特高壓直流接地極入地電流對高速鐵路綜合接地系統(tǒng)腐蝕影響研究

陳漢杰,張華志,黃 軍,宋 偉,張 波

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系),北京 100084)

實際工程中，受線路走向、土地規(guī)劃等因素制約，不可避免地會出現(xiàn)高速鐵路和特高壓直流工程接地極鄰近的情況，如合福高鐵、昌景黃鐵路項目等。高速鐵路綜合接地系統(tǒng)具有距離長、多點接地的特性，存在直流通道，但目前特高壓直流工程在選址時，僅遵循原則上直流接地極距離變電站、發(fā)電廠、管道和非電氣化鐵路等地下金屬構件不小于10 km[1]，并未對鄰近情況下的特高壓直流工程對高速鐵路的影響進行定量評估研究。

目前，特高壓直流接地極對鄰近地下金屬設施腐蝕的問題，主要研究集中在油氣管線腐蝕[2-3]，天然氣管線腐蝕[4-5]，電力系統(tǒng)輸電線路桿塔接地體腐蝕[6-7]，而鮮見對高速鐵路綜合接地腐蝕的研究。特高壓直流工程對鐵路的影響研究，則主要集中在牽引供電系統(tǒng)直流偏磁方面，在仿真計算建模時并未考慮接觸網(wǎng)支柱，路基、橋梁、隧道結構鋼筋等散流通道。劉士利等[8-10]以非高速鐵路為研究對象，建模時接地散流通道僅考慮鋼軌與貫通地線。青攀[11]以高速鐵路為研究對象，但在建模時同樣只考慮牽引網(wǎng)的參數(shù)，并未考慮綜合接地系統(tǒng)。

實際上，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)[12-14]直流通路除鋼軌、保護線、貫通地線外，路基、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)支柱等結構也存在直流通路，導致以上結構也會受到直流電流影響。因此，有必要研究考慮結構鋼筋的高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的直流參數(shù)，再基于此研究特高壓直流輸電對鄰近高速鐵路地下金屬設施腐蝕的問題。

1 典型高鐵工程段直流通路參數(shù)

1.1 各工程段直流電阻與接地電阻的計算方法

首先在CDEGS軟件中基于實際工程參數(shù)與空間布置方案建立仿真模型，如圖1所示。模型建立完畢后，如圖2所示，電磁場軟件中該模型一側(cè)端部注入單位電流Ia，另一側(cè)抽出該電流Ia，通過電磁場仿真軟件計算得出此局部模型上的電壓和電流分布，然后將中間一定長度設為L，兩點之間的電位差即Ua-Ub和該段中間位置流過的電流I相除，從而可求得長度L下沿線路方向的總直流電阻值。

圖1 典型工程區(qū)段局部仿真模型

圖2 直流電阻/直流接地電阻計算示意

由于高鐵線路直流電阻值較低，可認為其為均勻散流模型，在電磁場軟件中從該模型一側(cè)注入電流，再次通過電磁場仿真軟件計算得出此局部模型上的電壓和電流分布，求取模型中點處平均電位值U和L長度模型的總泄漏電流值Iz，二者相除可得出此L長度下垂直入地方向接地電阻值。

獲得沿線路方向的總直流電阻值和垂直入地方向的接地電阻值后，基于傳輸線等效模型的構建思想，可利用“Π”形等效電路來分析直流接地和入地電流對高鐵系統(tǒng)的影響。

由于目前沒有公開的直流輸電地中回流在高速鐵路系統(tǒng)分布的測試數(shù)據(jù)，所建立的模型無法通過實測驗證，但建模原理與直流輸電地中回流在交流電網(wǎng)、油氣管道的模型原理相同，相應參數(shù)計算方法也相同[15-17]，可間接保證模型的有效性。

1.2 路基段直流通路參數(shù)

