高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)接地特性分析

王建國(guó),郭 星,孫建明,方 俊,陳 文,樊亞東

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430072； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

我國(guó)高速鐵路隧道接地裝置有兩種形式，在Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道中將底板鋼筋網(wǎng)中最底層結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成接地網(wǎng)，通過結(jié)構(gòu)鋼筋焊接到結(jié)構(gòu)墻上。在Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道的初期支護(hù)施工中，將每個(gè)施工段內(nèi)的一處橫向排列錨桿，用一根橫向鋼筋或鋼構(gòu)架連接到防護(hù)墻上[1]，隧道綜合接地系統(tǒng)包含隧道底板鋼筋網(wǎng)、結(jié)構(gòu)鋼筋、錨桿、結(jié)構(gòu)墻、防護(hù)墻等組成。

高速列車牽引功率大，隧道內(nèi)空間狹窄，其他專業(yè)難以布設(shè)新的接地裝置，隧道綜合接地系統(tǒng)的接地特性愈發(fā)引人關(guān)注。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)接地特性的分析研究較少。西南交通大學(xué)何正友等基于有限元方法，對(duì)高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)的電磁特性進(jìn)行仿真計(jì)算，該方法考慮隧道上方的拱結(jié)構(gòu)取4個(gè)臺(tái)車位長(zhǎng)度進(jìn)行分析，還沒有考慮隧道底板以下的土壤部分[2]。國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院干喆淵等同樣采用有限元法，對(duì)海底隧道接地網(wǎng)進(jìn)行建模分析計(jì)算，對(duì)部分隧道進(jìn)行了精細(xì)剖分，忽略了隧道內(nèi)向上的散流[3]。

目前，對(duì)高速鐵路路基段貫通地線的接地性能、檢測(cè)施工和測(cè)量方法等有較深入的研究[4-8]，但對(duì)高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)的數(shù)值仿真計(jì)算建模報(bào)道較少[9]。高速鐵路隧道內(nèi)分布隧道洞室，洞室內(nèi)電力設(shè)施的安全運(yùn)行需要可靠接地保證。目前對(duì)隧道洞室內(nèi)電力設(shè)施的接地施工存在以下不同觀點(diǎn)：有觀點(diǎn)認(rèn)為，將隧道洞室內(nèi)箱變等電力設(shè)施的接地端子直接與隧道綜合接地系統(tǒng)相連即可，見圖1。也有觀點(diǎn)認(rèn)為隧道洞室內(nèi)需單獨(dú)設(shè)置接地網(wǎng)，當(dāng)其接地阻抗達(dá)標(biāo)后才能與隧道綜合接地系統(tǒng)相連，如圖2所示，在隧道洞室狹小空間內(nèi)采取深埋垂直接地極、換土等措施，滿足接地阻抗4 Ω甚至1 Ω的要求[10-15]。

圖1 隧道洞室內(nèi)箱變接地方式一

圖2 隧道洞室內(nèi)箱變接地方式二

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50065—2011)規(guī)定有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)地電位升高不宜超過2 kV，在一定條件下，接地網(wǎng)地電位升高可提高至5 kV。必要時(shí)，經(jīng)專門計(jì)算且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時(shí)，接地網(wǎng)地電位升高還可進(jìn)一步提高[15]。

針對(duì)上述實(shí)際問題，本文基于CDEGS分別建立高速鐵路Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)模型，研究隧道內(nèi)綜合接地系統(tǒng)的土壤適應(yīng)性[16-17]。結(jié)合隧道洞室內(nèi)箱變等電力設(shè)施的安全接地需求，通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)地測(cè)量，驗(yàn)證了當(dāng)洞室內(nèi)電力設(shè)施接地端子直接與隧道綜合接地系統(tǒng)相連后可以滿足安全要求。

2 Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道

圖3 Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)示意

如圖3所示，隧道底板接地鋼筋網(wǎng)按每間隔1個(gè)臺(tái)車位設(shè)置1處，1個(gè)臺(tái)車位長(zhǎng)度按10 m考慮，鋼筋網(wǎng)規(guī)模為10 m×4 m，采用1 m×1 m網(wǎng)格、φ16 mm鋼筋。隧道尺寸采用300、350 km/h雙線隧道內(nèi)輪廓，見圖4。貫通地線為φ11 mm銅絞線，敷設(shè)在隧道左右兩側(cè)電力電纜槽中，通長(zhǎng)各鋪設(shè)1根?？v向接地鋼筋選用隧道兩側(cè)通信信號(hào)電纜槽側(cè)墻上部縱向貫通φ16 mm結(jié)構(gòu)鋼筋，該鋼筋每100 m斷開1次且斷開接頭為10 cm，縱向接地鋼筋與貫通地線間每100 m通過φ16 mm連接鋼筋互聯(lián)1次。建模時(shí)不考慮隧道外綜合地線降阻作用，只考慮隧道綜合接地系統(tǒng)[18-19]。Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)建模見圖5。

