地下車站綜合接地系統(tǒng)中若干問題探討

許捷墀

地下車站綜合接地系統(tǒng)中若干問題探討

許捷墀

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，200070，上海//工程師）

討論了接地電阻取值、人工接地網(wǎng)設(shè)置的必要性及合理性、自然接地極與雜散電流輔助收集網(wǎng)的關(guān)系等若干問題。闡述了部分解決方案。提供了一種可行的綜合接地系統(tǒng)方案，可為人身安全及地鐵運(yùn)營提供有力保障。

地鐵車站；綜合接地系統(tǒng)；接地電阻；人工接地網(wǎng)；自然接地極

AbstractProblems of the value of grounding resistance，the necessity and rationality of artificial grounding grid,the connection with natural grounding and the auxiliary collection network of the stray current and so on are discussed，some solutions are expounded.On this basis，a feasible plan of the integrated grounding system is proposed，which will ensure personal safety and enhance the rail transit service level.

Key wordsmetro station； integrated grounding system；grounding resistance； artificial grounding grid； natural grounding electrode

Author′s addressChina Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.，200070，Shanghai，China

接地是指在系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與局部地之間做電連接。GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第3.1.2條規(guī)定：“不同用途和不同額定電壓的電氣裝置或設(shè)備應(yīng)使用一個總的接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)符合其中最小值”。

1 綜合接地系統(tǒng)的作用及組成

城市軌道交通地下車站的接地包含多種電壓等級的保護(hù)、工作及防雷接地，以及通信、信號等其他設(shè)備系統(tǒng)信號接地、邏輯接地、屏蔽接地等。

綜合接地系統(tǒng)的作用就是在遵循規(guī)范規(guī)定的前提下，采用車站共用接地裝置，避免不同接地導(dǎo)體互相耦合和干擾，同時滿足等電位聯(lián)結(jié)的要求。

綜合接地系統(tǒng)的接地裝置由人工接地網(wǎng)和自然接地極組成。

2 綜合接地系統(tǒng)接地電阻值的確定

在國內(nèi)很多城市軌道交通地下車站接地設(shè)計中，接地電阻均要求不大于0.5Ω。該取值并非國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，而是我國在早期城市軌道交通建設(shè)中參考其他國家相關(guān)工程經(jīng)驗得來的。

有些說法認(rèn)為通信及信號等專業(yè)的弱電設(shè)備系統(tǒng)除了設(shè)備外殼和線纜屏蔽層的工作接地，還需要有精密集成電路基準(zhǔn)電位的接地，所以接地電阻要求為0.5Ω。

筆者認(rèn)為這種說法是片面的。首先，地下車站本身就是1個深埋地下的大型接地裝置，相比其他地上建筑來說是具有先天優(yōu)勢的接地導(dǎo)體。根據(jù)相關(guān)地鐵車站接地網(wǎng)接地電阻測試結(jié)果，結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地極在使用若干年后，其接地電阻可長期穩(wěn)定在0.5Ω以下；反而人工接地網(wǎng)的接地電阻可能因為降阻劑失效或接地極腐蝕等因素要變大。換而言之，接地電阻不大于0.5Ω并不是刻意要求，而是車站自然接地極本身就能夠做到。

在一些土壤條件較差的城市，既然相關(guān)規(guī)范并未明確規(guī)定不大于0.5Ω，則要根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.2.1條的公式進(jìn)行計算：

IG——計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值，A。

此外，弱電設(shè)備基準(zhǔn)電位的接地不考慮防雷擊電磁沖擊和短路接地故障等因素，僅考慮電路內(nèi)部的高頻電流接地。高頻電流接地主要取決于該頻段的阻抗值，而不是工頻電阻值。即使工頻接地電阻為0.5Ω，也可能導(dǎo)致弱電設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。弱電設(shè)備的高頻接地應(yīng)根據(jù)其工作頻段選擇阻抗合適的接地電纜，采用放射式從各弱電設(shè)備接地端子箱連接至人工接地網(wǎng)弱電接地總排（WCE）。

所以，綜合接地系統(tǒng)接地電阻取0.5Ω并非強(qiáng)制性的，也無需單純?yōu)榱诉_(dá)到0.5Ω而不合理地增加工程造價或被動地增加施工難度。

3 人工接地網(wǎng)

