高速鐵路牽引變電所地網(wǎng)安全性評估探討

呼海明

摘要：牽引供電系統(tǒng)為高速鐵路提供牽引用電，是高速動車組的動力源泉，一旦牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障，將使高鐵線路失去運(yùn)營能力，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會不良影響。而牽引變電所地網(wǎng)安全又是牽引供電系統(tǒng)安全供電的基礎(chǔ)，其重要性非同一般。但目前鐵路行業(yè)對牽引變電所地網(wǎng)的安全性重視不夠，一些關(guān)鍵的技術(shù)觀念比較模糊，驗證手段落后，且行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：牽引變電所;地網(wǎng);安全性評估;

應(yīng)搭建適應(yīng)我國高速鐵路的牽引變電所地網(wǎng)安全性指標(biāo)體系，安全性指標(biāo)應(yīng)由接地阻抗、最大地電位升高及網(wǎng)內(nèi)電位差、接觸電壓、跨步電壓等參數(shù)共同組成，不宜為滿足某單項指標(biāo)而付出過高的經(jīng)濟(jì)代價。

一、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及差異性分析

1.鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀。在鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB10009）、《鐵路綜合接地測量方法》（TB3233）、《鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10421）、《高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10758）等規(guī)范中，對牽引變電所地網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。

2.電力行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀。電力行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)中，主要有《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》（GB50065）、《交流電氣裝置接地》（DL/T621）、《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則》（GB/T17949.1）、《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》（DL/T 475）、《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150）、《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》（GB 50169）等標(biāo)準(zhǔn)。

二、差異性分析

1.接地電阻限值。在接地電阻標(biāo)準(zhǔn)方面，TB10009規(guī)定“接地裝置的接地電阻應(yīng)符合下式要求：Rj≤2000/I。當(dāng)i≥4000A時，可采用R，≤0.5。在高土壤電阻率地區(qū)，當(dāng)技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上極不合理時，允許將接地電阻值提高，但不應(yīng)超過5Ω”。GB50065規(guī)定“接地網(wǎng)的接地電阻宜符合R≤2000/I公式的要求，當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻不符合本規(guī)范式的要求時，可通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較適當(dāng)增大接地電阻。在符合該規(guī)范第4.3.3條的規(guī)定時，接地網(wǎng)地電位升高可提高至5kV。必要時，經(jīng)專門計算，且采用的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時，接地網(wǎng)地電位升高還可進(jìn)一步提高”。

2.地網(wǎng)安全性測試。TB3233規(guī)定了土壤電阻率、獨立接地體接地電阻、鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗、電氣完整性、跨步電壓和接觸電壓、軌道電位和設(shè)備電位等參數(shù)的測量方法。GB/T 17949.1規(guī)定了土壤電阻率、接地阻抗、地面電位、跨步電壓和接觸電壓、沖擊接地阻抗的測量方法及測量儀器的原理簡介。DL/T 475規(guī)定了電氣完整性、接地阻抗、場區(qū)地表電位梯度、跨步電壓和接觸電壓、轉(zhuǎn)移電位及土壤電阻率的測試方法。

3.驗收及試驗。鐵路行業(yè)驗收標(biāo)準(zhǔn)有TB10421和TB10758，在接地裝置驗收上，均規(guī)定“接地裝置的接地電阻值應(yīng)符合設(shè)計規(guī)定，接地體埋深應(yīng)符合設(shè)計要求”。GB 50169規(guī)定“接地電阻值及設(shè)計要求的其他測試參數(shù)符合設(shè)計規(guī)定”。GB50150中規(guī)定“電氣設(shè)備和防雷設(shè)施的接地裝置的試驗項目應(yīng)包括下列內(nèi)容：接地網(wǎng)電氣完整性測試;接地阻抗”，并要求“接地阻抗值應(yīng)符合設(shè)計要求，試驗方法可參照DL475的規(guī)定”。

4.差異性分析對比。鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與電力行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計、測試、驗收及試驗等多方面規(guī)范差異對比參見表1。

三、高速鐵路牽引變電所接地網(wǎng)的選材、材料特性和施工

1.選材。以某新建客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成工程為例，沿線新建220 kV牽引變電所中水平接地體采用了截面150 mm2的銅絞線，垂直接地體采用了Φ17.2 mm、長2.4 m的銅棒和3 m長的ALG離子接地極，室外架構(gòu)和室外地上設(shè)備接地線采用50×4的鍍鋅扁鋼。接地網(wǎng)埋設(shè)完成后，實測接地電阻值時，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，要求電阻值不大于0.5歐姆。

