牵引变电所接地网电化学腐蚀监测系统研究及应用

黄建平，陶方华，林阳坡，黄玲珍，陈楚楚，孙理欧，马原驰

0 引言

铁路牵引变电所的接地系统直接关系到牵引供电系统的安全，重大电气事故的发生和扩大多与接地系统的缺陷有关[1]。随着我国高速铁路的快速发展，牵引负荷随之增大，而牵引变电所的回流电流会造成地网电位升高，一方面对人身以及设备安全造成威胁，另一方面对保护、测量、信号装置造成影响，并可能引发保护装置的误动或拒动[2]，从而引起一系列严重后果，还会对接地网带来影响。然而，接地网作为埋设于土壤中的均压泄流装置，长期承受工频电流及轨道回流的作用，回流作用造成接地网所在土壤环境中的电磁能量密度增大，与这些设施相邻的接地网发生感应腐蚀的风险相应增大[3]。因此，有必要对接地网的感应腐蚀变化趋势进行监测。

研究表明，外部环境因素的变化（如碳化和冻融等）、水的渗透、氯离子的扩散、碱集料反应、土壤中金属接地极的腐蚀均可利用电化学阻抗谱的方法进行研究，该技术既可用于快速检测，也可用于对研究对象进行长期跟踪观察。本文提出利用电化学阻抗谱技术，通过研究土壤的微观结构与埋地金属接地极性能之间的关系，实现对接地网腐蚀变化趋势的长期在线监测。

1 现有地网腐蚀检测技术

传统对接地网的防腐运维及检测主要通过导通电阻以及接地电阻测试并进行选点开挖实现。选点开挖的方式费时费力、检测结果代表性不强，有时无开挖条件，且导通及接地电阻测试分别反映接地点状态及接地网整体状态，存在一定的片面性。目前，国内对接地网腐蚀研究较多的是接地网的故障诊断（或称缺陷检测），主要的检测方法是基于电磁感应和基于电网络理论（电阻抗法）的接地网腐蚀诊断技术。其中，电磁法易受激励方式、外部环境影响，在测量过程中，变电所的电缆沟、水泥地、上方母线、各种开关和门形架都会对测得的磁场产生影响。电网络法计算复杂，且需依赖地网拓扑结构图，否则无法建立准确的地网模型。此外，这些方法都无法获得接地网接地极金属的腐蚀速率，如果检测到导体被腐蚀变细，也无法获知导体的截面不再满足散流要求的时间。

牵引变电所接地网的接地极材料在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀[4]。从金属腐蚀机理的角度考虑，腐蚀是因为发生了电化学反应导致金属流失，而电流密度是表征腐蚀速率和腐蚀倾向的最佳参数。根据电力行业标准DL/T 1532—2016《接地网腐蚀诊断技术导则》的相关规定，检测腐蚀状态可采用对接地引下线间端口电阻进行测量的电气方法或者对接地网取样称重的理化方法。这两种方法都面临操作繁琐、难以原位动态测量，并必然造成原有土壤结构局部破坏等缺点。而电化学检测技术是表征接地网材料腐蚀状态和研究腐蚀机理最有效的手段[5]。

2 基于电化学腐蚀原理的腐蚀在线监测

本文提出一种基于电化学腐蚀原理的接地网腐蚀在线监测评估技术，利用电化学阻抗谱研究土壤的微观结构与埋地接地极性能之间的关系，通过电化学传感器感知接地网腐蚀状况，利用物联网、移动互联网等先进技术构建接地网电化学腐蚀在线监测网络，数据经由移动互联网等方式并经WEB 服务器上传至用户终端，或由短信息直接查询，从而实现对接地网腐蚀速率及其变化状态的长期无缝在线跟踪监测，并支持异地浏览监控和经验信息共享，便于牵引变电所运行维护人员从电化学的角度评估和预测接地网的使用寿命，以便于提前采取检修措施。

