高速鐵路綜合接地技術(shù)

肖蘋劉立峰

（1鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院 高級工程師，北京 100038；2中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 工程師，成都 610031）

1 概述

鐵路綜合接地技術(shù)一直是人身安全、設(shè)備安全的重要保障措施之一。我國高速鐵路工程建設(shè)步伐加快，以往分散的接地方式不能適應(yīng)高速鐵路發(fā)展的需要。針對我國高速鐵路的特點，結(jié)合“以人為本”的設(shè)計理念，需要將高速鐵路沿線各種接地有機、合理地結(jié)合起來，保證各系統(tǒng)、設(shè)備之間實現(xiàn)等電位連接，減少不同設(shè)備、不同系統(tǒng)之間存在的電位差及可能造成的人身和設(shè)備的安全隱患。經(jīng)過對國內(nèi)外接地技術(shù)的研究、消化吸收和試驗驗證，提出高速鐵路綜合接地總體技術(shù)方案，建立了系統(tǒng)標準體系，并將其確定為裝備我國高速鐵路的重要系統(tǒng)之一。

2 實施綜合接地技術(shù)的重要意義

2.1 國外高速鐵路綜合接地技術(shù)

高速鐵路一般采用電力牽引供電，牽引回流和短路電流經(jīng)過鋼軌并在鋼軌和與之相連的設(shè)施上產(chǎn)生對地電位差，當該電位差達到一定數(shù)量級時，將對人身和設(shè)備安全構(gòu)成威脅。國外高速鐵路國家根據(jù)自身鐵路建設(shè)和技術(shù)發(fā)展的特點對鐵路接地方式進行了全面的系統(tǒng)研究，形成了目前以法國（貫通地線、接地極、接地端子及接地連接線等構(gòu)成，利用橋梁、隧道等土建結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極）、德國（信號系統(tǒng)傳輸采用電纜方式，是以鋼軌作為接地連接線，將沿線設(shè)備、設(shè)施及接地裝置等電位連接）為代表的綜合接地方式，建立了EN50122鐵路接地安全評價體系，采用等電位連接方式，在鐵路沿線形成面積非常大的綜合接地體，增強接地效果。

2.2 我國高速鐵路實施綜合接地的重要性和必要性

我國電氣化普速鐵路的接地系統(tǒng)設(shè)計一直沿用前蘇聯(lián)模式，采用的是各系統(tǒng)的接地線分別設(shè)置、相互隔離的方式。隨著提速、重載和高速鐵路的建設(shè)，鐵路系統(tǒng)大量運用各種電子設(shè)備。由于耐過壓能力低，雷電高電壓和雷電電磁脈沖侵入及接觸網(wǎng)25 kV高壓線、回流線所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)都會對系統(tǒng)設(shè)備造成干擾或永久性損失。在現(xiàn)場已暴露出分散接地體系由于缺乏統(tǒng)籌考慮，不僅成本高、接地效果差、相互干擾，而且長大橋梁、隧道及石質(zhì)路基地段現(xiàn)場施工十分困難。

列車速度提高，鋼軌電流增大，大幅值、強波動的牽引回流在鋼軌中流動將產(chǎn)生鋼軌電位，對人身安全、信號系統(tǒng)等的正常工作和設(shè)備安全，乃至于對行車安全構(gòu)成非常大的影響。鐵路線路的橋、隧比重加大，必須采取特殊的措施對設(shè)備及人員進行安全防護。經(jīng)過國內(nèi)外接地技術(shù)的調(diào)研及現(xiàn)場試驗研究，采用綜合接地系統(tǒng)將各專業(yè)、各類型的地線均接入此系統(tǒng)，在滿足各系統(tǒng)設(shè)備防雷、接地及等電位連接要求的同時，可有效降低干擾，優(yōu)化牽引回流系統(tǒng)。

