劉立峰,周南駿
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司通號(hào)院,成都 610031)
當(dāng)前,我國(guó)鐵路客運(yùn)專線項(xiàng)目建設(shè)步伐加快,常規(guī)普速鐵路接地方式已不能適應(yīng)客運(yùn)專線鐵路發(fā)展的需要。針對(duì)我國(guó)客運(yùn)專線的特點(diǎn),結(jié)合“以人為本”的設(shè)計(jì)理念,將高速鐵路沿線各種接地有機(jī)、合理地結(jié)合起來(lái),保證各系統(tǒng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)等電位連接,減少不同系統(tǒng)設(shè)備之間存在的電位差及可能造成的人身和設(shè)備安全隱患。為此,鐵道部在借鑒國(guó)外高速鐵路綜合接地系統(tǒng)工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,不斷總結(jié)我國(guó)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),將鐵路綜合接地系統(tǒng)作為裝備客運(yùn)專線鐵路的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。
鐵路工程是一個(gè)分布式多專業(yè)協(xié)同運(yùn)行的系統(tǒng)工程,沿線構(gòu)筑物涉及橋梁、隧道、路基、信號(hào)、通信、信息、電氣化、電力、機(jī)械、環(huán)工、給排水等多個(gè)專業(yè),電氣化、電力、信號(hào)、通信等電氣和電子系統(tǒng)設(shè)施分散設(shè)置在鐵路沿線,為保證人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運(yùn)行,各系統(tǒng)均有接地要求。武廣鐵路客運(yùn)專線在設(shè)計(jì)初期引進(jìn)國(guó)外接地理念,結(jié)合高密度行車、牽引回流大、接地需求設(shè)備多等特點(diǎn),提出綜合接地系統(tǒng)方案,以提高全線接地系統(tǒng)的質(zhì)量和接地效果。武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)以貫通地線為主干,充分利用沿線橋梁、隧道、路基地段構(gòu)筑物設(shè)施內(nèi)的接地裝置作為接地極,形成低阻等電位綜合接地平臺(tái),為鐵路沿線系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)施提供接地。
武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地實(shí)施方案在研究過(guò)程中,對(duì)綜合接地接入范圍、構(gòu)筑物接地裝置等方面進(jìn)行了專題研究。
1.2.1 綜合接地接入范圍
綜合接地接入范圍的研究的主要是針對(duì)強(qiáng)、弱電系統(tǒng)接地能否共用接地系統(tǒng)的討論,即是采用“大綜合”還是“小綜合”?!靶【C合”僅是滿足通信、信號(hào)等弱電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的綜合接地,“大綜合”則是滿足電氣化、電力等強(qiáng)電系統(tǒng)和通信、信號(hào)等弱電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施及其他金屬構(gòu)件的接地需要。借鑒國(guó)內(nèi)大型建筑接地和國(guó)外接地工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)按照“大綜合”的思路設(shè)計(jì),綜合接地系統(tǒng)平臺(tái)為沿線強(qiáng)、弱電系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)施提供可靠接地。為防止強(qiáng)電壓通過(guò)接地網(wǎng)反擊低電壓設(shè)備,應(yīng)保證具有一定的地中距離,使得沿接地體傳播的過(guò)電壓衰減到不危險(xiǎn)的程度,按照目前的國(guó)家規(guī)范,其地中距離應(yīng)不小于15 m。
1.2.2 構(gòu)筑物接地裝置