电化学腐蚀是接地网的主要腐蚀形式，腐蚀速率测量是接地网腐蚀监测的重点。腐蚀速率的电化学测试技术是一种可以进行实时测量的原位测量技术[6]，灵敏度较高，能够测得金属的瞬时腐蚀信息，也可以长期监测金属电极表面腐蚀状况，从而满足对接地网腐蚀速率长期在线监测的要求。

作为土壤腐蚀研究中应用较广泛的电化学测量方法，电化学极化阻力及其阻抗谱技术是一种非破坏性测试技术，其原理是向测试体系施加微小扰动后，在腐蚀电位附近，电流和电位的变化呈线性关系，其斜率即为极化电阻RP。一般情况下，电化学检测激励信号为振幅不超过20 mV 的正弦波，对称的正弦波不会造成电极极化的积累，以微小电信号对体系进行扰动，不会打破体系原有的平衡态，同时保证了扰动与响应信号之间的近似线性关系，数据处理较为简单。接地网接地极金属的腐蚀速率可通过测定极化电阻RP来确定。通过测量极化电阻RP，可以得到腐蚀电流icorr，从而可测得金属的瞬时腐蚀信息，能够用于长期监测金属电极表面的腐蚀状况，实现对接地网腐蚀状况的长期在线监测。

3 接地网腐蚀在线监测系统

基于前述的监测方法，研究一套可用于牵引变电所接地网腐蚀监测评估、基于电化学测量原理的在线监测评估系统，如图1 所示。该系统由若干多功能电化学腐蚀探头、多功能数据采集仪主机和安装有PC 客户端软件的后台服务器组成，可实现对接地网腐蚀速率及其变化状态的长期在线监测。

图1 接地网电化学腐蚀监测系统结构原理

3.1 多功能电化学腐蚀探头

多功能电化学腐蚀探头采用无源方式，用于将接地网中接地极的腐蚀状态转化为电信号，其结构如图2 所示，可监测的参数主要包括接地极的腐蚀电位、腐蚀电流和腐蚀速率，土壤环境中的pH 值、氯离子浓度和土壤电阻率。

图2 中的金属铜材质为工作电极，用于测量腐蚀速率和腐蚀电位，而带黑色橡胶圈的为参比电极。此外，土壤环境中的pH 值、氯离子浓度和土壤电阻率等参数可根据现场需要进行定制选配。

图2 多功能电化学腐蚀探头

3.2 多功能数据采集仪

多功能数据采集仪主要包括腐蚀信号接收、控制及信号处理、存储以及数据转换、数据传输等部分，其结构如图3 所示。其中，自身的存储电路模块可记录999 组以上的测量数据，保证在传输出现故障时测试数据不丢失。

图3 多功能数据采集仪结构

该多功能数据采集仪具有多个监测通道，能够同时接入多个多功能电化学腐蚀探头，可实现电化学腐蚀信号的数字化转换，可根据上位机指令进行信号激励和数据采集，之后可根据电化学动力学方程计算出相应的腐蚀速率指标。

经过测量系统程序的参数设定后，腐蚀信号接收电路、控制及信号处理电路将检测到的原始电化学信号进行处理，从而得到埋地金属接地电极的腐蚀电位、极化电阻和腐蚀速度等参数。测试数据经模数转换后，以数字信号的形式存储于机载存储器中，同时通过专用的通信电缆或无线4G 网络将信号传输至位于总控室的后台服务器上，以用于数据分析、管理和展示。

3.3 PC 客户端后台软件

现场屏柜的监控服务器中安装有PC 客户端后台软件，基于远程服务器对所有前端的多功能电化学腐蚀监测传感器探头进行自动巡检、指令操控、数据储存和实时显示等，可同时控制多个电化学腐蚀传感器探头和数据采集仪，从而形成局域的腐蚀监测网络。后台软件主要包括系统参数设定、通信测试、单次测量、历史曲线分析、数据存储、数据浏览等功能模块。通过后台软件可设定前端监测探头的各测试参数，包括金属电极面积、测量时间间隔、通信端口、数据存储文件等，也可随时调取、查看和分析检测到的历史数据，评价接地网所处土壤结构中化学环境的变化以及接地极的腐蚀电位、腐蚀速率等状况。

