摘要：对电气化铁路牵引变电所地网回流情况进行分析，总结经验教训，提出意见建议，提高牵引变电所回流性能，确保人身和设备安全。
关键词：牵引变电所；地网
1 引言
在电气化铁道中，牵引供电系统的回流系统起着至关重要的作用，其中牵引变电所的主地网性能的好坏直接影响整个牵引供电系统的回流，甚至可能影响人身安全和设备安全。因此，保证牵引变电所主地网性能可靠非常必要。本文主要对牵引变电所地网性能进行分析，总结地网出现问题的原因、并提出预防措施。
2 牵引变电所地网回流
在牵引供电系统中，牵引负荷电流经钢轨流回牵引变电所的方式称为轨回流，经大地流回牵引变电所的方式称为地回流。根据运行经验及有关试验，在普速复线铁路中，轨回流约占负荷电流的65 %，地回流约占负荷电流的35 %。
3 牵引变电所地网问题分析
在日常运行中，牵引变电所地网受运行年限、运行环境、使用材质、施工工艺等影响，往往会出现锈蚀、断裂等问题，直接影响地网的回流效果。下面简要举例说明地网问题对回流的影响，并总结问题发生的原因。
3.1 案例分析
2016年11月1日，A牵引变电所在一次主变系统设备检修时，停电完毕，在主变二次侧设置封线时出现轻微放电现象，经仔细排查，发现地网回流系统的回流比例不符合常规。其中，在供电系统有负载的情况下，地回流显示为0A，无地回流流入。该所地网采用扁铁材质，通过进一步检查发现，电缆沟内地回流扁铁与集中接地箱连接处锈蚀断裂，造成地回流中断。
2017年1月12日，检查发现B牵引变电所轨地回流比例不符合规定，当时地回流为1.2A，轨地回流和为252.6A，即轨回流为251.4A，地回流所占比例仅为0.48%，远远低于正常比例。该所地网采用铜包钢材质，当日通过采取临时措施，将轨回流与回流箱相连，发现轨回流数值即上升，在连接后17时14分出现，到20时40分撤除，轨回流最大达660A，当时地回流为381A，其中轨回流所占比例为63.4%，地回流所占比例为36.6%，与既有经验相符。
变电所地网腐蚀的原因一般有化学腐蚀、细菌腐蚀和电化学腐蚀，通常是电化学腐蚀，金属在自然环境中的腐蚀损坏，大部分是由于电解液(如湿润的土壤) 引起，因为每一种金属“浸入”电解液后, 都有自己的电极电位，同一金属在不同电解液中会产生不同的电极电位。如果不同电位的金属结合在一起, 就有电位差, 形成腐蚀电池，使之产生电化学腐蚀。
4 建议措施
4.1 对已投入运行牵引变电所
针对上述问题分析，在牵引变电所日常运行中，对地网问题的检查和预防强调以下方面，以做到问题提前发现和及时处理。
4.1.1 加强回流状态的自动监测，实时监控分析。
目前，既有牵引变电所地网回流监测主要靠监测装置采集电流，显示相应电流，但不对电流的比例进行综合判断，即使出现问题系统也不会自动发出警报，完全靠人工对数据进行分析，受工作量大、人员业务素质、责任心等多方面因素影响，问题往往不能及时发现。可采取在变电所后台中加装回流状态综合判断程序，在程序中对轨回流、地回流各自所占比例、总回流与牵引负荷的大小比较等进行设置，通过对实时数据的比对分析，出现异常后发出告警提示，发现问题及时处理。同时对回流数值及相对比例关系进行自动记录保存，以备查验。
4.1.2 对地网回流系统进行防腐蚀处理
在变电所地网的防腐蚀处理方案中，可通过选择合适的地网材质如铜材质、改变土壤环境、在地网材质上增加覆盖层保护、阴极保护等方式进行，前三种方式对于已经运行的变电所，受成本投入、施工难度等影响，比较难以实施。但阴极保护相对于地网全部更换，地网的防腐处理成本较低、工作量较小，本文重点对此种防腐蚀方式进行研究。
4.1.3 阴极保护简介
阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段，通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。一般分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。
牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属，如铝、锌或镁，阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。此方法实施后不需运行维护，施工简单。
外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化，进行阴极保护。
保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），也就是说，当金属处于比-0.85V（CSE）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。
阴极保护开始常用于输油管道的防腐蚀处理，近些年逐渐应用于变电所地网的防腐处理。
4.1.4 阴极保护设计举例
以一座普通的110KV牵引变电所为例，室外接地系统概况为水平接地体50*5的扁铁1600米，垂直接地极∠50×50×5角钢2.5米61根，4座独立避雷针，每座避雷针3支接地极和16米水平接地体，设备引上线为φ12的圆钢100米，土壤为中性土壤PH=8，地壤电阻率在25-60Ω/米之间。按照阴极保护系统中牺牲阳极法对地网进行20年防腐保护为目的进行设计如下。
4.1.4.1 有关材料和参数选择计算
（1）选用高电位镁锰合金牺牲阳极。
（2）根据变电所土壤及地壤电阻率，钢铁的保护电流密度Ⅰf采用25mA/m2。
（3）水平接地体需要保护的面积S1=（0.05+0.005）×2×1600=176m2
垂直接地极需要保护的面积S2=61×2.5×0.05×4=30.5m2
设备引上线需要保护的面积S3=3.14×0.012×100=3.8m2.