構(gòu)筑物鋼筋接入范圍主要是對(duì)橋梁、隧道、建筑物接地裝置中接地鋼筋的設(shè)置要求。土建結(jié)構(gòu)物中有預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋,為了增強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋強(qiáng)度,充分利用高強(qiáng)度材料彌補(bǔ)混凝土與鋼筋拉應(yīng)變之間的差距,通常把預(yù)應(yīng)力運(yùn)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,即在外荷載作用到構(gòu)件上之前,預(yù)先用某種方法,在構(gòu)件上施加壓力,構(gòu)成預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),達(dá)到延遲構(gòu)件裂縫的出現(xiàn)和開(kāi)展。為了不對(duì)土建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響,經(jīng)研究確定構(gòu)筑物非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋不接入綜合接地系統(tǒng)。另?yè)?jù)相關(guān)資料,交流電對(duì)鋼筋的電腐蝕很小,借鑒德國(guó)鐵路綜合接地理念,綜合接地應(yīng)充分利用土建構(gòu)筑物中的非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,以加強(qiáng)接地效果。
武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)實(shí)施方案通過(guò)理論研究,并結(jié)合我國(guó)第一條無(wú)砟軌道試驗(yàn)段遂渝線綜合接地試驗(yàn)驗(yàn)證的情況,最終確定了橋梁、隧道、路基、站臺(tái)、軌道地段綜合接地接口工程和綜合接地系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建方案。系統(tǒng)平臺(tái)主要包括貫通地線及橫向連接(平衡兩側(cè)電位)、接地裝置、接地端子及各部分的等電位連接。該實(shí)施方案在鐵道部組織編寫的《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]39號(hào))中得以借鑒。
橋梁地段貫通地線敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)。利用橋墩基礎(chǔ)部分非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋(以下稱結(jié)構(gòu)鋼筋)做接地極,有效降低橋梁地段綜合接地系統(tǒng)的接地電阻;利用橋梁上表層的局部縱向結(jié)構(gòu)鋼筋做接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護(hù)接地裝置;在橋墩頂帽及橋梁底部、電纜槽底部、護(hù)欄基礎(chǔ)上部、防護(hù)墻側(cè)面適當(dāng)位置預(yù)置接地端子,并與接地裝置鋼筋可靠焊接;利用橋梁上表層橫向結(jié)構(gòu)鋼筋實(shí)現(xiàn)兩側(cè)貫通地線的橫連;通過(guò)L形連接器將貫通地線與電纜槽底部接地端子連接,從而實(shí)現(xiàn)橋梁接地裝置與綜合接地系統(tǒng)間的等電位連接。橋梁上有接地需求的設(shè)備設(shè)施均通過(guò)預(yù)置的接地端子實(shí)現(xiàn)接地連接。圖1為箱梁接地裝置斷面圖。
圖1 箱梁接地裝置斷面
隧道地段貫通地線敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)。利用隧道初期支護(hù)錨桿或底板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,有效降低隧道內(nèi)綜合接地系統(tǒng)的接地電阻,接地極以臺(tái)車位的長(zhǎng)度為單元施作,可有效控制工程質(zhì)量;利用隧道二次襯砌內(nèi)及電纜槽側(cè)壁的結(jié)構(gòu)鋼筋做接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護(hù)接地裝置,以確保接觸網(wǎng)斷線故障情況下,隧道內(nèi)的人員及系統(tǒng)設(shè)備安全;在電纜槽底部、側(cè)壁及隧道洞室內(nèi)適當(dāng)位置預(yù)置接地端子,并與接地裝置的鋼筋可靠焊接;通過(guò)L形連接器將貫通地線與電纜槽底部接地端子連接,從而實(shí)現(xiàn)隧道接地裝置與綜合接地系統(tǒng)間的等電位連接;通過(guò)接地裝置內(nèi)的環(huán)向接地鋼筋實(shí)現(xiàn)兩側(cè)貫通地線的橫向連接。隧道內(nèi)有接地需求的設(shè)備設(shè)施均通過(guò)預(yù)置的接地端子實(shí)現(xiàn)接地連接。圖2為隧道初期支護(hù)接地極斷面圖。
圖2 隧道初期支護(hù)接地極斷面
