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造成地網(wǎng)電位升高，一方面對人身以及設(shè)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(fā)保護裝置的誤動或拒動[2]，從而引起一系列嚴(yán)重后果，還會對接地網(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)險相應(yīng)增大[3]。因此，有必要對接地網(wǎng)的感應(yīng)腐蝕變化趨勢進行監(jiān)測。

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)阻抗譜的方法進行研究，該技術(shù)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(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，實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕變化趨勢的長期在線監(jiān)測。

1 現(xiàn)有地網(wǎng)腐蝕檢測技術(shù)

傳統(tǒng)對接地網(wǎng)的防腐運維及檢測主要通過導(dǎo)通電阻以及接地電阻測試并進行選點開挖實現(xiàn)。選點開挖的方式費時費力、檢測結(jié)果代表性不強，有時無開挖條件，且導(dǎo)通及接地電阻測試分別反映接地點狀態(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），主要的檢測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，電磁法易受激勵方式、外部環(huán)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(guān)和門形架都會對測得的磁場產(chǎn)生影響。電網(wǎng)絡(luò)法計算復(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]。從金屬腐蝕機理的角度考慮，腐蝕是因為發(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，檢測腐蝕狀態(tài)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(wǎng)取樣稱重的理化方法。這兩種方法都面臨操作繁瑣、難以原位動態(tài)測量，并必然造成原有土壤結(jié)構(gòu)局部破壞等缺點。而電化學(xué)檢測技術(shù)是表征接地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)和研究腐蝕機理最有效的手段[5]。

2 基于電化學(xué)腐蝕原理的腐蝕在線監(jiān)測

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)測評估技術(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)、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)構(gòu)建接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)經(jīng)由移動互聯(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，從而實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕速率及其變化狀態(tài)的長期無縫在線跟蹤監(jiān)測，并支持異地瀏覽監(jiān)控和經(jīng)驗信息共享，便于牽引變電所運行維護人員從電化學(xué)的角度評估和預(yù)測接地網(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，腐蝕速率測量是接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測的重點。腐蝕速率的電化學(xué)測試技術(shù)是一種可以進行實時測量的原位測量技術(shù)[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(jiān)測金屬電極表面腐蝕狀況，從而滿足對接地網(wǎng)腐蝕速率長期在線監(jiān)測的要求。

作為土壤腐蝕研究中應(yīng)用較廣泛的電化學(xué)測量方法，電化學(xué)極化阻力及其阻抗譜技術(shù)是一種非破壞性測試技術(shù)，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(guān)系，其斜率即為極化電阻RP。一般情況下，電化學(xué)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(tài)，同時保證了擾動與響應(yīng)信號之間的近似線性關(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(jiān)測金屬電極表面的腐蝕狀況，實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕狀況的長期在線監(jiān)測。

3 接地網(wǎng)腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于前述的監(jiān)測方法，研究一套可用于牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測評估、基于電化學(xué)測量原理的在線監(jiān)測評估系統(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)采集儀主機和安裝有PC 客戶端軟件的后臺服務(wù)器組成，可實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕速率及其變化狀態(tài)的長期在線監(jiān)測。

圖1 接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕監(jiān)測系統(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，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，可監(jiān)測的參數(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)場需要進行定制選配。

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接收、控制及信號處理、存儲以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠郑浣Y(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，保證在傳輸出現(xiàn)故障時測試數(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)采集儀具有多個監(jiān)測通道，能夠同時接入多個多功能電化學(xué)腐蝕探頭，可實現(xiàn)電化學(xué)腐蝕信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，可根據(jù)上位機指令進行信號激勵和數(shù)據(jù)采集，之后可根據(jù)電化學(xué)動力學(xué)方程計算出相應(yīng)的腐蝕速率指標(biāo)。

經(jīng)過測量系統(tǒng)程序的參數(shù)設(shè)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(xué)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(shù)。測試數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)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(wǎng)絡(luò)將信號傳輸至位于總控室的后臺服務(wù)器上，以用于數(shù)據(jù)分析、管理和展示。

3.3 PC 客戶端后臺軟件

現(xiàn)場屏柜的監(jiān)控服務(wù)器中安裝有PC 客戶端后臺軟件，基于遠(yuǎn)程服務(wù)器對所有前端的多功能電化學(xué)腐蝕監(jiān)測傳感器探頭進行自動巡檢、指令操控、數(shù)據(jù)儲存和實時顯示等，可同時控制多個電化學(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)測網(wǎng)絡(luò)。后臺軟件主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、通信測試、單次測量、歷史曲線分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)瀏覽等功能模塊。通過后臺軟件可設(shè)定前端監(jiān)測探頭的各測試參數(shù)，包括金屬電極面積、測量時間間隔、通信端口、數(shù)據(jù)存儲文件等，也可隨時調(diào)取、查看和分析檢測到的歷史數(shù)據(jù)，評價接地網(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 客戶端后臺軟件各主要監(jiān)測參數(shù)隨時間的變化趨勢曲線如圖4 所示。

圖4 主要參數(shù)變化曲線

PC 客戶端后臺軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多監(jiān)測點的動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對未來發(fā)展趨勢進行預(yù)測，評估牽引變電所接地網(wǎng)接地極發(fā)生腐蝕的風(fēng)險。該軟件還具有閾值設(shè)定及報警功能，異常情況時，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可進行本地報警提示，也可通過定制Web Service 自動發(fā)送短信或E-mail，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動報警提示。

4 實際應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場布點原則

接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測評估系統(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)域加強布置，也可根據(jù)接地網(wǎng)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(nèi)的一些核心場區(qū)需要重點考慮和埋設(shè)多功能電化學(xué)腐蝕監(jiān)測傳感器探頭，主要包括：（1）主變壓器接地點；（2）接地網(wǎng)中間架構(gòu)或高壓開關(guān)設(shè)備接地點；（3）進線端避雷器接地點；（4）主接地網(wǎng)最外圍邊角處；（5）電纜溝內(nèi)；（6）獨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行捆綁或串接，這樣不僅不會影響被測牽引變電所接地網(wǎng)接地極，而且便于現(xiàn)場的安裝施工。

4.2 牽引變電所安裝應(yīng)用情況

為實現(xiàn)對牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕發(fā)展趨勢的有效監(jiān)測，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)測評估技術(shù)應(yīng)用在某牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕監(jiān)測中。該變電所接地網(wǎng)共配置了20 個多功能電化學(xué)腐蝕探頭、3 臺多功能數(shù)據(jù)采集儀以及1 面戶外就地采集柜?，F(xiàn)場安裝施工主要是在均勻分布的前提下，結(jié)合現(xiàn)場施工難度和重點設(shè)備區(qū)域監(jiān)控的要求，20 個多功能電化學(xué)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(xué)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(yīng)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(jiān)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(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管后與電纜溝支架固定。

現(xiàn)場多功能數(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)置于變電所主控機房的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，通過后臺軟件展示該牽引變電所接地網(wǎng)各埋置點位上接地極的腐蝕發(fā)展趨勢及周邊土壤環(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)測評估系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可幫助鐵路牽引供電運維人員建立牽引變電所接地網(wǎng)腐蝕長期在線監(jiān)測評估所需的數(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)運營維護的經(jīng)濟效益和管理效益。