3.1 人工接地網(wǎng)的必要性

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“變電站接地網(wǎng)除應(yīng)利用自然接地極外，應(yīng)敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)，埋設(shè)深度不宜小于0.8 m；而6 kV和10 kV的變電站采用建筑物的基礎(chǔ)作接地極，且接地電阻滿足值時，可不另設(shè)人工接地”。

有些觀點(diǎn)認(rèn)為：早期國內(nèi)地鐵低壓配電采用TN-C（3根相線，1根零線，且中性線與保護(hù)線合一）接地型式，其中性保護(hù)線（PEN線）內(nèi)存在交流不平衡電流，對雜散電流的監(jiān)測結(jié)構(gòu)電位有影響；現(xiàn)在低壓配電基本采用TN-S（中性線與保護(hù)線分開）接地型式，其中性線（N線）和保護(hù)線（PE線）自變壓器開始分開，保護(hù)線中不存在交流不平衡電流。而且，車站結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地極是非常具有先天優(yōu)勢的接地導(dǎo)體。所以，可以取消人工接地網(wǎng)。

筆者認(rèn)為，中壓供電等級為35 kV，雖根據(jù)規(guī)范應(yīng)設(shè)人工接地網(wǎng)，但不可否認(rèn)地鐵車站比地上建筑接地效果更好；同時，國外地鐵工程中也有不設(shè)人工接地網(wǎng)的案例。未來地鐵車站的確可考慮取消人工接地網(wǎng)。然而在現(xiàn)階段，接地設(shè)計必須嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定。

3.2 人工接地網(wǎng)的組成

地下車站人工接地網(wǎng)一般設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)底板和基坑墊層下方。人工接地網(wǎng)由水平接地極、垂直接地極和接地引出裝置等組成（見圖1）。人工接地網(wǎng)距結(jié)構(gòu)底板0.8 m，由于埋設(shè)深度的確定主要考慮溫度對土壤電阻率的影響，而地下車站埋深較深，所以在巖石低層較淺的城市可考慮適當(dāng)減小人工接地網(wǎng)埋設(shè)深度。這樣也可減少車站接地裝置的開挖量和施工難度。

水平接地極一般采用50 mm×5 mm的紫銅排，并在車站變電所投影區(qū)域下方設(shè)置。紫銅排采用邊緣閉合的圓角矩形。接地網(wǎng)的接地電阻可采用式（1）進(jìn)行計算：

而復(fù)合接地極的形狀系數(shù)

則

式中：

Rn——任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；

Re——等值方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；

S——接地網(wǎng)的總面積，m2；

d——水平接地極的等效直徑，m；

h——水平接地極的埋設(shè)深度，m；

L0——接地網(wǎng)的外緣邊線長度，m；

L——水平接地極的總長度，m；

ρ——土壤電阻率。

垂直接地極一般采用φ50 mm×5 mm紫銅管，并通過放熱焊的形式與水平接地極連接。垂直接地極的位置需避開車站結(jié)構(gòu)樁基。

圖1 人工接地網(wǎng)示意圖

接地絕緣引出裝置采用非磁性鋼管內(nèi)套扁銅。鋼管與扁銅中間用硅橡膠或環(huán)氧樹脂絕緣，并在結(jié)構(gòu)底板中預(yù)埋止水環(huán)和絕緣固定環(huán)。其施工關(guān)鍵就是引出裝置與結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣，并防止?jié)B水。引出裝置通常在站臺板下夾層內(nèi)電纜井附近或站臺層強(qiáng)電及弱電設(shè)備用房下電纜夾層內(nèi)邊緣處引出，并避開樁基、軌底風(fēng)道、結(jié)構(gòu)墻及軌道等。一般車站共引出6處，變電所設(shè)備接地引出線1組（如圖1中的P1～P3），弱電設(shè)備接地引出線1組（如圖1中的P4～P6）。每組接地引變電所設(shè)備接地引出線和弱電設(shè)備引出線的距離應(yīng)不小于20 m。

3.3 設(shè)置接地絕緣引出裝置的原因

在我國城市軌道交通建設(shè)早期，既無法判斷地下車站作為自然接地極的接地電阻值，也無法判斷自然接地極和人工接地網(wǎng)連接對雜散電流檢測的影響，故當(dāng)時采用了“外引接地體，絕緣引入”的做法。

