到的歷史數據，評價接地網所處土壤結構中化學環境的變化以及接地極的腐蝕電位、腐蝕速率等狀況。

PC 客戶端后臺軟件各主要監測參數隨時間的變化趨勢曲線如圖4 所示。

圖4 主要參數變化曲線

PC 客戶端后臺軟件能夠實現多監測點的動態數據庫管理，并具有數據統計分析功能，可根據歷史數據對未來發展趨勢進行預測，評估牽引變電所接地網接地極發生腐蝕的風險。該軟件還具有閾值設定及報警功能，異常情況時，監測網絡可進行本地報警提示，也可通過定制Web Service 自動發送短信或E-mail，實現網絡的自動報警提示。

4 實際應用

4.1 現場布點原則

接地網電化學腐蝕在線監測評估系統中的多功能電化學腐蝕探頭的數量和配置與監測的牽引變電所接地網的規模息息相關。一般情況下，傳感器探頭的安裝點位和密度可根據牽引變電所所處的地理環境條件確定，并可在重要電氣設備區域或接地引下線密度較高的區域加強布置，也可根據接地網面積按照一定的密度進行均勻橫縱排布。

特別地，在牽引變電所亭內的一些核心場區需要重點考慮和埋設多功能電化學腐蝕監測傳感器探頭，主要包括：（1）主變壓器接地點；（2）接地網中間架構或高壓開關設備接地點；（3）進線端避雷器接地點；（4）主接地網最外圍邊角處；（5）電纜溝內；（6）獨立避雷針接地體位置處。

此外，多功能電化學腐蝕探頭的埋設深度與接地網鋪設深度需保持一致，但探頭無需與接地極進行捆綁或串接，這樣不僅不會影響被測牽引變電所接地網接地極，而且便于現場的安裝施工。

4.2 牽引變電所安裝應用情況

為實現對牽引變電所接地網腐蝕發展趨勢的有效監測，全面提升設備的智能化水平，將本文所述的電化學腐蝕在線監測評估技術應用在某牽引變電所接地網腐蝕監測中。該變電所接地網共配置了20 個多功能電化學腐蝕探頭、3 臺多功能數據采集儀以及1 面戶外就地采集柜。現場安裝施工主要是在均勻分布的前提下，結合現場施工難度和重點設備區域監控的要求，20 個多功能電化學腐蝕探頭基本埋置在1～4 號主變壓器、斷路器、進線處電壓電流互感器的接地引下線位置附近。

多功能電化學腐蝕探頭的信號采集一端與接地極采用非接觸的方式連通，但應盡量朝向侵蝕物可能進入的方向，并在埋入前對探頭信號采集一端抹覆上一層土壤，同時將腐蝕監測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，信號電纜可在土壤內部通過鋼管沿線槽、電纜溝排布，可用捆扎帶固定在電纜溝支架上或外套保護管后與電纜溝支架固定。

現場多功能數據采集儀安裝在戶外就地采集柜內部，并由現場AC 220 V 50 Hz 電源轉DC 12 V供電；多功能電化學腐蝕探頭采集到的模擬信號經多功能數據采集儀轉換后，通過RS485 經以太網接入到設置于變電所主控機房的后臺監控系統，通過后臺軟件展示該牽引變電所接地網各埋置點位上接地極的腐蝕發展趨勢及周邊土壤環境狀況。

5 結語

本文提出了一種基于電化學原理的牽引變電所接地網腐蝕在線監測評估系統，通過該系統的應用，可幫助鐵路牽引供電運維人員建立牽引變電所接地網腐蝕長期在線監測評估所需的數據庫，為后續開展專家系統分析和初步決策提供數據支撐，提升了牽引變電所亭內接地網的智能化監控和在線預警水平，提高了高速鐵路牽引變電管理系統運營維護的經濟效益和管理效益。