周利军，何智杰，陈 颖，刘 源，何 健，仇祺沛

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

近几年，我国铁路建设得到了快速发展。随着宝兰、西成等一批新建高速铁路投入运营，铁路营业里程达到12.7万km。由于路网规模不断扩大，牵引变电所所处的地质条件日益复杂，且随着接地网运行年限的增加，接地网腐蚀带来的接地网特性参数超标问题，时刻危害着牵引供电系统的安全与稳定运行[1]。

Q235钢(碳素结构钢)在华南酸性土壤中埋地1.4年后均匀腐蚀速率达到6～8 g/(dm2·a)，点腐蚀速率0.7～1.3 mm/a(腐蚀等级划至5级)，试样表面蚀坑密集连续，腐蚀严重。凯里供电段管辖湘黔线9个牵引变电所，自1998年以来，经预防性试验先后发现一些地网的接地电阻超标，最大的接地电阻达7.3 Ω，超过设计和运行规定值的14倍。昆明铁路局管辖的南昆线上8个牵引变电所，运行时间均已超过17年，其接地电阻值均大于规定的0.5 Ω。

牵引变电所的接地网是保证人员与电气设备安全、维护铁路系统可靠运行的重要措施。为了保证供电系统的安全、稳定和可靠运行，一般要求接地电阻值尽量低[2-4]。文献[5]规定热镀锌钢材只能用于设计寿命不超过15年的临时接地，且要定期检测接地电阻及锈蚀情况。通过对牵引变电所接地网安全性状态评估，发现接地网在基建设计与运行维护中存在的问题，有针对性地指导接地网大修技改所耗费的人力与物力成本越来越高。目前，我国电气化铁路牵引变电所接入的电压等级为110 kV和220 kV，随着高速电气化铁路的快速发展，将会有更多的牵引变电所接入220 kV 电网。这使得新建大型牵引变电所地网面积在10 000 m2以上，在这种情况下，需要解决由土壤理化性质与运行环境恶劣而引起的地网腐蚀以及接地网特性参数超标等问题尤为迫切。

文献[6-9]研究了多层土壤结构参数和电阻率的确定方法，并指出土壤理化特性与腐蚀的关系。文献[10-12]研究了等电位地网设计中接地导体半径与地网接地电阻的关系。文献[13-16]研究了不等间距布置地网均压导体优化的问题，其研究的重点在于优化布置方法，分析等间距与不等间距布置时地网电气参数的差异。

地网接地电阻是地网工程设计中的一项重要指标与参数，本文针对牵引变电所地网受侵蚀而引起接地电阻超标的情况，应用CDEGS专业接地软件，仿真计算接地导体腐蚀状况对接地网接地电阻的影响。考虑不同土壤环境下接地导体腐蚀的差异，研究不同面积下接地导体腐蚀对地网参数特性的变化规律，通过不等间距布置接地导体的方法，优化地表电位分布，提高了接地网的整体利用率和散流效果，在等面积等钢材用量下降低了接地网接地电阻受腐蚀影响的程度。

1 接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响规律

牵引变电所接地网直接埋设在地下，常年暴露在大气、浸没在水或其他液体中，构成接地网的导体将产生腐蚀现象。假设随着变电所接地网投运年限的增加，接地导体腐蚀程度随年限增加，接地导体半径以均匀速率逐年递减。地网模型为100 m×100 m、网孔为10 m×10 m的均匀正方形接地网，水平接地极为水平圆钢接地导体，接地导体直径20 mm，地网埋深0.5 m。CEDGS软件默认为铜质材料，“相对电阻率”和“相对磁导率”均为1，本文使用的镀锌钢为镀锌层包裹碳钢钢芯，其电阻率为铜的8～10倍。可以求得其相对铜质材料的“相对电阻率”(取10)和“相对磁导率”(取300)。