“外引接地體，絕緣引入”的做法在全國地鐵建設(shè)中沿用至今。但是否要設(shè)置接地絕緣引出裝置的問題卻在近年來爭論不斷。

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“變電所應(yīng)利用車站結(jié)構(gòu)鋼筋等自然接地極作為接地裝置，并宜敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)”。自然接地裝置和人工接地網(wǎng)間采用不少于2根導(dǎo)體在不同地點(diǎn)相連接。而自然接地極與人工接地網(wǎng)的接地電阻值應(yīng)能分別測量。故若要滿足規(guī)范規(guī)定的分別測量功能，則接地絕緣引出裝置是必須要設(shè)置的。圖2為接地絕緣引出裝置示意圖。

圖2 接地絕緣引出裝置示意圖

3.4 結(jié)構(gòu)頂板上方人工接地網(wǎng)方案的合理性

首先，結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)人工接地網(wǎng)方案可在車站維護(hù)結(jié)構(gòu)頂板澆筑完成后實(shí)施。頂板以上部分不會拆除，頂板以上的覆土可棄用原開挖土而直接回填低電阻率的土壤。而結(jié)構(gòu)地板下方設(shè)人工接地網(wǎng)方案，車站主體基坑開挖量大，開挖深度大。由于大量換土?xí)苯佑绊懝こ掏顿Y，故一般很少換土。所以在不增加工程投資的情況下，結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)人工接地網(wǎng)方案的接地效果更好。

其次，接地絕緣引出裝置可通過車站附屬風(fēng)井等處引出，而不從車站頂板絕緣引出。這樣更滿足車站的防水要求，風(fēng)井處本來就配有集水泵也可將滲漏水及時排出。

再者，接地絕緣引出裝置敷設(shè)至變電所夾層內(nèi)強(qiáng)電接地總排（PCE）和WCE的連接扁鋼對工程投資影響有限。

最后，結(jié)構(gòu)頂板上方的人工接地網(wǎng)方案無需底板澆筑前完成，也不會因為分段實(shí)施和接地電阻測量影響結(jié)構(gòu)專業(yè)施工進(jìn)度，其施工接口界面簡單。后期接地網(wǎng)的更換也比結(jié)構(gòu)底板下方設(shè)人工接地網(wǎng)方案更為便利。

需注意的是，結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)人工接地網(wǎng)方案應(yīng)考慮車站埋深。當(dāng)車站上方覆土深度不滿足垂直接地極長度要求和覆土距結(jié)構(gòu)頂板不小于0.8 m要求時，結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)人工接地網(wǎng)方案無法實(shí)施。

4 自然接地極

4.1 自然接地極的組成

自然接地極是與大地有良好接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬管道、鋼筋混凝土和設(shè)施等的統(tǒng)稱，其具有兼作接地功能，但并非為接地而專門設(shè)置。車站中的自然接地極就是由以車站結(jié)構(gòu)鋼筋、屏蔽門、電扶梯等為主的金屬物連接而成。

4.2 自然接地極與雜散電流收集

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“不應(yīng)利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)”。然而，地鐵道床內(nèi)的主要雜散電流收集網(wǎng)在長期使用之后會腐蝕失效。此時，若非全線停運(yùn)以更換雜散電網(wǎng)收集網(wǎng)，則結(jié)構(gòu)鋼筋勢必被迫參與雜散電流的收集。

有些觀點(diǎn)認(rèn)為結(jié)構(gòu)鋼筋同時用作自然接地極和雜散電流的收集是相互矛盾的。而筆者認(rèn)為雜散電流腐蝕防護(hù)與接地之間不存在矛盾。

在地鐵建成運(yùn)營初期，鋼軌對整體道床絕緣較好，牽引供電的回流幾乎全部由鋼軌回流，整體道床內(nèi)的鋼筋（作為雜散電流的主要收集網(wǎng)）和車站結(jié)構(gòu)鋼筋（作為雜散電流的輔助收集網(wǎng)）內(nèi)的雜散電流非常少。此時，雜散電流的極化電壓正向偏移平均值和結(jié)構(gòu)鋼筋中泄漏電流密度肯定在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為雜散電流對鋼軌和道床內(nèi)鋼筋的影響以鈍化為主，在可控范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)鋼筋內(nèi)的雜散電流泄漏量非常有限。