高速鐵路路基段工程綜合接地系統(tǒng)是由保護線、鋼軌、貫通地線、道床板接地鋼筋和接觸網(wǎng)支柱等設施共同構成的立體接地網(wǎng)絡。根據(jù)設施所在的空間位置，可將整個接地系統(tǒng)分為位于水硬結合層上的地上部分(包括保護線、鋼軌、道床板接地鋼筋)和埋設于土壤中的地下部分(包括貫通地線和接觸網(wǎng)支柱基礎)，如圖3所示。考慮到道床板結構中僅澆筑承載層及以上部分，其包含鋼筋結構、水硬結合層，常采用電氣絕緣素水泥，因此，道床板中接地鋼筋無法向大地散流，僅能和保護線、鋼軌等地上部分相互分流。為保證道床板中接地鋼筋不向大地散流，選擇在仿真模型中兩側(cè)貫通地線上方(地上1 m處)設置道床板接地鋼筋，規(guī)格為φ20 mm。路基段沿線接觸網(wǎng)支柱的基礎鋼筋和貫通地線連接后也可作為接地極。接觸網(wǎng)支柱結構內(nèi)部為金屬鋼管，外部為水泥支撐，埋設在土壤中和大地直接接觸散流。可將接觸網(wǎng)支柱等效為內(nèi)部空心鋼管，外部包裹一定厚度涂層的導體。

圖3 典型路基區(qū)段斷面示意

仿真模型中取鋼管半徑0.4 m，內(nèi)徑0.39 m，混凝土涂層厚0.05 m。每50 m在兩根貫通地線上各設置1段垂直入地3 m的導體(等效為接地網(wǎng)支柱)。同時，路基段的上下行保護線和上下行鋼軌、貫通地線會在扼流變處互聯(lián)。基于以上信息，在CDEGS中建立仿真模型，選取不同長度的路基段模型求取直流電阻和接地電阻，土壤電阻率取30 Ω·m，包覆層電阻率取100 Ω·m，結果見表1。

表1 不同長度路基段模型計算結果

從表1可以看出，不同長度模型計算得出的路基段直流接地電阻和直流電阻相差很小，不同的建模長度不會對計算單位長度電阻值的結果產(chǎn)生影響。為方便利用單元模型搭建長距離高鐵線路接地系統(tǒng)模型，后續(xù)計算都選取1.5 km為1個“Π”形電路單元，計算直流接地電阻和直流電阻值。

1.3 橋梁段直流通路參數(shù)

高鐵橋梁一般由上部結構、下部結構、支座和附屬構造物組成。其中，上部結構又稱橋跨結構，是跨越障礙的主要結構；下部結構包括橋墩、橋臺和基樁。橋梁的綜合接地系統(tǒng)是由保護線、鋼軌、貫通地線、橋梁結構物中的非預應力結構鋼筋(接地鋼筋)等設施共同構成的立體接地網(wǎng)絡，如圖4所示。

圖4 典型橋梁區(qū)段斷面示意

橋梁梁體內(nèi)部存在大量接地鋼筋且彼此橫縱相連，在接地系統(tǒng)中起到了分流作用。鐵路系統(tǒng)中的橋梁具有多種類型[18]，選取最典型的簡支箱梁結構作為建模對象[19]，在CDEGS中建立仿真模型，包覆層電阻率取100 Ω·m，1.5 km橋梁段的仿真計算結果如表2所示。

表2 不同土壤電阻率橋梁段模型計算結果

由表1、表2可見，橋梁段的直流電阻值小于路基段的直流電阻值，這主要是由于橋梁梁體內(nèi)部存在大量鋼筋，起到了減小直流電阻的作用。

1.4 隧道段直流通路參數(shù)