2.3 綜合接地系統(tǒng)的優(yōu)勢

1）鐵路綜合接地充分利用沿線設(shè)施，可有效降低鋼軌電位，保證人身和設(shè)備安全，降低鐵路各子系統(tǒng)單獨接地所需的工程投資。

2）對于場坪面積條件有限或高土壤電阻率地區(qū)，采用綜合接地優(yōu)勢特別突出，尤其是長大橋梁、隧道地段。

3）鐵路各子系統(tǒng)接地納入綜合接地系統(tǒng)后，在大大降低各子系統(tǒng)獨立進行接地處理的實施難度的同時，可有效克服各系統(tǒng)設(shè)備之間的電位差。

3 我國高速鐵路綜合接地技術(shù)發(fā)展歷程

為適應(yīng)我國鐵路客運專線的建設(shè)，鐵路綜合接地技術(shù)經(jīng)過了引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的過程。

3.1 綜合接地技術(shù)的探索和研究

1999年8 月，秦沈客運專線借鑒法國高速鐵路（地中海線）有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的綜合接地、防雷系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗，第一次沿全線鋪設(shè)了一條貫通地線，徹底解決了困擾多年的室外信號設(shè)備接地困難問題。

2006年，鐵道部科技司立項《客運專線綜合接地系統(tǒng)的研究》項目，組織全路技術(shù)力量對國內(nèi)外接地技術(shù)進行研究，該項研究成果在京津城際、武廣、鄭西、合寧、合武等客運專線建設(shè)上得以應(yīng)用，為技術(shù)標準的制定提供了依據(jù)。

2006年12月11 日，在總結(jié)京津城際、合寧、合武、石太客專等鐵路綜合接地系統(tǒng)實施過程中取得的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，參照國外相關(guān)技術(shù)規(guī)范，頒布《客運專線綜合接地技術(shù)實施辦法（暫行）》，以指導(dǎo)客專鐵路綜合接地系統(tǒng)設(shè)計、施工。

2007年4 月，為規(guī)范鐵路綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計分工，避免設(shè)計上差、錯、漏、碰的發(fā)生，印發(fā)了《鐵路防雷、接地工程設(shè)計專業(yè)分及文件編制研討會議紀要》（鐵道部鑒信[2007]96號）。

3.2 綜合接地工程試驗驗證

2007年1 月—2008年12月，在我國首條無砟軌道試驗段遂渝線，第一條200～250 km/h有砟軌道鐵路合寧線和第一條300～350 km/h無砟軌道鐵路京津城際軌道交通工程中，開展了針對不同工程特點、不同地域新建鐵路綜合接地系統(tǒng)的大規(guī)?，F(xiàn)場測試工作，并取得大量的第一手資料和成果，對綜合接地系統(tǒng)對設(shè)備保護的效果進行了測試驗證。

3.3 綜合接地技術(shù)標準化建設(shè)

2007年3 月，頒布鐵路行業(yè)標準《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），系統(tǒng)總結(jié)了我國鐵路防雷、電磁兼容及接地工程建設(shè)經(jīng)驗，借鑒了國外有關(guān)標準和規(guī)定，并因地制宜地結(jié)合我國鐵路建設(shè)的國情和具體的工程情況，規(guī)范了鐵路防雷的設(shè)計和運用管理。

2009年2 月，為規(guī)范鐵路綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計與施工，發(fā)布鐵路工程建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》（通號[2009]9301），以指導(dǎo)高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的建設(shè)。

2009年12 月，頒布鐵路行業(yè)標準《高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）》（TB 10621—2009），將綜合接地作為獨立篇章重點描述，并將其確定為裝備我國高速鐵路的重要系統(tǒng)之一。規(guī)范對高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的總體設(shè)計、實施方案及工藝要求等做出了明確規(guī)定，對綜合接地系統(tǒng)工程的建設(shè)起到了規(guī)范化、標準化作用。

