關(guān)于地鐵變電所接地網(wǎng)設(shè)置問題的思考

曾之煜

關(guān)于地鐵變電所接地網(wǎng)設(shè)置問題的思考

曾之煜

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥工程師）

由于地鐵供電系統(tǒng)供電方式的特殊性，其接地系統(tǒng)的方案一直存在爭議。結(jié)合國內(nèi)規(guī)范及國內(nèi)軌道交通項(xiàng)目的常規(guī)做法，從接地網(wǎng)的設(shè)置、低壓側(cè)的接地、接地電阻值的選取、直流系統(tǒng)的接地等方面進(jìn)行分析，旨在為以后的地鐵接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

地鐵供電系統(tǒng)；接地網(wǎng)；接地電阻值

目前國內(nèi)地鐵變電所接地基本按綜合接地概念設(shè)計(jì)，包括變電所設(shè)備的系統(tǒng)接地、保護(hù)接地、防雷接地和信息技術(shù)接地，共用所在車站結(jié)構(gòu)底板下方的人工接地網(wǎng)，以期使全線形成統(tǒng)一的、高低壓兼容、強(qiáng)弱電合一的接地系統(tǒng)，滿足車站內(nèi)各類設(shè)備的系統(tǒng)接地、保護(hù)接地、防雷接地及信息技術(shù)接地要求。

由于地鐵列車多采用直流供電方式并利用鋼軌回流，為防止雜散電流通過鋼軌與大地之間的過渡電阻泄露到大地與土壤中金屬管線發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕各種結(jié)構(gòu)鋼筋及管線，直流設(shè)備通常采用絕緣安裝，而保護(hù)接地是通過框架保護(hù)的分流器接大地。直流負(fù)極與大地嚴(yán)禁接通，以防為雜散電流提供通路。如何處理接地和雜散電流腐蝕防護(hù)之間的關(guān)系，成為困擾設(shè)計(jì)與施工的一大難題，相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定往往由于工程的特殊性而難以執(zhí)行。

1 接地網(wǎng)的設(shè)置方案

地鐵綜合接地網(wǎng)的設(shè)置，目前主要參考《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》15.7.12規(guī)定“變電所應(yīng)利用車站結(jié)構(gòu)鋼筋或變電所結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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)間應(yīng)采用不少于兩根導(dǎo)體在不同地點(diǎn)相連接。自然接地極與人工接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)能分別測量?！睏l文說明解釋為“當(dāng)確定采用結(jié)構(gòu)主體鋼筋等自然接地極能夠滿足接地裝置的接地電阻要求時(shí)，也可不設(shè)置人工接地網(wǎng)。人工接地網(wǎng)應(yīng)絕緣引入地鐵內(nèi)，目的為了實(shí)現(xiàn)自然接地極與人工接地網(wǎng)能夠分別測量?！盙B 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.2規(guī)定“發(fā)電廠和變電站接地網(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)……6 kV和10 kV變電站和配電站，當(dāng)采用建筑物的基礎(chǔ)作接地級，且接地電阻滿足規(guī)定值時(shí)，可不另設(shè)人工接地?！睏l文說明“引自 DL/T 621—1997：《交流電氣裝置的接地》（已于2015年廢止）的6.2.1。”從以上兩本規(guī)范相關(guān)規(guī)定可看出，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定在一定的條件下可不設(shè)人工接地網(wǎng)，《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定35 kV變電所應(yīng)設(shè)接地網(wǎng)，目前國內(nèi)采用集中供電方式的車站變電所多為35 kV（33 kV）變電所，照此規(guī)范規(guī)定，應(yīng)設(shè)接地網(wǎng)，但是該條規(guī)定的條文解釋引用的是從2015年開始廢止的電力行業(yè)規(guī)范，該廢止的規(guī)范（DL/T 621—1997）中6.2.1條又未見有條文說明。目前國內(nèi)絕大多數(shù)地鐵設(shè)置了人工接地網(wǎng)，這一做法在早期尚存爭議，后來出于設(shè)計(jì)習(xí)慣和為穩(wěn)妥起見，基本照此方案實(shí)施。

地鐵變電所接地主要有3種方案：

（1）利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋做自然接地體，該自然接地體保證接地電阻在0.5 Ω以下，不再另設(shè)人工接地網(wǎng)。北京地鐵1、2號線采用該方式（北京1、2號線為10 kV分散式供電）。

（2）設(shè)置人工接地網(wǎng)，外引接入，即人工接地網(wǎng)與車站結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣。

