山區(qū)電氣化鐵路貫通地線接地系統(tǒng)研究

宋 利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

山區(qū)電氣化鐵路貫通地線接地系統(tǒng)研究

宋 利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

針對目前國內(nèi)山區(qū)電氣化鐵路存在因貫通地線接地電阻不達標,造成感應電流回流不暢,引起通信信號光、電纜燒毀及對信號設備干擾的問題,依托西康二線工程進行山區(qū)電氣化鐵路貫通地線接地系統(tǒng)的方案研究,通過貫通地線接地電阻理論分析,根據(jù)接地裝置在不同土壤電阻率環(huán)境下接地電阻值的差異化,選取科學有效、設計合理的接地地網(wǎng)結構,采用合適的接地材料,結合山區(qū)鐵路的特點,制定切實可行的改善貫通地線接地電阻實施方案,并成功應用到西康二線工程。

山區(qū)鐵路;信號系統(tǒng)；貫通地線；接地電阻

1 概述

鐵路信號(以下簡稱信號)貫通地線是信號接地系統(tǒng)的重要組成部分，為滿足信號設備接地要求，沿線路兩側(cè)或信號電纜溝(或槽)敷設35 mm2貫通地線。由于山區(qū)鐵路區(qū)間絕大部分線路處于橋梁上或隧道內(nèi)，敷設于電纜溝(或槽)中及石質(zhì)路基地段的貫通地線基本處于懸空狀態(tài)，不能與沿線大地良好接觸，貫通地線接地電阻普遍較高且接地電阻值遠大于1 Ω，隨著列車速度及牽引質(zhì)量的不斷提升，當牽引回流和機車牽引產(chǎn)生的感應電流過大時，貫通地線因為附帶電流過大向鄰近金屬物件放電，嚴重時會燒毀沿線的通信、信號光電纜，造成信號設備不能正常工作，影響正常的鐵路運輸秩序[1-6]。

西康二線屬于山區(qū)鐵路，全線沿途基巖裸露，橋梁、隧道較多，且大部分橋隧相連，橋隧總長148.19 km，橋隧比例達67.6%[7]。依托西康二線工程進行電氣化山區(qū)鐵路貫通地線接地系統(tǒng)的方案研究，構建完善的貫通地線接地系統(tǒng)方案，有效降低貫通地線接地電阻，解決以上存在的問題，同時為類似工程設計提供理論基礎和設計參考，使貫通地線接地系統(tǒng)的設計具有可控性。

2 貫通地線接地電阻的理論分析

信號貫通地線具有信號設備集中接地和牽引回流的功能，同時貫通地線是沿線信號設備的共同接地體，在這里對貫通地線進行詳細分析。貫通地線作為長直導體，異型接地裝置，埋地以后的接地電阻值取決于導體半徑a、長度l、埋設深度h和土壤電阻率ρ等。貫通地線電阻計算公式[8]如下

根據(jù)公式可以得到1組曲線如圖1所示。

圖1 接地電阻與土壤電阻率及導體半徑、長度、埋設深度關系

由圖1可以看出，貫通地線電阻隨導體半徑的增大而減小，其變化的曲線與反比例函數(shù)相似。電阻隨土壤電阻率的增大而增大，在相關參數(shù)取本線典型工程值的情況下，當土壤電阻率為300 Ω·m時，電阻為0.717 8 Ω，當土壤電阻率為1 000 Ω·m時，電阻為1.258 1 Ω，電阻增加了75.27%，這說明土壤電阻率的變化對電阻具有很大的影響，土壤電阻率對接地裝置的接地電阻起著決定性作用[8]。當導體埋設深度增加時，電阻減小，當導體埋設深度由半埋狀態(tài)到埋設2 m深度變化時，電阻由1.38 Ω變?yōu)?.24 Ω，電阻改變了10.14%，埋設深度的變化對電阻的影響不大。當導體的長度增加時，電阻減小，當長度在2 000 m以內(nèi)時，電阻隨導體長度的增加而減小得比較快，長度在2 000～3 000 m時，電阻隨導體長度的增加而其減小的幅度開始緩慢，當長度大于3 000 m時，電阻隨導體長度的增加幾乎不再減小。針對很長的貫通地線接地電阻計算實際上存在一個收斂值，從圖1分析：即在約2 000 m的范圍以內(nèi)，接地電阻趨于穩(wěn)定和較低的狀態(tài)。因此，在設計接地系統(tǒng)時，考慮2 000 m長的貫通地線工頻接地電阻小于1 Ω[9]，如果接地電阻達不到要求，需要增加人工接地裝置，根據(jù)人工接地裝置在不同土壤電阻率環(huán)境下地接地電阻值的差異化，優(yōu)化人工接地裝置的數(shù)量、材料及安裝位置，達到效果最優(yōu)、材料最省。