1.1 周围土壤电阻率不同时接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响

采用接地分析软件CDEGS，假设土壤的整体结构为均匀土壤结构，将土壤电阻率ρ从50 Ω·m分别调至100、200和500 Ω·m，仿真计算不同土壤电阻率下地网接地电阻的变化规律，结果见表1。

表1 不同的周围土壤电阻率与接地导体腐蚀程度下的接地电阻上升率

表1中：α为接地电阻R的上升率，α=(RA-R)/R，RA为接地导体半径变化后的接地电阻值，R为接地导体半径r=10 mm时的接地电阻值。

α与接地导体腐蚀程度的关系如图1所示。由图1可知，对于相同的土壤电阻率ρ，随着接地导体腐蚀程度线性递增，接地导体半径线性递减，接地电阻上升率α增长得越来越快；对于不同的土壤电阻率ρ，接地电阻上升率α上升趋势相似，且随着ρ的增大，曲线的上升速率均渐缓，即ρ越大，接地导体半径对地网接地电阻的影响越小；当ρ较大时，即使腐蚀程度较高，地网接地电阻的上升也并不明显。当接地导体腐蚀程度小于20%时，接地导体半径的变化对整体地网接地电阻的影响小于2%；而当接地导体腐蚀程度达到60%时，接地电阻上升率α的最大值可以达到10%。其原因在于随着地网周围土壤的土壤电阻率增大，接地导体的内阻相对接地电阻较小，使得接地网中的入地电流更容易通过远端接地网散流，提高了接地网的整体利用率，因此导体半径的同等变化对地网接地电阻的影响降低。

图1 土壤电阻率、接地导体腐蚀程度与接地电阻上升率三者的对应关系

1.2 地网面积不同时接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响

各牵引变电所地网面积略有不同，其地网的接地电阻受腐蚀的影响程度也不一样，图2为ρ=100 Ω·m时接地导体腐蚀程度与接地电阻上升率的对应关系。由图2可知，在接地导体腐蚀程度较小时，两者接地电阻上升率的差异并不明显，在相同腐蚀程度的情况下，地网面积S越大，接地电阻上升率α上升得越快。可以看到在腐蚀程度小于40%时，地网面积增大3倍，其接地电阻上升率α约增大2倍；在腐蚀程度达到70%的情况下，面积为40 000 m2的地网接地电阻上升率接近40%，约为面积为10 000 m2的地网腐蚀程度达到80%的情况。而实际变电所投运中，地网面积越大，地网因施工时焊接不良及漏焊、接地短路电流电动力作用等原因，导致接地导体断裂的情况将更加严重，使地网散流效果更加恶劣。

图2 接地导体腐蚀程度与接地电阻上升率的对应关系(ρ=100 Ω·m)

由图3可以看出，在相同的腐蚀程度情况下，土壤电阻率ρ越小，地网面积S越大，其接地电阻上升率相差越大。当腐蚀程度达到80%时，在土壤电阻率ρ=20 Ω·m处面积为10 000 m2的地网，其接地电阻上升率达到130%。国内一般的变电所接地电阻值普遍为0.3～0.5 Ω，以变电所单相接地故障产生的入地电流，考虑架空地线等分流贡献后，实际入地短路电流IG也将达到7～10 kA，接地网电位升高将超过标准规定的安全电压2 kV，这是相当危险的。假设最大故障持续时间为0.5 s，入地故障电流IG为10 kA，镀锌钢导体融化温度Tm为1 400 ℃，衰减系数为1.1，按IEEE标准及我国电力行业标准计算，此时最小导体尺寸半径r=4.267 5 mm，接地导体半径已经不满足行业标准。可以得出接地导体半径过小导致接地导体没有足够的通流量来承受全部故障电流，接地网无法满足行业标准的散流要求，使接地阻抗急剧上升。