（3）設(shè)置人工接地網(wǎng)，人工接地網(wǎng)與車站結(jié)構(gòu)鋼筋連接，該方案也是《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，方案1將車站結(jié)構(gòu)鋼筋按雜散電流腐蝕防護(hù)的要求焊接，地鐵車站構(gòu)成了一個(gè)體積約5 000 m3的等電位法拉第籠，該法拉第籠的電阻經(jīng)現(xiàn)場測試，電阻均小于0.5 Ω。針對方案2，文獻(xiàn)［1］指出，根據(jù)北京地鐵1號線現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)鋼筋根本無法做到對地絕緣，車站結(jié)構(gòu)鋼筋和設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼也不絕緣，說明實(shí)際施工過程中接地網(wǎng)很難與結(jié)構(gòu)鋼筋做到絕緣。方案3為《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定方案，其本意是進(jìn)一步降低接地電阻?，F(xiàn)對比分析3種方案的電路圖（見圖1），RA為結(jié)構(gòu)鋼筋電阻，RB為人工接地網(wǎng)電阻，R過渡為結(jié)構(gòu)鋼筋和地之間的絕緣電阻，為便于分析，略去所內(nèi)接地電纜和扁鋼的電阻。如采用方案1，若結(jié)構(gòu)鋼筋對地絕緣，則結(jié)構(gòu)鋼筋成為整個(gè)車站的地；若結(jié)構(gòu)鋼筋無法做到對地絕緣，則接地電阻R總=RA+R過渡。此方案的安全接地是從等電位的角度考慮，車站整個(gè)結(jié)構(gòu)鋼筋電阻能滿足接觸電壓和跨步電壓校驗(yàn)即可，因此接地電阻阻值的大小的比較意義不大（但考慮泄放雷電電流時(shí)應(yīng)考慮電阻值的大小）。如采用方案2，若結(jié)構(gòu)鋼筋對地絕緣同時(shí)槽鋼對結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣，R總=RB；若無法做到結(jié)構(gòu)鋼筋對地絕緣，同時(shí)槽鋼對結(jié)構(gòu)鋼筋也不絕緣，則接地故障電流分別由RA支路和RB支路承擔(dān)。如采用方案3，若結(jié)構(gòu)鋼筋對地絕緣，接地故障電流通過RB釋放，R總=RB；如結(jié)構(gòu)鋼筋對地不絕緣，則接地故障分別由RA支路和RB支路承擔(dān)，R總=RA∥RB?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)鋼筋與人工接地網(wǎng)連接后，相當(dāng)于直接將設(shè)備槽鋼和結(jié)構(gòu)鋼筋相連，確實(shí)能夠進(jìn)一步減少接地電阻。方案2及方案3如在土壤電阻率較高的地區(qū)實(shí)施，為滿足接地電阻值的要求，需大量使用換土、降助劑、接地銅棒、深井接地、離子接地等方法，大大提高施工的復(fù)雜程度和工程投資。但是如果采用方案1，理論上雖然方便簡單可行，但實(shí)際施工過程中，土建施工單位難以真正控制好鋼筋焊接質(zhì)量，虛焊漏焊難免發(fā)生，同時(shí)車站結(jié)構(gòu)鋼筋是否與大地絕緣也和施工水平有關(guān)，如果真正做到結(jié)構(gòu)鋼筋和地絕緣，雷電沖擊電流的泄放又是一個(gè)問題。至于將車站結(jié)構(gòu)鋼筋和人工接地網(wǎng)連接后，雜散電流是否會(huì)腐蝕車站結(jié)構(gòu)鋼筋的問題也不必過分擔(dān)心，車站鋼筋和區(qū)間隧道鋼筋因?yàn)樽冃慰p本身就是斷開的，只需加強(qiáng)車站結(jié)構(gòu)鋼筋和道床結(jié)構(gòu)鋼筋的絕緣，如加強(qiáng)整體道床和結(jié)構(gòu)底板鋼筋的絕緣，并加強(qiáng)監(jiān)測，就能盡量做到接地和雜散電流腐蝕防護(hù)的統(tǒng)一。因此，筆者認(rèn)為方案3更為合理。