根據(jù)測量，西康二線大部分地段土壤電阻率較高，100～2 000 Ω·m的路段約占線路總長的86%[10]。

3 接地體的設置方式

貫通地線接地系統(tǒng)用于保證各信號系統(tǒng)、各設備之間實現(xiàn)等電位連接，減少不同設備，不同系統(tǒng)之間的電位差以及可能造成的人身和設備的安全隱患，在鐵路貫通地線接地設計時，采取科學有效、設計合理的地網(wǎng)結構，選擇合適的接地材料成為確保整個安全的重要因素[3，6]。

3.1接地體、接地網(wǎng)設置

單個接地體的工頻接地電阻簡化計算式如表1所示。

表1 單個接地體的工頻接地電阻簡化計算式[9]

注：ρ為土壤電阻率，Ω·m；“垂直式”為長度在3 m左右的接地體；“單根水平式”為長度在60 m左右的接地體；“復合式”中R為接地網(wǎng)等值圓的半徑，m，L為水平接地體的總長度， m。

由表1可知，單個接地體采用復合式(接地網(wǎng))方式，可有效降低貫通地線與接地體連接后的單點電阻值；多個接地體并聯(lián)成整體接地后可更有效降低貫通地線與接地體連接后單點電阻值。在接地網(wǎng)面一定時，隨著垂直接地導體數(shù)目的增加，復合接地網(wǎng)的接地電阻也呈明顯的減小，在垂直接地導體數(shù)目一定時，隨著接地網(wǎng)面積的增加，復合接地網(wǎng)的接地電阻減小的幅度更大。

3.2 接地體的材料選型

接地體為埋入土壤中直接與大地接觸的導體[8]，目前常用的水平接地體和地網(wǎng)引接線的材質(zhì)有銅纜、扁鋼、銅包鋼鉸線、熱鍍鋅扁鋼、鋅包鋼圓線，在現(xiàn)場實施中地網(wǎng)需要沿橋墩和隧道口斜坡敷設，部分跨公路橋還需要在公路邊坡敷設，采用熱鍍鋅扁鋼可以達到防盜的應用效果，并且在同等接地應用效果下，較銅纜、銅包鋼鉸線、鋅包鋼圓線投資小。

垂直接地極有鋼制、熱鍍鋅、鋅包鋼、銅包鋼、石墨、離子接地體等，其特點如表2所示。

表2 常用垂直接地體對比

結合西康二線地質(zhì)氣候條件[7]及各種接地體的優(yōu)缺點，從工程投資、接地效率、使用壽命、施工條件、維護難度等方面考慮，選擇采用石墨接地體和銅包鋼接地體，在土壤、沙石等松軟土質(zhì)地段，采用石墨接地體，巖石地段在地表土壤少、開挖困難地段和冬季極寒條件下凍土層厚的地段，采取鍍銅接地鋼棒作為石墨接地模塊的輔助材料。

3.3 接地體的設置數(shù)量理論計算

接地體的接地電阻與接地體的數(shù)量有關，使用接地體的數(shù)量越多，接地體的接地電阻越低，但接地電阻與接地體的數(shù)量并非成線性關系。

采用方塊石墨接地模塊(500 mm×400 mm×60 mm)作為垂直接地體時，單個石墨接地體的接地電阻約為Rj≈0.16ρ，多個接地體模塊接地電阻為Rnj=Rj/n·η，接地模塊數(shù)量n=Rj·η/Rnj(n是模塊數(shù)量，η是利用系數(shù)，0.55～0.85，此處取平均值0.7)。

表3 石墨接地體模塊數(shù)量及水平地極長度設置

根據(jù)表3可知，將單點接地體的接地電阻降為1 Ω，增加的接地極數(shù)量較多，水平地極長，工程造價高、實施難度大；將單點接地體的接地電阻降為4 Ω，接地極的數(shù)量呈指數(shù)下降，利于控制工程投資、降低工程實施難度。

4 改善貫通地線接地電阻方案

通過理論分析，采用適當增加人工接地極的方式，能改善山區(qū)鐵路貫通地線接地系統(tǒng)的接地電阻。

4.1 需考慮的問題

山區(qū)鐵路主要是橋梁、隧道地段的貫通地線，受敷設條件限制只能懸空敷設而不能埋入土壤的總里程太長，根據(jù)理論計算，結合全線土壤電阻率的分布，若要將全線貫通地線接地電阻降至1 Ω以下[11]，受諸多因素制約。