PC 客户端后台软件各主要监测参数随时间的变化趋势曲线如图4 所示。

图4 主要参数变化曲线

PC 客户端后台软件能够实现多监测点的动态数据库管理，并具有数据统计分析功能，可根据历史数据对未来发展趋势进行预测，评估牵引变电所接地网接地极发生腐蚀的风险。该软件还具有阈值设定及报警功能，异常情况时，监测网络可进行本地报警提示，也可通过定制Web Service 自动发送短信或E-mail，实现网络的自动报警提示。

4 实际应用

4.1 现场布点原则

接地网电化学腐蚀在线监测评估系统中的多功能电化学腐蚀探头的数量和配置与监测的牵引变电所接地网的规模息息相关。一般情况下，传感器探头的安装点位和密度可根据牵引变电所所处的地理环境条件确定，并可在重要电气设备区域或接地引下线密度较高的区域加强布置，也可根据接地网面积按照一定的密度进行均匀横纵排布。

特别地，在牵引变电所亭内的一些核心场区需要重点考虑和埋设多功能电化学腐蚀监测传感器探头，主要包括：（1）主变压器接地点；（2）接地网中间架构或高压开关设备接地点；（3）进线端避雷器接地点；（4）主接地网最外围边角处；（5）电缆沟内；（6）独立避雷针接地体位置处。

此外，多功能电化学腐蚀探头的埋设深度与接地网铺设深度需保持一致，但探头无需与接地极进行捆绑或串接，这样不仅不会影响被测牵引变电所接地网接地极，而且便于现场的安装施工。

4.2 牵引变电所安装应用情况

为实现对牵引变电所接地网腐蚀发展趋势的有效监测，全面提升设备的智能化水平，将本文所述的电化学腐蚀在线监测评估技术应用在某牵引变电所接地网腐蚀监测中。该变电所接地网共配置了20 个多功能电化学腐蚀探头、3 台多功能数据采集仪以及1 面户外就地采集柜。现场安装施工主要是在均匀分布的前提下，结合现场施工难度和重点设备区域监控的要求，20 个多功能电化学腐蚀探头基本埋置在1～4 号主变压器、断路器、进线处电压电流互感器的接地引下线位置附近。

多功能电化学腐蚀探头的信号采集一端与接地极采用非接触的方式连通，但应尽量朝向侵蚀物可能进入的方向，并在埋入前对探头信号采集一端抹覆上一层土壤，同时将腐蚀监测传感器探头固定在接地极上或其附近，如固定在接地极上可采用捆扎带固定，注意保持传感器与接地极之间的电绝缘，固定后尽可能使用原土壤回填。土壤回填过程中尽量避免混凝土/回填土直接冲击传感器探头，以防传感器损坏。此外，信号电缆可在土壤内部通过钢管沿线槽、电缆沟排布，可用捆扎带固定在电缆沟支架上或外套保护管后与电缆沟支架固定。

现场多功能数据采集仪安装在户外就地采集柜内部，并由现场AC 220 V 50 Hz 电源转DC 12 V供电；多功能电化学腐蚀探头采集到的模拟信号经多功能数据采集仪转换后，通过RS485 经以太网接入到设置于变电所主控机房的后台监控系统，通过后台软件展示该牵引变电所接地网各埋置点位上接地极的腐蚀发展趋势及周边土壤环境状况。

5 结语

本文提出了一种基于电化学原理的牵引变电所接地网腐蚀在线监测评估系统，通过该系统的应用，可帮助铁路牵引供电运维人员建立牵引变电所接地网腐蚀长期在线监测评估所需的数据库，为后续开展专家系统分析和初步决策提供数据支撑，提升了牵引变电所亭内接地网的智能化监控和在线预警水平，提高了高速铁路牵引变电管理系统运营维护的经济效益和管理效益。