路基地段的貫通地線埋設(shè)在電纜槽下方,每隔500 m將兩側(cè)貫通地線橫向連接1次。利用接觸網(wǎng)支柱鉆孔樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,有效降低路基段綜合接地系統(tǒng)的接地電阻;通過(guò)接地分支引接線將接地極與貫通地線可靠連接。支柱基礎(chǔ)側(cè)面預(yù)置的接地端子供軌旁設(shè)備設(shè)施接地連接使用。接觸網(wǎng)H型鋼柱及無(wú)砟軌道的接地均采用不銹鋼連接線與基礎(chǔ)軌道側(cè)的接地端子在外部進(jìn)行連接。信號(hào)等弱電軌旁設(shè)備的接地采用接地連接線與基礎(chǔ)電纜槽側(cè)面的接地端子連接。當(dāng)有信號(hào)設(shè)備接地時(shí),該處的接觸網(wǎng)H型鋼柱則不再與基礎(chǔ)接地端子連接,避免了強(qiáng)、弱電接地點(diǎn)同位置的情況,防止了強(qiáng)電流通過(guò)鋼柱接地連接對(duì)弱電設(shè)備造成反擊損壞的隱患發(fā)生。
站臺(tái)區(qū)人員流動(dòng)較大,設(shè)備相對(duì)集中。鑒于高速鐵路牽引電流大(25 kA以上)的特點(diǎn),必須采取必要的措施,保障人身安全和設(shè)備安全。接地需求主要包括:為解決跨步電壓對(duì)人身安全的危害,要求站臺(tái)墻上表面靠線路側(cè)60 cm范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋均需接地;站臺(tái)區(qū)域長(zhǎng)度超過(guò)2 m的金屬構(gòu)件均需接地;站房等建筑物共用接地系統(tǒng)與綜合接地系統(tǒng)等電位連接。
按照上述接地需求,對(duì)站臺(tái)區(qū)域接地裝置設(shè)備作出規(guī)定。站臺(tái)墻接地裝置:在站臺(tái)墻內(nèi)利用局部結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成接地裝置,在站臺(tái)墻下部側(cè)面預(yù)置接地端子與貫通地線連接。雨棚柱等金屬構(gòu)件的接地方案:利用雨棚網(wǎng)架各金屬構(gòu)件及金屬柱作防雷接閃器及引下線,利用各柱基礎(chǔ)承臺(tái)內(nèi)主鋼筋作接地裝置,雨棚接地體與站房接地網(wǎng)連接。建筑物防雷接地:按照相關(guān)防雷接地設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,設(shè)計(jì)建筑物共用接地系統(tǒng),接地網(wǎng)在兩端與貫通地線進(jìn)行等電位連接。
無(wú)砟軌道接地裝置是為接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護(hù)的接地措施。參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn),利用無(wú)砟軌道板上層局部縱向結(jié)構(gòu)鋼筋,每百米構(gòu)成一個(gè)接地裝置,并與綜合接地系統(tǒng)等電位連接1次,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁人員及設(shè)備設(shè)施的安全防護(hù)。橋梁地段的無(wú)砟軌道接地連接至防護(hù)墻側(cè)面的接地端子,隧道地段的無(wú)砟軌道接地連接至電纜槽側(cè)壁的接地端子,路基地段無(wú)砟軌道連接至接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)側(cè)面的接地端子。在站內(nèi)道岔區(qū)轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝位置的無(wú)砟軌道處預(yù)置接地端子,供轉(zhuǎn)轍機(jī)接地連接;到發(fā)線無(wú)砟軌道接地裝置與正線無(wú)砟軌道接地裝置間進(jìn)行等電位連接,線間其他金屬構(gòu)件可就近與無(wú)砟軌道接地端子連接,實(shí)現(xiàn)與綜合接地系統(tǒng)的連接。
在路基與橋梁、隧道過(guò)渡段的綜合接地系統(tǒng)銜接方面,細(xì)化貫通地線接續(xù)實(shí)施方案。由于路基地段貫通地線埋設(shè)在電纜槽下方,橋梁、隧道地段貫通地線敷設(shè)在電纜槽內(nèi),為便于現(xiàn)場(chǎng)施工和工程質(zhì)量控制,采用通過(guò)接地端子在電纜槽內(nèi)過(guò)渡連接的方式實(shí)現(xiàn)。即在過(guò)渡段電纜井內(nèi)預(yù)置接地端子,端子尾端與貫通地線壓接,橋梁或隧道電纜槽內(nèi)貫通地線沿電纜槽引至接地端子處并與之連接,從而實(shí)現(xiàn)不同地段綜合接地系統(tǒng)的等電位接地連接。