土壤電阻率高的地段，接地體的接地電阻降至1 Ω以下，需要大量人工接地體密集均勻敷設；在長大隧道、橋梁等地段，沒有條件大范圍均勻敷設大量接地體，難以將貫通地線接地電阻降至1 Ω以下。

山區(qū)鐵路橋隧相連，多處隧道口是懸崖峭壁，橋梁下方為山體巖層，施工機械無法抵達現(xiàn)場，依靠人工開挖敷設接地體，施工條件較為惡劣，施工極為困難。單純依靠現(xiàn)有材質(zhì)將人工接地體的電阻降至1 Ω，需要每個施工點都能提供足夠的施工作業(yè)面，用于挖掘地溝埋設地極，橋隧相連處的地面，大多為倒渣回填，尋找大面積土壤施工，實施有很大難度。

4.2 實施原則

綜合考慮投資效益比，在貫通地線直埋時，橋隧比例小、土壤電阻率低的地段，通過加裝接地體，將該類型地段貫通地線接地電阻降到1 Ω以下；在橋隧相連、土壤電阻率高的地段，貫通地線接地電阻降至1 Ω以下所需接地體投資巨大，且施工條件惡劣，無法實現(xiàn)密集增加接地極，采取通過加裝接地體并輔以隔離措施(絕緣阻燃套管)將接地電阻降至4 Ω以下。

土壤電阻率低于200 Ω·m的地段(包括整體上低于200 Ω·m，局部高于200 Ω·m的地段)，有連續(xù)路基可實現(xiàn)貫通地線直埋的地段不增加人工接地極。

土壤電阻率低于200 Ω·m的地段，貫通地線無法直埋時，考慮增加人工接地極，增加的接地體按每處接地電阻為1 Ω配置。

土壤電阻率高于200 Ω·m的地段，選擇于隧道的出口處，在與之相連的大橋、特大橋兩端、中小橋設置接地體，增加的人工接地極按照每處接地電阻為4 Ω配置，具體配置根據(jù)當?shù)氐耐寥离娮杪蚀_定。

根據(jù)土壤電阻率的測量結果，確定不同區(qū)域的不同接地體的參數(shù)，如接地極的埋設深度、數(shù)量等要求。接地體的埋設位置選擇在土壤電阻率相對較低的地域，充分利用土壤導電和泄流能力。對于土壤導電率高的石質(zhì)地段，采取增加接地體長度和垂直接地極數(shù)量的方式，將接地電阻降至4 Ω以下。

靠近站內(nèi)接地點與信號房屋綜合防雷地網(wǎng)較近，可以根據(jù)實際具體情況進行適當調(diào)整。

在秦嶺山區(qū)等路基土壤條件差的地段，按照以上確定的位置增加接地體后，及時進行接地電阻測試，對接地電阻達不到要求或接地電阻仍然較高處進行加大接地體密度，以進一步降低接地電阻，提高應用效果。

4.3 單點接地體工藝要求[12]

如圖2所示，在需要增設接地體的位置，選擇土壤較好地段開挖35～150 m長0.7 m深弧形(或U形、L形)地溝，盡量與貫通地纜平行設置，路基上不動土，滿足路基、橋墩、護錐穩(wěn)定及防洪要求。

圖2 貫通地線增設接地體示意(單位：m)

在開挖的地溝內(nèi)設置垂直接地體(兩點應相距5 m以上)。

低電阻土壤地段采用石墨接地體作為垂直接地體(圖3)，在高電阻土壤地段垂直接地體增加采用φ16 mm鍍銅接地鋼棒。

圖3 水平接地體與石墨模塊焊接示意

地溝中采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼做水平接地體，將所有垂直接地體連接成接地網(wǎng)，再利用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼引至臨近貫通地纜處(圖4)。

圖4 地網(wǎng)扁鋼與貫通地線連接示意

其中，接地體敷設地點與貫通地纜在橋梁同側(cè)時，引接線采用40 mm×4 mm扁鋼，從鐵路防護網(wǎng)外引至貫通電纜線槽處；接地網(wǎng)敷設地點與貫通地纜在橋梁不同側(cè)時，引接線采用40 mm×4 mm扁鋼，在橋下繞開橋墩護錐從空曠處埋地敷設至貫通地纜線槽下方，再引至貫通地纜線槽處；貼近地面(含斜坡)的引接線，采用深埋(≤0.7 m)方式;懸空的引接線嚴禁在橋墩上打孔固定[4]。

將連接好的接地網(wǎng)通過截面積不小于50 mm2銅電纜與貫通地纜可靠壓接。

測量加裝接地裝置后的貫通地纜接地電阻，要求<4 Ω，并小于橋梁欄桿接地電阻；如貫通地纜接地電阻仍然過大，再加裝接地裝置處數(shù)，達到測量接地電阻<4 Ω，并小于橋梁欄桿接地電阻。