4 綜合接地系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計原則

4.1 綜合接地系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路工程本身是一個分布式多專業(yè)協(xié)同運行的系統(tǒng)工程，沿線構(gòu)筑物涉及橋梁、隧道、路基、信號、通信、信息、電氣化、電力、機械、環(huán)工、給排水等多個專業(yè)，電氣化、電力、信號、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)備安全和正常運行，各系統(tǒng)均有接地要求。綜合接地系統(tǒng)以沿線路兩側(cè)敷設(shè)的貫通地線為主干，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體，形成低阻等電位綜合接地平臺，并將鐵路沿線各專業(yè)電氣和電子系統(tǒng)設(shè)備、構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋、長大金屬件等以等電位連接方式連接成一體的多專業(yè)分布式集成接地系統(tǒng)。

4.2 綜合接地系統(tǒng)設(shè)計原則

4.2.1 距接觸網(wǎng)帶電體5 m范圍以內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)

造成接觸網(wǎng)及其組成部分故障的原因極其離散，沒有規(guī)律可循。據(jù)有關(guān)資料實例分析表明：在客觀條件下，因接觸網(wǎng)設(shè)計缺陷造成的故障約占已統(tǒng)計接觸網(wǎng)故障率的3%～5%。外來物體對接觸網(wǎng)的沖擊影響是造成接觸網(wǎng)故障的主要原因，諸如受電弓故障、貨物超限界、建筑施工、氣候原因（冰凍、雪災(zāi)等）及鐵路犯罪等引起的故障。這些故障是無法預(yù)測的，需要在工程上采取有效的接地保護措施，使其在故障時盡快短路跳閘，縮小故障范圍，以降低接觸網(wǎng)故障帶來的損失。

4.2.2 距鐵路兩側(cè)20 m范圍以內(nèi)的鐵路設(shè)備房屋的接地裝置應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)

參照相關(guān)實驗資料及工程上普遍認同的觀點，兩個接地體間的間距大于20 m時，其間的互阻為零。為了消除20 m范圍內(nèi)接地體間的互阻和電位差給人身和設(shè)備造成的安全隱患，綜合接地工程要求距線路兩側(cè)20 m范圍以內(nèi)的鐵路設(shè)備房屋等接地裝置應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)。

4.2.3 在綜合接地系統(tǒng)中，建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)備在貫通地線接入處的接地電阻不應(yīng)大于1Ω

接入鐵路綜合接地系統(tǒng)的電氣和電子設(shè)備較多，各專業(yè)接地要求不盡相同，接地電阻值必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定。參照《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50116—1998）5.7.1.2規(guī)定，共用接地系統(tǒng)接地電阻值不應(yīng)大于1Ω。目前已建成或在建工程的鐵路綜合接地系統(tǒng)均要求接地電阻不大于1Ω。

4.2.4 綜合接地系統(tǒng)應(yīng)利用橋梁、隧道、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物內(nèi)的非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地鋼筋

綜合接地系統(tǒng)利用建（構(gòu)）筑物內(nèi)鋼筋作為自然接地體及引下線，避免了單獨設(shè)置人工接地裝置需要較大場地的限制，節(jié)省投資，且金屬受混凝土保護，不易腐蝕。

4.2.5 不便于鐵路綜合接地系統(tǒng)等電位連接的第三方設(shè)施（如路外公共建筑物、金屬管線等）必須采取可靠的隔離或絕緣等措施

在電氣化鐵路沿線，由于接地系統(tǒng)之間有電位轉(zhuǎn)移的危險，所以鐵路附近的第三方接地設(shè)施原則上不能與鐵路接地系統(tǒng)相連接。為此，通常要求從外面進入或通過的管道應(yīng)該由非導(dǎo)電材料制成，或在鐵路外圍被截斷，代之以絕緣段。

5 總體技術(shù)方案

5.1 方案制定的關(guān)鍵

綜合接地系統(tǒng)設(shè)計時，需要綜合考慮接地電阻、等電位連接、鋼軌電位、接觸電壓和跨步電壓、系統(tǒng)安全、電流腐蝕等基本要素，用以指導(dǎo)技術(shù)方案的合理制定。

