戈壁灘鹽堿地質(zhì)環(huán)境牽引變電所接地技術(shù)研究

1 戈壁灘鹽堿地質(zhì)環(huán)境接地技術(shù)的特點(diǎn)

環(huán)境特點(diǎn)。新疆地區(qū)屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，年降水量少，氣溫溫差大，土壤電阻率高。文章所研究的3座牽引變電所分別為處于哈密市的新尾亞牽引所（以下簡(jiǎn)稱A所），處于吐魯番市的分區(qū)9所（以下簡(jiǎn)稱B所），和AT19所（以下簡(jiǎn)稱C所）。從現(xiàn)場(chǎng)地理形貌來(lái)看，地表層均覆蓋了不同程度的戈壁風(fēng)化卵石，下層為主要為鹽漬土，土壤電阻率平均值均在2000以上，具有類同性。

土壤特征。一般情況下，在距地表1m 內(nèi)易溶鹽的平均含量高于0.3%的土壤定義為鹽漬土。鹽漬土的形成與氣候、地形、土壤、水文地質(zhì)等自然條件有直接關(guān)系，極端干旱的氣候條件造就了新疆成為中國(guó)土壤鹽堿化、鹽漬化的主要分布區(qū)，是各種環(huán)境因子相互疊加的綜合反映。在0～0.8m的土壤深度層，土壤中的平均鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.37～22.67g/kg。土壤含鹽量高且土壤鹽分剖面具有表聚性，85%為硫酸鹽型鹽漬土，2%為氯酸鹽。PH值為7.5～8.5之間，呈堿性環(huán)境。

2 接地技術(shù)的影響性

接地材料的選擇應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注材料的載流能力、導(dǎo)電性、機(jī)械性能、耐腐蝕性等因素。不同材質(zhì)的金屬接地材料，在中小型接地系統(tǒng)中，材料的導(dǎo)電率對(duì)整體接地系統(tǒng)的影響較小，對(duì)接地網(wǎng)的電位分布、接地電阻值基本沒(méi)有影響[1]。因此，對(duì)于牽引變電所的接地系統(tǒng)，材料的選擇載流能力和耐腐蝕性兩個(gè)因素，載流能力一般是通過(guò)增加導(dǎo)體的截面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，而耐腐蝕性能與材料屬性和土壤環(huán)境具有直接關(guān)系。

PH 對(duì)金屬材料腐蝕性能的影響。根據(jù)土壤的PH值，土壤可分為7個(gè)層級(jí)（表1）[2]。蘭新二線新疆段沿線土壤PH值基本約為7.5～8.5，為堿性土壤環(huán)境。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所開展了PH值對(duì)鍍鋅鋼在模擬銹層溶液中電化學(xué)腐蝕行為的影響[3]，陜西電力科學(xué)研究院開展了不同pH值的土壤溶液中銅包鋼的腐蝕行為研究等[4]，研究均表明，銅質(zhì)、鋼質(zhì)等材料在酸性環(huán)境中腐蝕性最強(qiáng)，隨著PH值的升高在中性、堿性環(huán)境中腐蝕速率逐漸降低。原因?yàn)镻H值對(duì)金屬材料的電化學(xué)腐蝕行為起著重要作用，在強(qiáng)堿環(huán)境中可處于鈍化狀態(tài)，隨著PH值的升高，鈍化膜的穩(wěn)定性上升，腐蝕速率降低。

表1 土壤酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

含鹽量對(duì)金屬材料腐蝕性的影響。土壤中含有的可溶性鹽會(huì)直接影響到土壤的其他理化性質(zhì)，可溶性鹽含量增加，由于帶電離子濃度增大，可使土壤導(dǎo)電能力變強(qiáng)、土壤電阻率降低，且介質(zhì)濃度的變化也會(huì)影響腐蝕電流密度，土壤中對(duì)金屬腐蝕影響最大的是Cl-和SO42-。新疆電力公司電力科學(xué)研究院研究表明[5]，在富含硫酸根離子的土壤中，表面為銅質(zhì)材料具有較好的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鍍鋅鋼材料。

降阻性能的影響。一般情況下，土壤含鹽量越高土壤電阻率越低，是基于土壤中的可溶性鹽。但新疆地區(qū)干旱少雨，雖然土壤為鹽堿地帶，但土壤中的鹽分主要為結(jié)晶鹽而非可溶性鹽，從而土壤電阻率仍可高達(dá)2000Ωm，僅在冰雪融化或者夏季出現(xiàn)的季節(jié)性洪水時(shí)，部分結(jié)晶鹽才轉(zhuǎn)化為可溶性鹽，土壤電阻率向下出現(xiàn)躍變。因此，對(duì)于牽引變電所接地系統(tǒng)依然要考慮降阻效率高的材料，同時(shí)也應(yīng)兼顧季節(jié)性洪水期的接地材料耐腐蝕性能。

3 蘭新二線牽引變的項(xiàng)目案例分析

3.1 改造前的現(xiàn)狀

蘭新二線新疆段牽引變接地系統(tǒng)通過(guò)5年的運(yùn)行，依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（鐵總科技［2014］172號(hào)）、《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2016）、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014），結(jié)合日常接地參數(shù)的監(jiān)測(cè)，三座牽引變電所均已超出接地網(wǎng)接地電阻小于0.5Ω的規(guī)定。從表2可看出，三座牽引變電所現(xiàn)有的接地電阻值與技術(shù)規(guī)范要求比較，數(shù)值均已嚴(yán)重超標(biāo)5倍以上，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或者雷擊時(shí)，易造成高、低壓設(shè)備燒損，影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行需進(jìn)行專項(xiàng)整治。