圖4 300、350 km/h雙線隧道輪廓(單位：cm)

圖5 Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)建模

圖6 隧道接地阻抗變化趨勢(shì)

計(jì)算不同土壤電阻率和不同隧道長(zhǎng)度工況下，隧道綜合接地系統(tǒng)接地阻抗與土壤電阻率和隧道長(zhǎng)度的關(guān)系。隧道接地阻抗分別隨土壤電阻率和隧道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)見圖6，隧道接地阻抗與土壤電阻率線性逐漸增大，隧道長(zhǎng)度越短增速越大；隧道接地阻抗隨隧道長(zhǎng)度增加逐漸減小，當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于3 km后，接地阻抗隨長(zhǎng)度增加減小很小，基本保持不變。

隧道中每隔3 km設(shè)置洞室，計(jì)算時(shí)采用一垂直接地極代替洞室內(nèi)電力設(shè)施的接地，并將此垂直接地極與隧道綜合接地系統(tǒng)相連，模擬隧道洞室內(nèi)箱變等電力設(shè)施的接地端子直接與隧道綜合接地系統(tǒng)相連工況。垂直接地極長(zhǎng)0.5 m且距隧道內(nèi)該側(cè)縱向連接鋼筋4 m，垂直接地極及其與隧道綜合接地相連導(dǎo)體均為φ16 mm鋼筋，垂直接地極處入地短路電流為400 A。

垂直接地極接地阻抗隨土壤電阻率和隧道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)見圖7。垂直接地極與隧道綜合接地相連后，接地阻抗值及其變化趨勢(shì)與隧道綜合接地系統(tǒng)幾乎一致。將垂直接地極與隧道綜合接地相連后的接地阻抗值與隧道綜合接地系統(tǒng)的接地阻抗值相比較，結(jié)果見表1。垂直接地極與隧道綜合接地相連之后的接地阻抗略高于隧道綜合接地系統(tǒng)的接地阻抗，增大百分比不超過7.69%。這是由于垂直接地體電阻較大，入地電流經(jīng)4 m連接后再連接到綜合接地系統(tǒng)，造成接地端子處接地阻抗比綜合接地系統(tǒng)阻抗增大。

圖7 洞室垂直接地極接地阻抗變化趨勢(shì)

垂直接地極地電位升隨土壤電阻率和隧道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)見圖8。地電位升與土壤電阻率呈正比逐漸增大，隨隧道長(zhǎng)度的增加逐漸減小，當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于3 km后地電位升基本保持不變。隧道長(zhǎng)度低于1 km時(shí)，在土壤電阻率低于4 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于5 000 V；隧道長(zhǎng)度大于1 km后，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于5 000 V；隧道長(zhǎng)度大于3 km時(shí)，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于2 000 V。

表1 垂直接地極接地阻抗增大百分比 %

圖8 洞室垂直接地極地電位升變化趨勢(shì)

3 Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道接地體接地

圖9為Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道初期支護(hù)接地體和接地錨桿、鋼拱架、環(huán)向和縱向接地鋼筋、貫通地線間立體連接關(guān)系示意，錨桿接地體以1個(gè)臺(tái)車長(zhǎng)度(10 m)為間隔設(shè)置。

圖9 Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)示意

在CDEGS中建立Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道接地體模型，錨桿、環(huán)向和縱向接地鋼筋均采用φ16 mm鋼筋，錨桿長(zhǎng)3 m，相鄰錨桿環(huán)向間距6 m。隧道內(nèi)縱向接地鋼筋和綜合地線的設(shè)置及規(guī)格同上文Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道[5]。

洞室內(nèi)垂直接地極接地阻抗、地電位升隨土壤電阻率和隧道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)分別如圖10、圖11所示，數(shù)值計(jì)算時(shí)不考慮隧道外兩側(cè)綜合地線的降阻作用，即只考慮隧道綜合接地系統(tǒng)，洞室內(nèi)電力設(shè)施的接地仍用垂直接地極代替，垂直接地極處入地短路電流為400 A。

圖10 隧道接地阻抗變化趨勢(shì)

圖11 隧道地電位升變化趨勢(shì)

