地鐵車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計分析

盧小明

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司 重慶 401121）

科學(xué)技術(shù)水平的提高使得地鐵建設(shè)有了很大的進(jìn)步，但是因為其構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致其設(shè)計和施工難度較大。但是地鐵建設(shè)不僅可以緩解城市交通擁堵，更重要是的，還能作為戰(zhàn)時防空的重要組成部分。

1 地鐵綜合接地設(shè)計概述

地鐵車站綜合接地系統(tǒng)在設(shè)計過程中，需要嚴(yán)格按照以下幾個原則進(jìn)行：①綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計在保證人身安全、設(shè)備安全及運營可靠性的基礎(chǔ)上，盡可能減少投資。②綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)同時滿足變電所設(shè)備、弱電設(shè)備及其他需接地的車站設(shè)備對接地的要求。地鐵車站綜合接地網(wǎng)的設(shè)計采用人工接地網(wǎng)，水平接地體一般距站臺底板下800mm敷設(shè)，在局部遇到下翻梁時，應(yīng)局部加深，與梁保持不小于600mm的間距。綜合接地網(wǎng)一般設(shè)置強(qiáng)電設(shè)備接地引上線、弱電設(shè)備接地引上線、預(yù)留設(shè)備接地引上線各一組。弱電引上線距其他引上線沿接地導(dǎo)體的距離不小于20m（每組引出線間的電氣距離大于20m）。實際工程設(shè)計中，每組接地引出線為三根，其中一根為備用。同時，設(shè)包含結(jié)構(gòu)鋼筋在內(nèi)的總等電位聯(lián)結(jié)措施，并充分利用自然接地體作為接地裝置，在站臺板下結(jié)構(gòu)主體上預(yù)埋與結(jié)構(gòu)鋼筋相連的鋼板，通過接地母排與人工接地網(wǎng)連接。

2 地鐵站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計

2.1 接地裝置的常規(guī)設(shè)計

人工接地網(wǎng)包括水平接地體、水平均壓帶和垂直接地體。根據(jù)復(fù)合式接地網(wǎng)接地電阻的簡化算法，可以計算出人工接地網(wǎng)的接地電阻：

式中：Re-接地電阻；ρ-土壤電阻率；S-復(fù)合接地網(wǎng)的面積。

車站接地網(wǎng)的大小由車站的土壤電阻率和車站規(guī)模決定：常規(guī)設(shè)計中最大的接地網(wǎng)面積不應(yīng)超過車站基坑的面積；最小接地網(wǎng)的面積由車站土壤電阻率根據(jù)計算確定。

地鐵車站內(nèi)變電所和其他的弱電系統(tǒng)大多都是集中在一個設(shè)備房里，但是在另一端往往也需設(shè)置跟隨變電所和其他一些弱電設(shè)備用房，因此車站兩端都需要接地引出線。這樣，可以在車站兩端各引3組接地引出線（分別引至強(qiáng)電、弱電和金屬管道的接地母排）。每組引出線有3根引出線，其中2根與接地母排相連，另1根為預(yù)留。典型地鐵車站的綜合地網(wǎng)布置如圖1所示。

圖1 典型地鐵車站綜合接地網(wǎng)布置示意圖

2.2 接地電阻相關(guān)問題的研究與選擇

地鐵車站綜合接地網(wǎng)接地電阻值可以利用下式計算：

式中：Rn-任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；Re-等值（即等面積、等水平接地極總長度）方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；S-接地網(wǎng)的總面積；d-水平接地極的直徑或等效直徑，m；h-水平接地極的埋設(shè)深度，m；L0-接地網(wǎng)的外緣邊線總產(chǎn)犢，m；L-水平接地極的總長度，m。

根據(jù)詳細(xì)的巖土工程勘察報告，查詢設(shè)計車站所在土壤層的土壤電阻率，從而計算出設(shè)計的綜合接地網(wǎng)的接地電阻值。接地電阻值滿足各接入系統(tǒng)接地電阻最小值的要求，一般不大于0.5Ω。

2.2.1 接地方式對接地電阻要求的研究

地鐵供電系統(tǒng)輸電線路均為電纜線路，且為雙電源，互為備用，一般情況下，接地裝置的接地電阻應(yīng)符合下式要求：

R≤2000/I

式中：R-考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻；I-計算用為單相接地故障電流（A）。

2000V為低壓電氣設(shè)備絕緣耐壓水平，I一般取為100～1000A，按最嚴(yán)重考慮，如取為1000A，則R≤2W，具體取值根據(jù)電網(wǎng)情況及各地區(qū)運行經(jīng)驗確定，在發(fā)生單相接地故障，如過電流保護(hù)要作為零序保護(hù)的后備保護(hù)時，取值就較高；如過電流保護(hù)不需作為零序保護(hù)的后備保護(hù)時，單相接地故障電流可降低，如取為400A，則R≤5W。具體取值需和主變電所設(shè)計單位商討確定。因此在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻難以滿足0.5W的要求時，可通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較增大接地電阻，但不得大于5W，這種情況下，除應(yīng)滿足接觸電勢，跨步電勢要求外，還要防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對于能將高電位引向所、車站外或低電位引向所、車站內(nèi)的設(shè)施應(yīng)采取隔離措施，如加隔離變壓器，通向所、車站內(nèi)的金屬管道應(yīng)采取絕緣段隔離等措施。