图3 地网面积为10 000 m2与40 000 m2接地电阻上升率对比

2 基于不等间距布置对地网腐蚀引起接地电阻超标的改善

目前牵引变电所接地系统的接地装置大多数都是以水平接地极为主，外缘闭合，内部敷设若干均压导体的接地网。均压导体一般按5、7、10 m等间距布置，由于端部和邻近效应，边角网孔处接地体的散流作用较强，电流密度比中间网孔的电流密度大。因此按等间距布置的地网地面电位分布很不均匀，地网边角处网孔接触电势远比中心网孔接触电势高，而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。对于均匀土壤分层模型，利用不等间距布置均压导体改善接地网各导体的电流分布情况，能有效改善接地网地面的电位分布，降低接触电压和跨步电压[21-25]。

地网模型面积为100 m×100 m，接地导体直径20 mm，地网埋深0.5 m，网孔数保持100不变。根据DL/T 621—1997中接地网不等间距布置网孔边长为网边长百分数，布置不等间距均压导体，仿真计算不等间距布置下，导体腐蚀程度与接地电阻上升率的相互关系。

由表2可知，在相同的土壤条件与腐蚀程度下，不等间距布置均压导体的接地网接地电阻值都明显小于等间距布置的地网接地电阻值，验证了均压优化的可靠性以及仿真搭建的正确性。随着接地导体腐蚀程度的增大，接地导体半径减小，采用不等间距布置均压导体的优化效果更加明显。在未腐蚀或腐蚀程度较小时，可以降低接地电阻约2%，而在腐蚀程度较大时，采用不等间距布置均压导体可以降低接地电阻约8%。同时，采用不等间距布置均压导体的方法也明显降低接地电阻上升率，在腐蚀程度较大时，可以降低7%左右。

表2 不同均压导体布置方法下接地电阻及其上升率

由图4、图5可以看出：不等间距布置均压导体的方法，随着接地导体腐蚀程度的增大，接地电阻上升率α明显增大，但在高腐蚀状况下，相较于等间距布置有明显的降低。不等间距布置通过降低接地网对中间部分导体的屏蔽性，增大了中间导体的泄漏电流密度分布，在接地导体腐蚀程度变大时，因为接地导体可通流量降低，使中间导体与边缘导体得到较充分的利用，提高了接地网的整体利用率和散流效果，使得接地电阻上升率α也得以降低。地网边缘网孔与中心网孔的最大跨步电压、接触电压基本相等，只有地网四角的网孔会出现跨步电压与接触电压过高的情况，此时可以把地网四角设计成圆弧形。

图4 不同均压导体布置方法与接地电阻上升率的关系(ρ=100 Ω·m)

图5 不同均压导体布置方法与接地电阻上升率的对应关系

3 结论

本文采用专业接地软件CDEGS建立牵引变电所接地网模型，对接地导体腐蚀引起地网接地电阻上升进行了研究。由于该问题涉及面广，影响参数众多，要想全面认识和掌握影响规律，还需要进行大量细致的理论研究和相关试验研究。从本文分析研究中可以得出以下结论：

(1)在同一土壤电阻率下，接地导体腐蚀程度增大，使得接地电阻上升率非线性递增；土壤电阻率越低，接地电阻上升得越快；在土壤电阻率低于100 Ω·m、接地导体腐蚀程度大于50%的情况下，接地电阻上升率可达20%～120%；而在高土壤电阻率下，尽管接地导体腐蚀达到70%，接地电阻上升率增加约5%，可以忽略。

(2)对于相同的腐蚀情况，地网面积越大，地网接地电阻增加得越明显，因此对于大型的牵引变电所更应关注地网的腐蚀状态。

(3)对于等面积和等钢材用量下的接地网，通过采用不等间距均压优化布置，充分利用接地导体，提高接地网的整体利用率和散流效果，在降低地网接地电阻的同时，接地电阻上升率也得以降低。综合考虑接地网安全特性参数和安全限制要求，通过合理的选择、调整、设计接地网方案，实现降低接地电阻的同时，降低接地网接地电阻受腐蚀影响的程度，实现经济技术最优化。

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