津秦客運(yùn)專線牽引網(wǎng)接地相關(guān)參數(shù)測試與分析

苑玉超

0 引言

牽引網(wǎng)接地性能對高速鐵路的安全運(yùn)行起著重要作用，國內(nèi)此前對高速鐵路牽引網(wǎng)相關(guān)接地參數(shù)的測試還比較少，公開文獻(xiàn)中尚未見到詳細(xì)的資料。津秦客專是設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，采用綜合接地系統(tǒng)把沿線牽引供電、電力配電、通信、信號等設(shè)施的接地貫通連接起來，以獲得良好的電磁兼容，在滿足沿線各設(shè)備接地需求的前提下，既要保證鋼軌電位不超標(biāo)，又要保證弱電系統(tǒng)的正常工作。綜合接地系統(tǒng)的性能除與貫通地線敷設(shè)方式、土壤電阻率、等電位橫連結(jié)構(gòu)及間隔有關(guān)外，很大程度上還取決于接觸網(wǎng)支柱及其基礎(chǔ)、橋墩等沿線構(gòu)筑物的接地電阻。高鐵線路一旦投運(yùn)甚至施工完成后，一些基礎(chǔ)參數(shù)往往不再具備測試條件，因?yàn)榇藭r(shí)整個(gè)綜合接地系統(tǒng)已連接成整體而不能分割，無法在不影響運(yùn)行性能的條件下對單獨(dú)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接地參數(shù)測試[1]。筆者在線路建設(shè)期間，對津秦客運(yùn)專線的大地電阻率和支柱及其基礎(chǔ)、橋墩的接地電阻進(jìn)行了測試，獲得了第一手基礎(chǔ)資料，可以供今后類似工程設(shè)計(jì)工作和相關(guān)運(yùn)行性能分析參考。

1 測試原理

1.1 四極法測量大地電阻率

測量大地電阻率的常用方法為等極距四極法，如圖1 所示，測量時(shí)在地面上插入4 個(gè)電極A、B、C、D，電極之間相隔距離相等，設(shè)為a，電極埋入深度均為b。用穩(wěn)壓電源向外側(cè)電極A 和B 之間施加電流I，電流由電極A 流入，由電極B 返回電源。此時(shí)外電極A、B 間產(chǎn)生的電流場將在內(nèi)電極C、D 間產(chǎn)生電勢，可以用電壓表測量內(nèi)電極C 和D間的電位差UCD，把UCD/I 定義為電阻R，則大地電阻率為[2]

測量時(shí)，極距a 要遠(yuǎn)大于電極入地深度b，通常要求a≥20b，此時(shí)式（1）可簡化為

圖1 四極法測量大地電阻率原理圖

1.2 三極法測量接地電阻

三極法是工程中經(jīng)常采用的測量集中結(jié)構(gòu)接地電阻方法，被測結(jié)構(gòu)作為一個(gè)接地電極注入一定的電流，這就需要設(shè)置一個(gè)可提供電流回路的電流極，而為了用電壓表測出接地電極的電位，則需要設(shè)置一個(gè)作為參考零電位的電壓極，該測量方法也稱為電流電壓法。理論上，用作參考零電位的電壓極應(yīng)該位于無窮遠(yuǎn)處，由于電壓極不可能設(shè)在真正的無窮遠(yuǎn)處，而地中的電流場會影響到地面的電位分布，所以電極位置設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致接地電阻的測量存在誤差。合理地設(shè)置電流極和電壓極是接地電阻測量的關(guān)鍵。根據(jù)電壓極和電流極擺放位置的差別，三極法通?？煞譃殡妷簶O和電流極呈直線布置和呈夾角布置2 種情況。

1.2.1 電壓極和電流極呈直線布置

以處于電阻率為ρ的均勻土壤中的半徑為a 的半球形接地電極為例來說明測量原理，如圖2 所示。電流I 由G 極流入C 極流出，可寫出電壓極P在GC 連線各點(diǎn)處的電壓值：

由此測得的電阻值R 為

但半球形接地電極的實(shí)際接地電阻為

為使測量結(jié)果和半球形接地電極的實(shí)際接地電阻相等，必須盡可能的實(shí)現(xiàn)：

圖2 電壓極和電流極呈直線布置示意圖

應(yīng)用遠(yuǎn)離法和補(bǔ)償法可以使測量結(jié)果滿足工程要求。遠(yuǎn)離法即盡量增大DGP，DGC和DPC，使之趨向無窮大，如果現(xiàn)場條件允許，應(yīng)使電壓引線足夠長。遠(yuǎn)離法并不常用，更為常用的是補(bǔ)償法，補(bǔ)償法即只要將電壓極打在DGP= 0.617DGC處，就能測得正確的結(jié)果[3]。