独立避雷针接地网设备引上线需要保护的面积S4=（0.05+0.005）×2×64+12×2.5×0.05×4=7.04+6=13.04m2.
需要保护的总面积S=S1+S2+S3+S4=223.7m2
（4）该站地网完全保护所需的总保护电流为，Ⅰ=Ⅰf*S=0.025×223.7=5.593(A)
其中：I—需要的总电流If—钢铁的保护电流密度 S—需要保护的铁总面积
（5）阳极接地电阻RH
式中：L—阳极长度0.7m
La—填包料长度1.2m
D—阴极当量直径0.45m
ρ—土壤电阻率30Ωm
ρa—填料电阻率2.0Ωm
d— 阳极当量直径0.121m
t—从地面至阳极中心的埋深0.8m
经计算：RH =7.41Ω
（6）单只阳极发生电流
If=
式中：If—单只阳极发生电流量mA
ΔE—阳极驱动电压0.65V
RH—阳极接地电阻
If=0.65/7.41=87.72mA
（7）阳极寿命核算
阳极使用寿命公式计算
r=
式中:r—阳极使用寿命a
Q—阳极实际电容量1100A•h/kg
G—每只阳极重量级14kg
1/K—阳极利用系数0.85
Im—每只平均发生电流Im=0.8If
经计算r=20.04年，满足20年要求。
（8）牺牲阳极数量及重量
阳极数量N=I/If=5.593/0.08772≈64块
阳极重量W=N×G=64×14=896kg
4.1.4.2测试桩的设计及安装
（1）根据本站地网的分布及阳极的布置密度，采用4个测试桩来对整个地网进行测试，每个测试桩的测试半径不得大于40米。
（2）测试桩安装前要对硫酸铜参比电极进行处理，检查参比电极导线是否牢固，密封要严密，不得有裂纹和松动。
4.1.4.3阳极的布置与安装
（1）根据每块阳极保护的半径和它产生的驱动电压，再以某一点为参照物，结合垂直接地极的分布，以接地极为重心，在地网上均匀分布。
（2）阳极块安装前要进行极化处理，沿原水平接地体大于0.5米处平行开挖阳极安置槽，槽宽为0.8米，长度大于1.2米，深度阳极的中心线与原地网平行。
（3）避雷针每座一块镁阳极按装，方法相同。
4.1.4.4经保护后达到的标准
（1）经保护后地网的保护电位要达到-0.85V以下相对cu/cuso4-参比电极甚至更负，但不得超过-2.0V，否则造成不必要的浪费。
（2）在阴极保护接通或断开时，‖OFF时的电位‖-‖接通时的电位‖≥300mV。
（3）极化电位=‖OFF时的电位‖-‖自然电位‖>100mV。
4.2对新建牵引变电所
（1）选择合适的材质。在新建线路时，若经济条件允许，应首先选用耐腐蚀性能好的材质如铜。根据综合考虑，若选用钢材质时，材质的质量一定要保证，并辅助防腐蚀措施。
（2）选择合适的材质截面。根据变电所容量，严密计算，选择合适的截面，避免截面过小造成的回流不畅。
（3）选择合适的埋设位置，避开化粪池等具有较大腐蚀和污染的设施，埋深要满足要求。
（4）施工工艺要保证，尤其是焊接头的质量，对于不同材质间接头的焊接一定要按照规范要求进行，严防简化程序埋下隐患。
（5）慎重选用降阻剂。降阻剂对降阻具有一定作用，但会对钢接地体产生一定腐蚀作用、产生环境污染等，在选择时要慎重。
（6）做好防腐蚀措施，如采用阴极保护的电化学方法等。
5结束语
（1）牵引变电所地网的腐蚀可给地网回流带来严重影响，需引起高度重视，进行深入研究。
（2）对已运行地网防腐措施的实施方式和方案采取需结合现场实际情况进行综合研究，制定合理的实施方案。
（3）阴极保护在地方变电站应用相对较多，在铁路变电所的应用效果还需进一步验证。
参考文献
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[4]张宝宏.金属电化学腐蚀与防护.北京：化学工业出版社，2011.
[5]胡士信.阴极保护工程手册.北京：化学工业出版社，2000.
论文作者:蒋涛1,刘李梅1,马玉欣2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/17
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