在地鐵運(yùn)營過程中，車站及區(qū)間內(nèi)環(huán)境日趨復(fù)雜，軌行區(qū)可能常年積水，道床不潔，鋼軌年久失修，存在電氣導(dǎo)通斷點(diǎn)或者鋼軌對道床絕緣遭到破壞的問題。此時，在結(jié)構(gòu)鋼筋中就存在雜散電流。但是運(yùn)營人員可根據(jù)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果，及時排除積水、清掃道床、排查鋼軌電氣斷點(diǎn)、更換鋼軌的絕緣套管、絕緣扣件和絕緣墊；并選擇是否采取強(qiáng)制排流的措施，將原先預(yù)留在變電所內(nèi)的排流柜開啟，采用回流電纜和均流電纜協(xié)助鋼軌進(jìn)行牽引供電回流，以盡量減少結(jié)構(gòu)鋼筋中的雜散電流。

在發(fā)生短路故障時，結(jié)構(gòu)鋼筋對地存在電位差。一部分短路故障電流會從車站結(jié)構(gòu)鋼筋流回變壓器中性點(diǎn)。但此時配電系統(tǒng)中的開關(guān)會迅速跳閘，某個尖峰電位也不會影響在雜散電流實(shí)時監(jiān)測中極化電位的長期監(jiān)測結(jié)果。

5 綜合接地系統(tǒng)設(shè)計方案

綜合接地系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

綜上所述，車站縱向和橫向主鋼筋互相焊接后，可與屏蔽門、電扶梯及電纜橋架等金屬物連接，從而形成自然接地極。在車站結(jié)構(gòu)底板下方設(shè)置人工接地網(wǎng)，并采用相對結(jié)構(gòu)底板絕緣的方式引出至PCE和WCE。自然接地極和人工接地網(wǎng)分別施工。自然接地極設(shè)置若干接地鋼板預(yù)埋件，預(yù)留可通過接地電纜將PCE和結(jié)構(gòu)鋼筋相連或分離的條件。這樣既可在運(yùn)營中分別測量接地電阻，也可根據(jù)雜散電流的監(jiān)測情況將自然接地極和人工接地網(wǎng)分開或聯(lián)結(jié)。

在環(huán)控電控室、配電間、環(huán)控專業(yè)機(jī)房、給排水專業(yè)泵房、衛(wèi)生間、開水間、風(fēng)井及其他配電箱集中處設(shè)置局部等電位端子箱（LEB），通過等電位聯(lián)結(jié)預(yù)埋件連接至自然接地極（車站結(jié)構(gòu)鋼筋）。

在專用通信、公安通信、民用通信、信號、綜合監(jiān)控、火災(zāi)報警及設(shè)備監(jiān)控、氣體滅火、屏蔽門、自動售檢票等專業(yè)的弱電系統(tǒng)設(shè)備用房內(nèi)，設(shè)置弱電接地端子箱（WEB）。WCE通過接地電纜采用放射式連接至各弱電接地端子箱。

圖3 綜合接地系統(tǒng)示意圖

變電所內(nèi)各設(shè)備外殼、變壓器中心點(diǎn)等通過電纜或接地扁鋼與PCE連接。

6 結(jié)論

（1）綜合接地系統(tǒng)的接地電阻取值應(yīng)根據(jù)最大接地故障不對稱電流計算，并考慮車站周邊條件的實(shí)際情況調(diào)整。

（2）在車站埋深滿足要求的前提下，推薦采用結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)人工接地網(wǎng)方案，直接采用低電阻率的土壤，提升接地效果。

（3）預(yù)留人工接地網(wǎng)和自然接地極的連接和分離條件，根據(jù)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果判斷是否需將自然接地極和人工接地網(wǎng)連接或分開。

（4）運(yùn)用合理的綜合接地系統(tǒng)方案，全面考慮人身安全、變電所、弱電以及金屬設(shè)備外殼的接地。

綜上所述，相比地上建筑，地鐵地下車站雖然有多種電壓等級的交、直流電源，也存在牽引供電及不規(guī)則回流的雜散電流，但是其本身就是一個導(dǎo)電性能良好的自然接地極。地鐵車站作為人員密集場所，人身安全的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜散電流的防護(hù)。倘若參考地上建筑的接地方案采用總等電位聯(lián)結(jié)，可大大降低短路接地故障電壓，為地鐵的安全運(yùn)營和乘客的人身安全提供有力的保障。

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Discussion on the Integrated Grounding System for Underground Subway Station

XU Jiechi

TU96+3：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.09.031

2016-12-01）