綜合接地系統(tǒng)能否達到預(yù)期的效果，關(guān)鍵在于等電位連接和接地電阻，一個重要的指標就是“任意接入點的接地電阻不大于1Ω”。在綜合接地總體技術(shù)方案的制定中充分反映了這兩點。貫通地線是實現(xiàn)全線各地段接地裝置、接地設(shè)備及設(shè)施等電位連接的重要載體；橋梁、隧道、路基地段接地極的設(shè)置則是有效降低接地電阻的重要保障。因此，等電位連接和接地極的設(shè)計、施工、驗收等成為綜合接地系統(tǒng)工程建設(shè)的關(guān)鍵。

5.2 橋梁地段綜合接地

橋梁地段的綜合接地包括三個方面的內(nèi)容，一是敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)的貫通地線，主要作用是保證橋梁地段接地裝置、設(shè)備及設(shè)施的等電位連接；二是橋梁接地裝置，主要作用是每片梁上設(shè)備及設(shè)施的接地連接及接觸網(wǎng)的閃落保護接地；三是橋墩接地裝置，主要作用是利用基礎(chǔ)鋼筋做接地極，以降低接地電阻及加強接地效果。接地裝置均利用梁體及橋墩的非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋（以下稱結(jié)構(gòu)鋼筋）。兩側(cè)貫通地線的橫向連接通過梁體上表層橫向結(jié)構(gòu)鋼筋實現(xiàn)。貫通地線與電纜槽底部接地端子的連接通過專用連接器件連接，以保證可靠接地。橋梁上有接地需求的設(shè)備及設(shè)施均通過預(yù)置的接地端子實現(xiàn)接地連接。

5.3 隧道地段綜合接地

隧道地段的綜合接地同樣包括三個方面的內(nèi)容，一是敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)的貫通地線，主要作用是保證隧道內(nèi)接地裝置、設(shè)備及設(shè)施的等電位連接；二是隧道接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護接地裝置，主要是利用隧道二次襯砌及電纜槽外緣等處的表層內(nèi)的部分結(jié)構(gòu)鋼筋實現(xiàn)，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；三是隧道接地極，主要是利用隧道初期支護內(nèi)的錨桿或底板結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成大面積的接地鋼筋網(wǎng)絡(luò)，接地極以臺車位的長度為單元施做，以便于工程質(zhì)量的控制。兩側(cè)貫通地線的橫向連接通過隧道襯砌內(nèi)的環(huán)向接地鋼筋實現(xiàn)。貫通地線與電纜槽底部接地端子的連接通過專用連接器件連接。隧道內(nèi)有接地需求的設(shè)備及設(shè)施均通過預(yù)置的接地端子實現(xiàn)接地連接。

5.4 路基地段綜合接地

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)貫通地線橫向連接一次。利用接觸網(wǎng)支柱的基礎(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；通過接地分支引接線將接地極與貫通地線可靠連接。在電纜槽內(nèi)及接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)側(cè)面預(yù)置接地端子，為軌旁設(shè)備及設(shè)施提供接地連接使用。同時要求強、弱電設(shè)備及設(shè)施的接地連接端子間距不小于15 m，以避免強電流通過鋼柱接地連接對弱電設(shè)備造成反擊損壞的隱患發(fā)生。

5.5 站臺范圍綜合接地

由于高速鐵路牽引電流大，對人身安全防護的重點區(qū)域就是車站范圍的站臺區(qū)域。車站站臺區(qū)人員流動較大，設(shè)備相對集中，必須采取必要的措施，保障人身安全和設(shè)備安全。結(jié)合站臺區(qū)域的特點，對站臺區(qū)域綜合接地制定技術(shù)方案：為解決跨步電壓對人身安全的危害，要求站臺墻上表面靠線路側(cè)60 cm范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋均需接地；站臺區(qū)域長度超過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。

5.6 無砟軌道綜合接地

無砟軌道接地裝置是針對接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護的接地措施。參照國外經(jīng)驗，利用無砟軌道板上層局部縱橫向結(jié)構(gòu)鋼筋，每百米構(gòu)成一個接地裝置，并與綜合接地系統(tǒng)單點等電位連接一次，實現(xiàn)對軌旁人員及設(shè)備設(shè)施的安全防護。橋梁地段的無砟軌道接地連接至防護墻側(cè)面的接地端子，隧道地段的無砟軌道接地連接至電纜槽側(cè)壁的接地端子，路基地段無砟軌道連接至接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)側(cè)面的接地端子。