表2 三座牽引變電所改造前的接地電阻值

3.2 真因分析

三座牽引變電所在新建投產(chǎn)前接地電阻值均低于0.5Ω，經(jīng)過(guò)5年運(yùn)行接地電阻值均出現(xiàn)了跨越式的上升躍變，通過(guò)真因分析針對(duì)性的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以達(dá)到牽引變電所可持續(xù)的可靠性。

以往僅注重接地的電氣參數(shù)要求，忽視了土壤的影響特性。通過(guò)對(duì)原地網(wǎng)實(shí)際開挖發(fā)現(xiàn)，在土壤鹽分的表聚區(qū)，鍍鋅鋼材料出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的表面腐蝕，形成的銹蝕物質(zhì)導(dǎo)電性能差，接地材料的泄流能力降低。

鹽堿地質(zhì)存在季節(jié)性的土壤特性變化。一般情況下新疆戈壁灘區(qū)干旱少雨，土壤中存在的鹽分形成了結(jié)晶體，非電離性導(dǎo)體，呈現(xiàn)的是高土壤電阻率，較低的土壤導(dǎo)電性能，較低的腐蝕性能。而每年集中出現(xiàn)的降雪、降雨，甚至形成季節(jié)性洪水，導(dǎo)致土壤的電特性、腐蝕特性出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，即結(jié)晶鹽部分轉(zhuǎn)化為離子狀態(tài)，出現(xiàn)季節(jié)性的接地材料狀態(tài)變化，此時(shí)土壤電阻率低，接地材料處于較強(qiáng)的腐蝕性環(huán)境，在季節(jié)再次干旱時(shí)，接地電阻值每年積累型的增大。

處于風(fēng)區(qū)的接地網(wǎng)應(yīng)高于普通地區(qū)的埋深。蘭新二線的路網(wǎng)走向在戈壁灘遠(yuǎn)離車站區(qū)域，基本都處于無(wú)人區(qū)、甚至處于風(fēng)口地帶，戈壁灘表面沒(méi)有植被保護(hù)，并且在項(xiàng)目初期建設(shè)過(guò)程中，歷年形成較為堅(jiān)固的風(fēng)化卵石層已被破壞，風(fēng)區(qū)會(huì)逐漸使接地體在土壤中的位置相對(duì)變淺，受戈壁灘區(qū)溫差大等因素影響，也促使了接地電阻值的變化。

3.3 改造實(shí)施情況

土壤環(huán)境決定了接地材料的腐蝕性使用壽命，同時(shí)對(duì)接地網(wǎng)的電氣性能也有影響。本次實(shí)施改造在關(guān)注接地系統(tǒng)電氣特性的同時(shí)，也綜合考慮了所在區(qū)域的土壤特性。根據(jù)土壤環(huán)境，結(jié)合地質(zhì)、氣候、牽引變的位置分布等特點(diǎn)選擇適用的接地材料。

水平接地材料的選擇。華東某省電力公司通過(guò)對(duì)所屬變電站接地系統(tǒng)多年的監(jiān)測(cè)，認(rèn)為接地網(wǎng)材料用銅或銅覆鋼材比鋼材的耐腐蝕要好，在腐蝕嚴(yán)重地區(qū)不用鋼而代之以銅是合理的[6]。因此，針對(duì)季節(jié)性的土壤嚴(yán)重腐蝕特點(diǎn)，本項(xiàng)目群水平接地體采用150mm2的銅絞線。

垂直接地材料的選擇。本項(xiàng)目群在多個(gè)季節(jié)仍然呈現(xiàn)土壤電阻率高的狀態(tài)，季節(jié)性溫差較大，仍需考慮接地系統(tǒng)的降阻特性，為避免接地電阻值的越變，垂直接地材料選擇長(zhǎng)度為20m的銅質(zhì)緩釋型離子接地裝置（緩釋型離子接地裝置技術(shù)已較成熟，本文不再論述），通過(guò)鉆孔深井的方式進(jìn)行安裝。

增加接地溝槽的開挖深度。按照接地技術(shù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一般要求接地溝槽的深度不低于0.6m，考慮到戈壁灘區(qū)域的風(fēng)口特性，本項(xiàng)目群的開挖深度為0.8m，以降低風(fēng)沙對(duì)表層的破壞影響，接地材料受土壤溫差影響較小。

表3 實(shí)施改造后的接地參數(shù)

項(xiàng)目實(shí)施后，接地電阻值達(dá)到了預(yù)期要求，并開展了為期3個(gè)月的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，接地電阻參數(shù)較為穩(wěn)定。從表3可看出，在實(shí)施后的第30天三座牽引所的接地電阻值都有較大幅度的降低，主要原因是接地溝槽表面的回填土受重力作用出現(xiàn)部分沉降，土壤之間更為密實(shí)。在60天、90天的兩次復(fù)測(cè)，緩釋型離子接地裝置的離子成分的緩釋性，接地電阻值趨于穩(wěn)定。