圖1 接地網(wǎng)的設(shè)置方案對比

2 低壓側(cè)接地方案

地鐵供車站動(dòng)力照明用的變壓器多為35/0.4 kV配電變壓器，35 kV側(cè)的保護(hù)接地和0.4 kV側(cè)的系統(tǒng)及保護(hù)接地共用同一個(gè)接地網(wǎng)。出于供電可靠性、人身和設(shè)備的安全性以及電磁兼容等方面的要求，目前國內(nèi)低壓配電基本采用TN-S（三相四線制）系統(tǒng)。當(dāng)35 kV設(shè)備出現(xiàn)單相對殼短路時(shí)，低壓設(shè)備外殼電壓將由0提升為Uf=IdRB（式中，Uf為預(yù)期接觸電壓；Id為故障電流）。35 kV側(cè)多采用小電阻接地系統(tǒng)，將單相接地故障電流限制在1 000 A以內(nèi)，假設(shè)Id=600 A，RB=0.5 Ω，則Uf=300 V。據(jù)了解，目前車站設(shè)備用房，雖然在重要的房間（環(huán)控室、0.4 kV開關(guān)柜室）做了等電位聯(lián)結(jié)，如將設(shè)備外殼接在房間內(nèi)沿墻敷設(shè)的一圈接地扁鋼上，但又要求扁鋼和結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣，故人觸碰外殼時(shí)將直接接觸300 V的電壓，產(chǎn)生足以致命的電流，而該電流又非低壓回路產(chǎn)生的接地故障電流，其剩余電流保護(hù)無法動(dòng)作。解決該問題的方案有：①低壓的系統(tǒng)接地采用單獨(dú)接地，不和高壓共用，這在地鐵工程中不易實(shí)現(xiàn)，基本不予考慮。②低壓側(cè)裝設(shè)過壓保護(hù)，當(dāng)外殼對地（結(jié)構(gòu)鋼筋）電壓超過一定值時(shí)跳閘。該方案可能因?yàn)楦邏簜?cè)短暫的可自恢復(fù)接地故障造成低壓側(cè)誤動(dòng)作，對運(yùn)營有較大影響。③在安裝設(shè)備前先安裝絕緣墊，絕緣墊外露的寬度大于人的伸臂范圍，人觸碰外殼時(shí)只承受電壓而不形成電流通路。該方案仍存在問題，設(shè)備外殼承擔(dān)的電壓對絕緣墊的絕緣水平是一個(gè)考驗(yàn)，因?yàn)橄嗑€對地電壓提高到220 V+Uf，絕緣墊絕緣失效后人身安全依然得不到保障。④將接地扁鋼和結(jié)構(gòu)鋼筋聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)真正的等電位聯(lián)結(jié)。筆者認(rèn)為方案4更簡單可行。圖2為低壓側(cè)接地方案對比示意圖。

圖2 低壓側(cè)接地方案對比示意圖

類似地，當(dāng)區(qū)間風(fēng)機(jī)房設(shè)跟隨式變電所時(shí)，如果區(qū)間不設(shè)接地網(wǎng)，如圖2所示，當(dāng)35 kV側(cè)發(fā)生單相碰殼故障時(shí)，區(qū)間變電所內(nèi)低壓設(shè)備外殼將產(chǎn)生接觸電壓Uf，雖然設(shè)置了等電位聯(lián)結(jié)的接地干線扁鋼，但又要求結(jié)構(gòu)鋼筋和接地扁鋼絕緣，因此人身安全也存在隱患。因?yàn)閰^(qū)間跟隨所具備單獨(dú)設(shè)置接地網(wǎng)的條件，故筆者認(rèn)為帶跟隨所的區(qū)間風(fēng)井均應(yīng)單獨(dú)設(shè)置接地網(wǎng)，使0.4 kV側(cè)系統(tǒng)接地和35 kV保護(hù)接地分開，使中壓側(cè)的故障電壓不會(huì)傳導(dǎo)至低壓側(cè)。又如車場鋼軌電位裝置、單導(dǎo)裝置的低壓交流接地，為避免出現(xiàn)電源側(cè)故障電壓在PE線上傳導(dǎo)至室外設(shè)備外殼，這些室外設(shè)備不應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)而應(yīng)采用TT系統(tǒng)，即就地打一接地網(wǎng)，設(shè)備PE端子就近和接地網(wǎng)連接，既節(jié)省了動(dòng)輒數(shù)百米的PE線，又提高了人身安全。