高鐵隧道根據(jù)地質(zhì)條件不同，將隧道所穿圍巖分為Ⅰ～Ⅵ級。分別選取Ⅱ級和Ⅴ級2種典型圍巖為例，進行隧道接地系統(tǒng)建模[20-21]。

Ⅱ級圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)如圖5所示，其是由保護線、鋼軌、貫通地線、底板接地鋼筋、連接鋼筋等設施共同構成的立體接地系統(tǒng)網(wǎng)絡。隧道底板接地鋼筋按每間隔1個臺車位設置1處，由大小為10 m×4 m的1 m×1 m雙層網(wǎng)格構成，采用φ10 mm鋼筋。隧道底板鋼筋包裹水泥找平層在CDEGS軟件中可等效為底板接地鋼筋外部包裹厚30 cm涂層的導體。

圖5 Ⅱ級圍巖隧道區(qū)段斷面示意

在CDEGS中建立仿真模型，包覆層電阻率取100 Ω·m，1.5 km的Ⅱ級圍巖隧道仿真結果如表3所示。可以看出，Ⅱ級圍巖隧道段的直流電阻值與路基段基本一致，直流接地電阻值小于路基段的接地電阻值，主要因為Ⅱ級圍巖隧道中的底板接地鋼筋較多，起到了較好的散流作用。

表3 不同土壤電阻率下Ⅱ級圍巖隧道段模型計算結果

Ⅴ級圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)如圖6所示，其是由保護線、鋼軌、貫通地線、縱向接地鋼筋、環(huán)向結構鋼筋和錨桿等設施共同構成的立體接地系統(tǒng)網(wǎng)絡。隧道內(nèi)縱向接地鋼筋選取φ16 mm鋼筋，該鋼筋每100 m斷開一次，縱向接地鋼筋和貫通地線每100 m互聯(lián)一次。隧道錨桿通過環(huán)向結構鋼筋與縱向接地鋼筋連接，錨桿接地體以1個臺車長度為間隔設置。錨桿和縱向接地鋼筋均采用φ16 mm鋼筋，錨桿長4 m，間距1.5 m，環(huán)形鋼架采用HW150型鋼。基于以上參數(shù)，選取1.5 km的Ⅴ級圍巖隧道段作為一個模型單元進行建模，包覆層電阻率取100 Ω·m，仿真結果如表4所示。可以看出，Ⅴ級圍巖隧道段的直流電阻值與路基段基本一致，直流接地電阻值小于路基段和Ⅱ級圍巖隧道段的接地電阻值，這是由于Ⅴ級圍巖隧道中的隧道錨桿與環(huán)形鋼架起到了較好的散流作用，降低了接地電阻。

圖6 V級圍巖隧道區(qū)段斷面示意

表4 不同土壤電阻率V級圍巖隧道段模型計算結果

2 不同高鐵工程段電化學腐蝕影響仿真計算

直流接地極入地電流對金屬物的腐蝕程度取決于導體同周圍介質(zhì)的交換電流密度，電流密度越大，參與反應的金屬離子越多，金屬的電解速度就越快。以高鐵線路接地系統(tǒng)單位長度的泄漏電流密度指標，來衡量高鐵線路各位置處受到電化學影響的腐蝕程度。

取土壤電阻率300 Ω·m，接地極中心到長度204 km的高鐵線路垂直距離為5 km，包覆層(水泥)電阻率為100 Ω·m，直流接地極選擇典型參數(shù)，外環(huán)φ800 m，內(nèi)環(huán)φ500 m，截面φ70 mm，埋深3 m，入地電流3 000 A。不同204 km工程段(全路基、橋梁、隧道)下得到的高鐵線路接地系統(tǒng)沿線單位長度泄漏電流密度如圖7所示，最大值如表5所示。可以看出，橋梁段的泄漏電流密度最大，這是由于橋梁路段直流電阻遠低于其他路段，聚流效應更明顯。