貫通地纜對橋梁欄桿不發(fā)生拉弧放電現(xiàn)象；測試、實驗、工程情況合格后將地溝回填夯實，預留下沉量。

設置醒目的接地網(wǎng)標識標樁，接地網(wǎng)隱蔽工程的兩端和中間拐彎處，以及埋地敷設的引接線，均設置地線標樁，標樁上標識接地網(wǎng)和引接線走向，便于設備管理單位后期維護。

在橋隧處將貫通地纜與電纜槽內(nèi)的金屬物體(懸掛式金屬掛鉤處)可靠隔離，避不開時應在碰觸部分加絕緣防護，避免貫通地纜向電纜槽內(nèi)金屬物件放電打火燒壞電纜[3]。

5 西康二線貫通地線增加接地體實施情況

5.1 貫通地線增加接地體工程量(表4)

10 Ω·m<土壤電阻率<200 Ω·m，共設置人工接地體22處，滿足單點接地體的接地電阻達到1 Ω下。

200 Ω·m<土壤電阻率<800 Ω·m，橋長<200 m，每座橋設置1處人工接地體，滿足單點接地體的接地電阻達到4 Ω以下，共設置人工接地體92處。

表4 貫通地線增加接地體數(shù)量

200 Ω·m<土壤電阻率<800 Ω·m，200 m<橋長<1 000 m，每座橋設置2處人工接地體，滿足單點接地體的接地電阻達到4 Ω以下，橋梁數(shù)量108座，共設置人工接地體216處。

土壤電阻率>800 Ω·m，橋長>1 000 m，每座橋設置4處人工接地極，滿足單點接地極的接地電阻達到4 Ω以下，橋梁數(shù)量11座，共設置人工接地體44處。

5.2 工程實施效果檢查(表5)

全線增加接地體實施完成后，選取12處工點，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量和試驗，驗證該方案的實施效果。

表5 貫通地線施工驗收測試效果檢查記錄

現(xiàn)場驗收測試數(shù)據(jù)表明，在貫通地線全段貫通的條件下，在橋梁兩端增加接地體后，可有效降低貫通地線接地電阻(接地點最大接地電阻為2.5 Ω，大部分在1.0 Ω以下)；部分橋、隧相連土壤電阻率高的地段，貫通地線接地電阻降至1 Ω以下所需接地體投資較大，且施工條件惡劣，無法實現(xiàn)密集增加接地極，采取通過加裝接地體并輔以隔離措施(絕緣阻燃套管)將接地電阻降至4 Ω以下，做到加裝接地體后接地點可以大幅度提高貫通地線泄流能力，減少懸空的貫通地線上的雜散電流，解決貫通地線與其他金屬構件放電現(xiàn)象，保障信號設備安全。

6 結語

依托西康二線工程對山區(qū)電氣化鐵路貫通地線接地系統(tǒng)的深入研究，采用適當增加人工接地體的方式，優(yōu)化人工接地體的設置位置和數(shù)量，避免大范圍增加人工接地體，用較少的工程投資改善了山區(qū)鐵路貫通地線的接地電阻，使工程投資效能最大化；西康二線已開通運營近2年，信號系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，未出現(xiàn)貫通地線對臨近金屬物體放電打火，造成信號電纜燃燒的事故；通過構建穩(wěn)定可靠的貫通地線接地系統(tǒng)，滿足了信號設備運用安全，確保了列車運行效率和安全。

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Study on Grounding System Run-through Earth Cable in Mountain Electrified Railway

SONG Li

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi’an 710043, China)

On account of the incompliance of the resistance of the run-through earth cable in mountain electrified railway, which results in poor reflow induced current, burning of electric and optical communication signal cable and interference to signal equipment, this paper, with reference to the study on the upgrading of the run-through earth cable grounding system of Xi’an-Ankang Second Line of mountain electrified railway, puts forward such practical recommendations as selecting well-designed ground network structure through theoretical analysis of grounding resistance based on the differences of grounding device resistance in soils of different resistivity, using suitable grounding materials in view of the characteristics of mountain railways, and developing practical improvements through grounding resistance embodiments. All these are successfully applied to Xi’an-Ankang Second Line project.

Mountain railways; Signal system; Run-through earth cable; Earth resistance

2015-04-15；

2015-05-11

中鐵第一勘察設計院集團有限公司科技研究開發(fā)項目(院科13-30)

宋 利(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學自動化專業(yè)，工學學士，E-mail：215091440@qq.com。

1004-2954(2015)12-0120-05

U284

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.028