5.7 工藝要求

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施性。橋梁、隧道、路基、站臺區(qū)及無砟軌道接地裝置內(nèi)的接地鋼筋必須電氣可靠連接。橋墩與橋梁接地裝置間、無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)件等的接地均通過預(yù)留的接地端子接入綜合接地系統(tǒng)。

6 工程應(yīng)用及取得的成效

6.1 工程試驗

在遂渝線無砟軌道試驗段、合寧客專和京津城際鐵路工程中，開展的綜合接地試驗測試結(jié)果表明：綜合接地系統(tǒng)對降低鋼軌電位、提高人身和設(shè)備安全性具有明顯效果；從保證人身和設(shè)備安全、提高客運專線各系統(tǒng)電磁兼容性角度，高速鐵路采用綜合接地系統(tǒng)是必要的；貫通地線的主要作用不在分流，而在降低牽引回流網(wǎng)絡(luò)的綜合對地漏泄電阻；綜合接地系統(tǒng)的接地電阻滿足不大于1Ω的要求；鋼軌電流不平衡度，滿足規(guī)范≤5%的要求。

6.2 武廣、鄭西客專綜合接地工程

結(jié)合武廣、鄭西客專等工程的綜合接地系統(tǒng)實施情況，根據(jù)鐵路不同地段分類編制綜合接地系統(tǒng)典型工點示意圖，主要包括橋梁、隧道、路基、站臺區(qū)、無砟軌道、聲屏障等典型工點的綜合接地系統(tǒng)圖。通過與外方咨詢?nèi)藛T的技術(shù)交流和專業(yè)間的溝通，對實施方案進一步理解細化和完善，完成橋梁、隧道、路基、站臺綜合接地通用參考圖的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，鐵道部組織相關(guān)部門總結(jié)經(jīng)驗，編制完成鐵路工程建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》，為其他高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的標準化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

6.3 綜合接地技術(shù)在山區(qū)困難地段的應(yīng)用建議

在山區(qū)困難鐵路地段，受場地和地質(zhì)條件限制，可借鑒綜合接地系統(tǒng)接地極的設(shè)置方案，提高接地系統(tǒng)的質(zhì)量和接地效果；也可局部地段實施綜合接地，以提高人身、設(shè)備安全，節(jié)約能源。

7 進一步的技術(shù)創(chuàng)新思路和建議

上述實施方案，橋梁、隧道地段的貫通地線敷設(shè)在電纜槽內(nèi)，且橋梁、隧道地段綜合接地系統(tǒng)的接地裝置中均設(shè)有縱向的接地鋼筋，并與貫通地線可靠連接。試驗測試結(jié)果表明正常情況下的貫通地線主要是為實現(xiàn)等電位均衡接地連接的作用，就電氣連接來看利用接地鋼筋實現(xiàn)等電位均衡接地值得進一步研究。即橋梁、隧道地段取消貫通地線，代之以構(gòu)筑物內(nèi)的縱向接地鋼筋的創(chuàng)新方案。該方案可降低工程造價，節(jié)約能源，但須考慮接觸網(wǎng)短時短路電流的泄流問題，以及大電流泄流不暢給橋梁、隧道土建結(jié)構(gòu)鋼筋帶來的危害等。目前該方案正在積極組織專家論證，相關(guān)的試驗驗證工作正在安排。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社,2007

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》（通號（2009）9301）.北京:鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院,2009

[3]鐵道部工程設(shè)計鑒定中心.鐵路綜合接地和信號設(shè)備防雷系統(tǒng)工程設(shè)計指南[M].北京:中國鐵道出版社,2009

[4]劉立峰,周南駿.武廣鐵路客運專線綜合接地標準化設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計,2010(1)