2.材料特性和施工。施工方便、質(zhì)量可靠。銅接地網(wǎng)水平接地體在施工時，因銅絞線柔韌性很強(qiáng)、可彎曲半徑較小，非常方便施工時彎曲、穿管和展放等操作。銅絞線的機(jī)械強(qiáng)度高、柔韌性好，能夠成卷來運(yùn)輸，方便材料進(jìn)場和轉(zhuǎn)運(yùn)。采用放熱焊接簡化了施工程序，便于施工人員操作，節(jié)省了人力資源。而且放熱焊接后能夠使兩個連接部位互相熔接在一起，使其電阻接近于零，增強(qiáng)了連接點的機(jī)械強(qiáng)度，保證了連接質(zhì)量。2.放熱焊接實現(xiàn)高電氣性能。放熱焊接即熱熔焊接技術(shù)，其原理就是通過鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生液態(tài)高溫銅和氧化鋁的殘渣，并利用放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫來實現(xiàn)高性能電氣熔接的現(xiàn)代焊接工藝。放熱焊接適用于銅、銅和鐵及鐵合金等同種或異種材料間的電氣連接，它無需任何外加的能源或動力。因所用的熔接金屬的熔點和銅相同，所以熱熔焊接不會被起伏的高電流影響。經(jīng)過測試，當(dāng)受到高的短路電流時，熱熔焊接點的融化遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于一般電氣導(dǎo)體，連接中不存在機(jī)械壓力的問題，所以在熔接完成后，該位置就和導(dǎo)體成為不可分割的一個整體，熔接位置不會松脫，因熱熔焊接處的導(dǎo)體電阻值趨近于零，所以它的導(dǎo)電能力基本上等于所連接的導(dǎo)體。

四、存在問題及解決方案

1.考核指標(biāo)過于單一，不成體系。鐵路行業(yè)目前的設(shè)計規(guī)范和驗收規(guī)范均以接地電阻為考核指標(biāo)，雖然TB3233提出獨立接地體接地電阻、鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗、鐵路綜合接地系統(tǒng)電氣完整性、場區(qū)地表電位梯度、跨步電壓和接觸電壓、軌道電位和設(shè)備電位測量方法的測量方法，但由于不是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，在工程現(xiàn)場施工、運(yùn)營單位還是僅僅以接地電阻作為唯一考核指標(biāo)。電力行業(yè)已提出變電站地網(wǎng)安全性指標(biāo)體系概念，既安全性指標(biāo)應(yīng)涵蓋土壤電阻率、接地阻抗、地面電位、跨步電壓和接觸電壓、沖擊接地阻抗等多項參數(shù)，不宜為滿足某單項指標(biāo)而付出過高的經(jīng)濟(jì)代價。這是值得鐵路行業(yè)借鑒和學(xué)習(xí)的。宜構(gòu)建高速鐵路牽引變電所接地設(shè)計安全性指標(biāo)體系概念，做到經(jīng)濟(jì)和安全的兼顧。

2.測試方法和手段落后。地網(wǎng)安全性評估在設(shè)計階段可用計算機(jī)仿真技術(shù)得到比較準(zhǔn)確的評估結(jié)論，但也有其不足之處，如牽引變電所的位置發(fā)生變動，各種基礎(chǔ)參數(shù)改變，導(dǎo)致評估結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，仿真技術(shù)只能將土壤電阻率進(jìn)行等效，不能完全反映現(xiàn)場的真實情況。因此，對地網(wǎng)安全性檢驗的最佳方法是開通前的測試驗證。但需要指出的是，目前鐵路施工和運(yùn)營單位多以搖表法進(jìn)行測試，該方案存在電流過小、容易被地中電流干擾導(dǎo)致測試不精確等不足。在工程現(xiàn)場中，也經(jīng)常發(fā)生換一次接地極位置，結(jié)果偏差達(dá)數(shù)倍的情況。電力系統(tǒng)推薦采用工頻大電流法和異頻小電流法兩種測試手段，但工頻大電流也有測試設(shè)備笨重，測試接線復(fù)雜，電流大、電壓高，安全性能差等缺點。特別是鐵路牽引變電所多處于荒郊野外，取電困難，采用工頻大電流法還需自備發(fā)電機(jī)組，過于麻煩。異頻小電流法，采用的是異頻的測量原理，可有效避免工頻和噪音信號的干擾影響，實現(xiàn)精確、經(jīng)濟(jì)、且具有便于攜帶的優(yōu)點。TB3233也推薦采用異頻小電流法進(jìn)行鐵路地網(wǎng)特性參數(shù)的測量。

3.完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前鐵路行業(yè)雖已有TB3233作為鐵路接地測試的專項標(biāo)準(zhǔn)，且其主要內(nèi)容已與國標(biāo)、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但由于不是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，未能在工程上得到推廣應(yīng)用。建議完善鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)，將高速鐵路牽引變電所接地設(shè)計安全性指標(biāo)體系納入規(guī)范，強(qiáng)制性執(zhí)行。

總之。鐵路行業(yè)應(yīng)搭建適應(yīng)我國高速鐵路的牽引變電所地網(wǎng)安全性指標(biāo)體系，不宜為滿足某單項指標(biāo)而付出過高的經(jīng)濟(jì)代價。鐵路牽引供電系統(tǒng)牽引變電所地網(wǎng)安全性設(shè)計和驗收應(yīng)以接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓是否超標(biāo)以及電氣完整性測量結(jié)果是否超標(biāo)為評價指標(biāo)，同時應(yīng)完善相關(guān)行業(yè)規(guī)范，提高牽引變電所地網(wǎng)安全性，進(jìn)而進(jìn)一步提升高速鐵路運(yùn)營安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張艷萍，高速鐵路牽引變電所地網(wǎng)安全性評估研究.2017.

[2]王大軍，淺談高速鐵路牽引變電所地網(wǎng)安全性評估探討.2017.