1.2.2 電壓極和電流極呈一定夾角布置

仍以半球形接地電極為例，如圖3 所示。

圖3 電壓極和電流極呈夾角布置示意圖

設(shè)電壓極打在地面任一P 處，由此可得電壓極在各種位置時(shí)測得的接地電阻值R：

當(dāng)DGP= DGC，θ = 28.96°時(shí)可使式（7）變?yōu)槔碚撋系木_值，即式（5），該方法也稱為夾角補(bǔ)償法，實(shí)際中夾角可取30°[4]。

2 津秦客運(yùn)專線測試試驗(yàn)

由于接觸網(wǎng)的架設(shè)和貫通地線的連接會對測試造成影響，所以筆者在津秦客運(yùn)專線開通以前對該線附近的大地電阻率和支柱及其基礎(chǔ)、橋墩的接地電阻進(jìn)行了測試。大地電阻率測試采用四極法，支柱和橋墩接地電阻測試采用夾角補(bǔ)償法。

2.1 大地電阻率

津秦客運(yùn)專線大地電阻率測試結(jié)果如表1 所示。大地電阻率受土壤類型、鹽堿度、溫度、濕度等因素的影響，隨極距的不同其數(shù)值也有所不同。當(dāng)極距較小時(shí)，反映的是局部地表淺層的土壤電氣參數(shù)；當(dāng)極距較大時(shí)，反映的是較大一塊區(qū)域內(nèi)深層土壤的平均電氣參數(shù)。

2.2 接觸網(wǎng)支柱及其基礎(chǔ)接地電阻

津秦客運(yùn)專線接觸網(wǎng)采用H 形鋼柱，H 形鋼柱通過底盤法蘭用螺栓固定在支柱基礎(chǔ)上。支柱基礎(chǔ)留有接地螺孔，該螺孔連通基礎(chǔ)內(nèi)的接地鋼筋。所說的支柱基礎(chǔ)接地電阻即是測量該螺孔的接地電阻，而支柱接地電阻是指直接測量H 形鋼支柱（測點(diǎn)距支柱基礎(chǔ)約1.5 m）的接地電阻。由于測試時(shí)，已架設(shè)了PW 線，因此測試支柱基礎(chǔ)接地電阻時(shí)，需斷開PW 線（在PW 線與鋼支柱間插入一絕緣支撐），測試結(jié)果反映的是被測的單個(gè)基礎(chǔ)的接地電阻。而測試H 形鋼支柱接地電阻時(shí)，分連PW 線和斷PW 線2 種情況。斷PW 線時(shí)，反映的是支柱本體、法蘭連接以及支柱基礎(chǔ)的綜合接地電阻。連PW 線時(shí)，實(shí)際上反映的是該支柱處的實(shí)際接地電阻，包括了鄰近支柱通過PW 線對該支柱的影響。測試選擇在路基區(qū)段，測試結(jié)果見表2。

表1 大地電阻率測試結(jié)果表

表2 接觸網(wǎng)支柱及基礎(chǔ)接地電阻測試結(jié)果表 單位：Ω

2.3 橋墩基礎(chǔ)接地電阻

津秦客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)利用橋墩基礎(chǔ)作接地極，沿線敷設(shè)的2 根貫通地線要與橋墩基礎(chǔ)的接地鋼筋連接。橋墩在距地面約1 m 的地方設(shè)置有外露的接地鋼筋，通過該鋼筋可對橋墩基礎(chǔ)接地電阻進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3。

表3 橋墩接地電阻測試結(jié)果表 單位：Ω

3 結(jié)語

高速鐵路牽引網(wǎng)接地相關(guān)參數(shù)對牽引供電系統(tǒng)的電氣性能以及軌道上的電磁兼容具有重要影響。無論是工程設(shè)計(jì)還是仿真計(jì)算均需了解接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)。而一旦線路建成則失去了測試條件，在建設(shè)階段，對大地電阻率、接觸網(wǎng)支柱及其基礎(chǔ)接地電阻、橋墩接地電阻進(jìn)行測試十分必要。

本文通過對津秦客運(yùn)專線大地電阻率、接觸網(wǎng)支柱及其基礎(chǔ)接地電阻和橋墩接地電阻的測試，積累了相關(guān)現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)，取得了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對以后高速鐵路的設(shè)計(jì)有一定參考意義。另外，該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能對今后津秦客專牽引網(wǎng)以及綜合接地系統(tǒng)的電氣特性分析和仿真計(jì)算提供有力支持。

[1] 賀帆.高速鐵路牽引網(wǎng)的回流接地基礎(chǔ)參數(shù)及短路阻抗測試與分析[D].北京交通大學(xué)，2013.

[2] GB/T 17949.1-2000 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則 第1 部分：常規(guī)測量[S].

[3] 馮志偉.影響接地電阻測量的因素分析[D].南京信息工程大學(xué)，2011.

[4] 謝偉山.地網(wǎng)接地阻抗的測量誤差研究[J].廣西電力，2007，30（4）：10-11，15.