2.2.2 接地裝置共用對接地電阻要求的研究

通信等弱電設(shè)備接地電阻應(yīng)不大于4W，電子設(shè)備接地電阻不應(yīng)大于4W，若采用共用接地體，接地電阻以諸種接地要求中接地電阻要求最小值為依據(jù)；當(dāng)與防雷接地系統(tǒng)共用，則接地電阻值應(yīng)小于1W。對于該地鐵線路的實際情況，架空接觸網(wǎng)在地面段已采取架空地線設(shè)放電間隙及避雷器等措施，大部分雷電流經(jīng)地面的接地網(wǎng)泄放，因此地下車站可不考慮與防雷接地體共用接地網(wǎng)的要求，僅地面皇崗站、車輛段和調(diào)度中心存在與建筑物防雷接地共用地網(wǎng)問題。

2.3 實例分析接地網(wǎng)設(shè)計

某地鐵車站因為施工路段土壤電阻率是比較高的，為了保證設(shè)計和施工的安全性，需擴(kuò)大接地網(wǎng)面積，但本地鐵線路位處城市主干道，地下車站有許多暗挖車站，區(qū)間隧道亦多為暗挖，車站地網(wǎng)難以向區(qū)間延伸，工程難度極大。如果采取傳統(tǒng)接地網(wǎng)的做法，實際測量和理論計算表明在每個車站底板下面積全做成接地網(wǎng)的情況下，15個車站的接地電阻在1.83～5.62W之間波動，其中3.0W及以上的車站有10個。如需達(dá)標(biāo)，各車站接地網(wǎng)面積需擴(kuò)大大達(dá)50000～100000m2，而實際上每車站面積僅在1300～4000m2左右，即使使用降阻劑及其它措施，工程量也是大得驚人，無法實施。本文從接地的要求及其它因素對接地網(wǎng)實施影響兩方面分析，借鑒國內(nèi)外地鐵接地系統(tǒng)的作法，在滿足人身、設(shè)備對安全接地要求的前提下，提出了適合該地鐵工程特點的接地電阻值及接地網(wǎng)建議方案。

方案一：車站底板下設(shè)單獨地網(wǎng)。該方案的實施中，不能夠使用結(jié)構(gòu)鋼筋，每個地下車站設(shè)獨立接地網(wǎng)，引上線絕緣于結(jié)構(gòu)鋼筋，在車站地部全部鋪設(shè)接地網(wǎng)的情況下，接地電阻不大于2～4W的車站有11個；但對暗挖車站等土壤電阻率高且車站面積小的車站，實施起來難度較大，僅利用車站面積難以滿足接地電阻值要求的車站，還需采取接地網(wǎng)向區(qū)間擴(kuò)大、鋪設(shè)降阻劑等措施，必要時可按接地網(wǎng)接地電阻不能大于5的要求來實施；地面皇崗站、車輛段和控制中心等站由于與建筑防雷共用接地網(wǎng)，接地電阻要求不大于1Ω，必須利用建筑樁基作地網(wǎng)。

方案二：直接利用車站雜散電流防護(hù)網(wǎng)作接地網(wǎng)。因為該工程對于雜散電流具有較高的防護(hù)要求，全線地下車站和隧道結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成網(wǎng)，構(gòu)成一巨大“鋼筋籠”，埋在地面下，是一良好的接地體，僅計算車站結(jié)構(gòu)鋼筋作地網(wǎng)的，該地鐵線路各地下站接地電阻值即為0.84～2.69Ω，如果利用該防護(hù)網(wǎng)作接地網(wǎng)，對各類電力設(shè)備、低壓設(shè)備、弱電設(shè)備工作接地，保護(hù)接地及人身安全來說都是很好的接地體，經(jīng)濟(jì)上也較合理。

從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多個角度進(jìn)行比較，該工程選用了第二個方案。經(jīng)過理論分析，選擇了采用直接利用車站隧道鋼筋作接地網(wǎng)的第二方案，理由如下：該地鐵線路低壓配電系統(tǒng)采用了TN-S系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)中性線和保護(hù)線是分開，交流電流不會影響雜散電流防護(hù)系統(tǒng)；本文研究的地鐵線路地下區(qū)段如采取利用隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作地網(wǎng)，又要避免因此額外增加雜散電流腐蝕影響，僅需增將電纜屏蔽層及金屬管道在車輛段與正線隧道口及皇崗地面正線與正線隧道口加絕緣結(jié)，這些工作量相比“方案一”的工作量要少得多，采取相應(yīng)的措施后，該方案也不會增大雜散電流腐蝕的影響，尤其是本文所研究的地鐵線路采取了較完備的雜散電流防護(hù)方案即“鋼軌絕緣安裝、回流通路暢通、設(shè)立隧道鋼筋為后備排流網(wǎng)兩重收集網(wǎng)、預(yù)留排流柜、設(shè)立計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)”。

3 結(jié)束語

需要注意的是，在地鐵車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要注意：①由于地鐵車站位于地面以下，綜合接地系統(tǒng)的施工應(yīng)充分考慮接地引出線穿越地下車站結(jié)構(gòu)底板時的防水問題，在引上線穿越底板時采用地鐵專用整體引出裝置。②地鐵的設(shè)計是個百年工程，尤其是綜合接地網(wǎng)，一旦車站建成，后期對綜合接地網(wǎng)維護(hù)的可能性非常小，所以接地體所用材料必須具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，一般選用紫銅材，含銅量要求不低于99.5%，連接方式采用放熱焊接方式。③底板施工前，必須嚴(yán)格檢查接地網(wǎng)各連接點，嚴(yán)防脫焊、虛焊。④為配合土建施工，接地網(wǎng)可分段敷設(shè)，在階段性施工結(jié)束后，應(yīng)對完工部分接地網(wǎng)進(jìn)行接地電阻測量，以此推算出整體接地網(wǎng)的接地電阻值，如推算結(jié)果不能滿足設(shè)計要求，則需在其余地網(wǎng)敷設(shè)中采取補(bǔ)救措施（如施放物理降阻劑等）。⑤接地引出線應(yīng)妥善保護(hù)，不得丟失、斷裂。

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