圖7 不同工程段高鐵線路接地系統(tǒng)沿線泄漏電流密度

表5 不同高鐵路段下泄漏電流密度最大值 A/km

3 直流接地極對高鐵綜合接地腐蝕的影響規(guī)律

以路基段為例，分別以接地極工作方式、土壤電阻率及接地極-線路垂直距離為變量，研究直流接地極對高鐵綜合接地腐蝕的影響規(guī)律。

3.1 接地極工作方式的影響

接地極具有陽極工作與陰極工作方式，以路基工程段為例，兩種方式下高鐵線路接地系統(tǒng)沿線單位長度泄漏電流密度仿真結果如圖8所示。

圖8 不同方式工作時系統(tǒng)沿線單位長度泄漏電流密度

由圖8可以看出，當接地極為陽極工作時，由于靠近直流接地極的高鐵線路中間路段部分泄漏電流方向是流入高鐵線路，而流入的直流電流會在高鐵線路接地系統(tǒng)分流，隨著遠離直流接地極，泄漏電流方向是流出高鐵線路，此時靠近中間路段兩側(cè)的波峰位置為腐蝕風險增強區(qū)域，該風險區(qū)域泄漏電流密度最大值為2.26 A/km。當接地極為陰極工作時，由于靠近直流接地極的高鐵線路中間路段部分泄漏電流方向是流出高鐵線路，此時中間路段的位置為腐蝕風險增強區(qū)域，該風險區(qū)域泄漏電流密度最大值為16.89 A/km。所以，當接地極為陰極工作時，距離其最近的高鐵線路段受到的電化學腐蝕影響最大。

3.2 土壤電阻率的影響

分別取土壤電阻率30，300，2 000 Ω·m進行計算，結果如圖9所示。當土壤電阻率逐漸增大時，沿線泄漏電流密度最大值分別為7.54，16.89，23.35 A/km。由圖9可以看出，當土壤電阻率較低時，由于接地極入地直流電流散流較好，高鐵接地系統(tǒng)受到的電化學腐蝕影響最小；反之，在高土壤電阻率時，高鐵接地系統(tǒng)聚流效應明顯，高鐵線路中間段泄漏電流密度較高，加大了直流接地極入地電流對高鐵接地系統(tǒng)腐蝕的影響。

圖9 不同土壤電阻率下系統(tǒng)沿線泄漏電流密度

3.3 接地極—高鐵垂直距離的影響

取接地極中心到高鐵線路的垂直距離分別為5，10，20 km，土壤電阻率為300 Ω·m，計算結果如圖10所示。當垂直距離逐漸增大時，沿線泄漏電流密度最大值分別為16.89，5.36，1.41 A/km。由圖10可以看出，當土壤電阻率固定時，高鐵線路距接地極距離越近，高鐵線路接地系統(tǒng)中間腐蝕風險增強區(qū)域的沿線泄漏電流密度越大，中間路段受到電化學腐蝕的影響越嚴重。

圖10 不同垂直距離下系統(tǒng)沿線泄漏電流密度

4 結論

針對特高壓直流接地極以大地為回路運行時對高速鐵路綜合接地系統(tǒng)腐蝕的問題，對不同的高速鐵路工程段綜合接地系統(tǒng)進行直流參數(shù)仿真計算，并基于此評價各工程段的電化學腐蝕風險，研究了影響高鐵工程段綜合接地系統(tǒng)電化學腐蝕的因素，得出如下結論。

(1)不同高鐵工程段綜合接地系統(tǒng)各不相同，但都可以歸結為對模型直流電阻和直流接地電阻的求取，進而可采用“Π”形等效電路來分析直流接地極入地電流對高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的影響。

(2)土壤電阻率、接地極與工程段的垂直距離、接地極的工作方式均影響高速鐵路綜合接地電化學腐蝕行為。當接地極陰極工作，接地極鄰近線路為橋梁區(qū)段，土壤電阻率較高，或接地極—高速鐵路間距較小時，高鐵綜合接地系統(tǒng)電化學腐蝕越嚴重。

研究結論可為今后高速鐵路及特高壓直流接地極的選址提供參考。