3 接地電阻的取值

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，小電阻接地系統(tǒng)的接地電阻值應(yīng)滿足R≤2 000/Ig（式中，Ig為最大接地故障不對稱電流有效值）。目前地鐵綜合接地網(wǎng)取值通常按不大于0.5 Ω考慮，土壤電阻率較高的地方可以放寬到不大于1 Ω，目前的解釋是為了滿足電子信息設(shè)備的需要。另外如果只考慮變電所接地，接地電阻阻值通常放寬到不大于4 Ω，防雷接地電阻一般為不大于10 Ω。文獻(xiàn)［2］指出，在高頻環(huán)境下，必須計(jì)及線纜的感抗和容抗，此時(shí)應(yīng)要求接地阻抗而非接地電阻。例如，在工作頻率為10 MHz的弱電系統(tǒng)中，假設(shè)接地線長10 m，則該接地線接地阻抗可達(dá)628 Ω，因此對于某些施工難度較大的工程，過于追求不大于1 Ω的做法耗費(fèi)資源而又達(dá)不到預(yù)期效果。飛機(jī)的接地電阻為無窮大，而打雷時(shí)機(jī)上的乘客不會(huì)觸電，機(jī)上的信息技術(shù)設(shè)備正常運(yùn)行，根本在于機(jī)身利用自身金屬做了等電位聯(lián)結(jié)和屏蔽，并利用自帶的放電器將靜電及雷電電荷釋放到大氣中。前面已提到對于地鐵常用的TN-S系統(tǒng)，不做等電位聯(lián)結(jié)時(shí)，當(dāng)發(fā)生單相對地短路時(shí)，Uf=Id（Zpe+Zab）（式中，Zpe為保護(hù)導(dǎo)體阻抗，Zab為相線阻抗），該電壓可高達(dá)110 V，對人身安全也是不利的；做了等電位聯(lián)結(jié)（局部等電位聯(lián)結(jié)）時(shí)，Uf=IdZab，該電壓可限制在安全電壓50 V（干燥環(huán)境）以下。因此，文獻(xiàn)［2］指出，IEC標(biāo)準(zhǔn)并不給出具體的接地電阻值要求，而國外有的發(fā)達(dá)國家一般取值為不大于2 Ω。筆者認(rèn)為文獻(xiàn)［2］的解釋比較合理，但是據(jù)了解，不大于1 Ω的要求出自于弱電系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范，目前階段也只能照此執(zhí)行，但是就算滿足了不大于1 Ω的條件也不能說萬事大吉，為了確保人身安全，等電位的聯(lián)結(jié)是最重要和最易實(shí)施的措施。

4 結(jié)語

地鐵接地系統(tǒng)因?yàn)榻?、直流需隔離以防雜散電流腐蝕而具有特殊性。筆者認(rèn)為，應(yīng)盡可能地利用自然結(jié)構(gòu)鋼筋做為交流系統(tǒng)的系統(tǒng)接地和保護(hù)接地，利用鋼軌作為直流系統(tǒng)的系統(tǒng)接地，并做到兩個(gè)“地”之間相互隔離。同時(shí)，應(yīng)利用自然結(jié)構(gòu)鋼筋做等電位聯(lián)結(jié)，而不再一味追求低電阻值。因?yàn)楣P者在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中發(fā)現(xiàn)，人工接地網(wǎng)一般由土建單位實(shí)施，電氣專業(yè)人員對該接地網(wǎng)的施工、阻值的測試往往缺乏監(jiān)督，得到的報(bào)告的可信性需打折扣。另外，對于弱電設(shè)備，應(yīng)該優(yōu)化地線走線路徑，減小高頻接地阻抗。筆者通過本文只求拋磚引玉，為以后地鐵接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些思路。

［1］ 黃德勝，張巍.地下鐵道供電［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 王厚余.建筑物電氣裝置600問［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013．

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50065—2011［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2011．

［5］ 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.貴陽市軌道交通S2線一期北段工程初步設(shè)計(jì) 第十篇 供電［R］.成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2017．

［6］ 李鵬.地鐵換乘站接地網(wǎng)電阻值計(jì)算與優(yōu)化方案［J］.城市軌道交通研究，2016（11）：103.

Reflection on Subway Substation Grounding Grid

ZENG Zhiyu

Due to the particular features of subway power supply mode，the scheme of grounding system has been controversial.In this paper,combined with the conventional practice of norms and rail transit projects in China，the subway grounding setting，low side grounding，transformer grounding resistance selection and DC system grounding are analyzed，in order to provide some references on the subway grounding system design for future projects.

metro power supply system；grounding grid；grounding resistance value

U231.8；U224.2+5

10.16037/j.1007-869x.2017.11.014

Author′s address China Railway Eryuan engineering Refco Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

2017-02-25）