垂直接地極接地阻抗和地電位升隨隧道長(zhǎng)度的增加逐漸減小，長(zhǎng)度越短增速越大；接地阻抗隨隧道長(zhǎng)度的增加逐漸減小，隧道長(zhǎng)度大于1 km后減小速度顯著放緩。隧道長(zhǎng)度小于1 km時(shí)，在土壤電阻率為低于2 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于2 000 V；隧道長(zhǎng)度大于3 km時(shí)，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于2 000 V；長(zhǎng)度大于0.5 km后，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內(nèi)地電位升低于5 000 V。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和應(yīng)用實(shí)例

廟基口隧道位于武九客運(yùn)專線江西瑞昌段，全長(zhǎng)482 m，洞室內(nèi)預(yù)先設(shè)置與隧道縱向接地鋼筋相連的接地端子，如圖12所示。測(cè)量時(shí)廟基口隧道綜合接地體系統(tǒng)已與隧道兩側(cè)高速鐵路貫通地線連接，此時(shí)測(cè)量得到的接地阻抗為隧道綜合接地系統(tǒng)與兩側(cè)貫通地線組成龐大接地系統(tǒng)的接地阻抗值。

圖12 廟基口隧道洞室接地阻抗測(cè)量

實(shí)測(cè)廟基口隧道處土壤電阻率為36.8 Ω·m。在CDEGS中建立隧道綜合接地系統(tǒng)和高速鐵路貫通地線計(jì)算模型，即廟基口隧道為Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道接地體模型，隧道兩側(cè)貫通地線分別長(zhǎng)10 km，采用φ11 mm銅絞線，埋設(shè)深度0.4 m，間距24 m，每間隔500 m互聯(lián)1次。

計(jì)算得到上述隧道綜合接地系統(tǒng)與兩側(cè)貫通地線組成接地系統(tǒng)的接地阻抗為0.117 Ω，在廟基口隧道內(nèi)洞室接地端子處測(cè)量得到接地阻抗為0.114 Ω，如表2所示；在上述接地系統(tǒng)計(jì)算模型中取消隧道接地系統(tǒng)兩側(cè)的貫通地線，計(jì)算得到此時(shí)接地阻抗為0.120 Ω，此即為廟基口隧道綜合接地系統(tǒng)的接地阻抗值。

金溫鐵路擴(kuò)能改造工程是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目和浙江省“七線兩樞紐”重點(diǎn)項(xiàng)目，全線隧道43座，隧道總長(zhǎng)115 km，占線路比例為61%，隧道內(nèi)箱變32臺(tái)。本文成果已成功應(yīng)用在金溫鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)中，針對(duì)山區(qū)鐵路隧道洞室空間狹小的特點(diǎn)，隧道洞室內(nèi)箱變未獨(dú)立設(shè)置接地網(wǎng)，施工時(shí)將箱變接地端子與隧道內(nèi)綜合接地系統(tǒng)可靠連接，測(cè)試接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求，既保證了設(shè)備及人身安全，又節(jié)約了工程投資，效果良好。

表2 廟基口隧道接地阻抗實(shí)測(cè)與仿真計(jì)算

5 結(jié)論

通過對(duì)高速鐵路Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)接地特性研究分析，結(jié)論如下。

(1)在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道長(zhǎng)度大于3 km、Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道長(zhǎng)度大于3 km時(shí)，地電位升低于2 000 V。在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道長(zhǎng)度大于1 km、Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道長(zhǎng)度大于0.5 km時(shí)，地電位升低于5 000 V。Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道綜合接地系統(tǒng)可以滿足《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50065—2011)規(guī)定的接地安全限值。

(2)高速鐵路隧道洞室內(nèi)箱變等電力設(shè)施的接地端子與隧道綜合接地系統(tǒng)可靠相連后，洞室內(nèi)電力設(shè)施接地端子處的接地阻抗近似等于隧道綜合接地系統(tǒng)的接地阻抗，并能夠滿足工頻短路時(shí)接地阻抗和地電位升要求。高速鐵路隧道洞室內(nèi)箱變等電力設(shè)施不需要布設(shè)獨(dú)立接地裝置，直接與隧道綜合接地系統(tǒng)可靠相連即可。

(3)在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，當(dāng)Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍

巖隧道長(zhǎng)度小于1 km、Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道長(zhǎng)度小于0.5 km時(shí)，地電位升可能高于5 000 V。根據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50065—2001)，此時(shí)應(yīng)經(jīng)過專門計(jì)算，且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時(shí)，接地網(wǎng)地電位升高才可以進(jìn)一步提高，具體措施參見標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定：如可能將洞室內(nèi)高電位引向洞室外或?qū)⒌碗娢灰蚨词覂?nèi)的設(shè)備，應(yīng)采取防止轉(zhuǎn)移電位升引起危害的隔離措施；應(yīng)驗(yàn)算接觸電位差和跨步電位差，并應(yīng)通過實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證等[15]。