通過(guò)專業(yè)間的溝通和對(duì)實(shí)施方案的理解細(xì)化,完成橋梁、隧道、路基、站臺(tái)綜合接地通用參考圖的設(shè)計(jì)。其中,在橋梁綜合接地參考圖中,結(jié)合橋梁地段的具體工點(diǎn)完成明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)橋墩接地極設(shè)計(jì)圖、箱梁及跨線橋綜合接地等設(shè)計(jì)圖;在隧道綜合接地參考圖中,結(jié)合隧道具體工點(diǎn)完成Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖隧道接地極及接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護(hù)接地裝置設(shè)計(jì)圖;在路基綜合接地參考圖中完成路堤、路塹地段貫通地線敷設(shè)、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)接地極、電纜槽接地端子設(shè)置設(shè)計(jì)圖等;結(jié)合站臺(tái)類型,完成帶邊溝站臺(tái)和不帶邊溝站臺(tái)接地裝置設(shè)計(jì)圖。
武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地通用參考圖為橋梁、隧道、路基、無(wú)砟軌道等工點(diǎn)設(shè)計(jì)圖中的接地設(shè)計(jì)提供了依據(jù),并為鐵路工程建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》(通號(hào)(2009)9301)的編制提供了經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
等電位連接作為綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的基本要素之一,沿線各地段的接地裝置間的等電位連接是構(gòu)成綜合接地系統(tǒng)平臺(tái)的紐帶和關(guān)鍵。因此,必須在施工工藝上要求高可靠性和可實(shí)施性強(qiáng)。
橋梁、隧道、路基、站臺(tái)區(qū)接地裝置內(nèi)的接地鋼筋必須可靠連接,參考國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),要求單邊焊長(zhǎng)度不小于100 mm,雙邊焊長(zhǎng)度不小于55 mm,焊厚不小于4 mm。橋墩與橋梁接地裝置間、無(wú)砟軌道與接地端子間均采用不銹鋼絲繩等電位連接。橋梁、隧道接地裝置在電纜槽內(nèi)預(yù)置接地端子,采用專用的L形連接器與貫通地線等電位連接。路基地段的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)接地極通過(guò)分支引接線與貫通地線等電位連接。沿線各系統(tǒng)設(shè)備及金屬構(gòu)件等的接地均通過(guò)綜合接地系統(tǒng)預(yù)留的接地端子連接。圖3為接地端子與接地引接線、貫通地線等電位連接示意。
圖3 接地端子及接地連接
鐵路綜合接地工程是一項(xiàng)多專業(yè)綜合建設(shè)、多專業(yè)綜合使用的系統(tǒng)工程。在整個(gè)工程建設(shè)過(guò)程中,存在著設(shè)計(jì)分工界面、工程建設(shè)界面、系統(tǒng)接口界面,這幾個(gè)界面如何劃分是需要研究和明確的。
設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的先頭兵,因此必須先要明確設(shè)計(jì)分工,確保工程無(wú)縫銜接,不遺漏。針對(duì)設(shè)計(jì)界面的不統(tǒng)一問(wèn)題,鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心組織召開(kāi)了鐵路綜合接地設(shè)計(jì)研討會(huì),并形成會(huì)議紀(jì)要明確了設(shè)計(jì)分工,分工原則是由信號(hào)、電氣化專業(yè)牽頭完成綜合接地總體設(shè)計(jì),橋梁、隧道、路基、軌道、站場(chǎng)、結(jié)構(gòu)等專業(yè)按照總體設(shè)計(jì)要求完成各工點(diǎn)接地裝置設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容可詳見(jiàn)“關(guān)于印發(fā)《鐵路防雷、接地工程設(shè)計(jì)專業(yè)分工及文件編制研討會(huì)議紀(jì)要》的通知”(鐵道部鑒信[2007]96號(hào))。
綜合接地系統(tǒng)涉及專業(yè)眾多,系統(tǒng)建設(shè)貫穿武廣鐵路客運(yùn)專線工程建設(shè)的全過(guò)程,系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建涉及到前期的橋梁、隧道、路基、軌道、站場(chǎng)、房建等土建工程,后期系統(tǒng)設(shè)備接地接入涉及到通信、信號(hào)、信息、電力、電氣化等眾多專業(yè)。綜合接地系統(tǒng)工程的實(shí)施可以說(shuō)是一個(gè)接口工程的實(shí)施,接地系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)多為隱蔽性工程,接地鋼筋的焊接和接地裝置間的等電位連接質(zhì)量都需要嚴(yán)格控制,界面劃分不清直接制約著工程質(zhì)量。
為建設(shè)一個(gè)高可靠的接地系統(tǒng),武廣鐵路客運(yùn)專線參照“關(guān)于印發(fā)《200~250 km/h客運(yùn)專線綜合接地實(shí)施方案專題工作會(huì)議紀(jì)要》的通知”(鐵道部工管[2006]103號(hào))中有關(guān)綜合接地施工組織界面及責(zé)任范圍的規(guī)定及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),要求涉及土建施工的接地裝置(主要包括接地極、接地端子等)隨土建工程同步實(shí)施;貫通地線作為橋梁、隧道、路基、站場(chǎng)地段接地裝置等電位連接的載體,由電務(wù)部門統(tǒng)一實(shí)施;各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān),尤其是隱蔽工程中的接地鋼筋可靠連接方面,要求嚴(yán)格按照施工工藝要求實(shí)施。并制訂了橋梁、隧道、路基綜合接地接口施工手冊(cè),在武漢試驗(yàn)段進(jìn)行示范性工程試點(diǎn),做到全線規(guī)范化施工。
系統(tǒng)接口界面是指各系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施接地與綜合接地系統(tǒng)的接口,武廣鐵路客運(yùn)專線參考設(shè)計(jì)分工和工程界面劃分原則,將綜合接地系統(tǒng)預(yù)留的接地端子作為綜合接地系統(tǒng)與有接地需求的系統(tǒng)設(shè)備的接地接口界面。綜合接地系統(tǒng)確保每個(gè)接地端子處的接地電阻不大于1 Ω,各系統(tǒng)設(shè)備在與接地端子連接時(shí)應(yīng)對(duì)接入點(diǎn)的接地電阻進(jìn)行復(fù)測(cè)。
武廣鐵路客運(yùn)專線在設(shè)計(jì)咨詢中,將接口設(shè)計(jì)視為各鐵路系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。尤其在綜合接地設(shè)計(jì)中,將專業(yè)間互提資料提高到了工程接口的高度,專業(yè)間除了要提出明確的要求外,還應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)需求確認(rèn)的方式,確保土建接口工程設(shè)計(jì)滿足綜合接地要求。在設(shè)計(jì)和工程配合過(guò)程中與土建工程設(shè)計(jì)、施工加強(qiáng)溝通,在理解設(shè)計(jì)意圖的前提下完成接口工程設(shè)計(jì)和施工。對(duì)于參考圖中未包括的典型工點(diǎn),參考類似的典型工點(diǎn)綜合接地設(shè)計(jì)圖會(huì)審確定,設(shè)計(jì)方案應(yīng)注意等電位連接和接地極的設(shè)置方案。
目前有關(guān)鐵路綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、維修等的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范正在制定或完善中。結(jié)合武廣鐵路客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程建設(shè),提出幾點(diǎn)建議以供其他鐵路綜合接地系統(tǒng)工程建設(shè)借鑒。
設(shè)計(jì)方面:進(jìn)一步完善明確預(yù)留接地端子的用途,以便于有接地點(diǎn)間距要求的強(qiáng)、弱電設(shè)備接地連接和綜合接地系統(tǒng)的驗(yàn)收、維護(hù)和管理。
工程驗(yàn)收方面:對(duì)接地端子的使用做詳細(xì)記錄,包括里程位置、接地連線數(shù)量、性質(zhì)(安全地、屏蔽地、工作地、保護(hù)地等)及所屬系統(tǒng)等,以便于綜合接地系統(tǒng)的維護(hù)和管理。
維護(hù)管理方面:定期做等電位連接防松檢查、接地電阻測(cè)試、等電位連接測(cè)試等。
工程應(yīng)用方面:在山區(qū)困難普速鐵路地段可參考綜合接地系統(tǒng)接地極的設(shè)置方案,提高接地系統(tǒng)的質(zhì)量;也可局部地段實(shí)施綜合接地,以提高人身、設(shè)備安全,節(jié)約能源。
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[2] 鐵道部鑒信[2007]96號(hào),鐵路防雷、接地工程設(shè)計(jì)專業(yè)分及文件編制研討會(huì)議紀(jì)要[Z].北京:2007.
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