復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計研究

吳 波

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

我國疆域遼闊，各地地質(zhì)環(huán)境差異較大，全國地勢西高東低，其中西部、南部層巒疊翠，阡陌連綿，山區(qū)地形約占我國陸地面積的2/3。隨著我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，山區(qū)鐵路項目越來越多[1]，近年來陸續(xù)建設(shè)了滬昆高鐵、寶蘭高鐵、西成高鐵、成貴高鐵、貴廣高鐵、云桂高鐵等高標準山區(qū)高速鐵路，還將建設(shè)西延高鐵、延榆高鐵、西渝高鐵、西武高鐵、西寧至成都鐵路、成蘭鐵路以及川藏鐵路、中尼鐵路等復(fù)雜艱險山區(qū)的高標準電氣化鐵路[2-3]。復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路意味著長大隧道、隧道群、高架橋、溝壑，并伴隨著滑坡、落石、洪水、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給鐵路建設(shè)帶來了工程技術(shù)上的巨大困難[4-5]。

作為電氣化鐵路的心臟，牽引變電所承擔著為電力機車或動車組提供不間斷可靠電源的重要任務(wù)。在復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路牽引變電所設(shè)計、施工及運營維護的諸多困難中，接地系統(tǒng)一直是一個困擾工程師們的難題。接地系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響變電站設(shè)備的可靠性及人身安全。評估接地系統(tǒng)的指標有接地電阻、接觸電勢、跨步電勢以及接地體的動、熱穩(wěn)定性等[6]。眾所周知，接地網(wǎng)面積越大，土壤電阻率和接地電阻越小，接地網(wǎng)的質(zhì)量越好[7]。然而山區(qū)鐵路受地形及地質(zhì)條件的影響，牽引變電所時常面臨空間狹小、落差大、地質(zhì)條件復(fù)雜等多種不利因素，因此接地系統(tǒng)設(shè)計與復(fù)雜艱險山區(qū)地形的矛盾也越來越突出。

2 復(fù)雜艱險山區(qū)變電所接地面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，一般情況下，牽引變電所接地裝置的接地電阻應(yīng)符合式(1)的要求

(1)

困難情況下，可以提高至5 000/I。公式中R為最大允許的接地電阻，I為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流。通常要求牽引變電所在工程允許的條件下，接地電阻值越小越好。而接地電阻值在工程一旦實施后即已確定，它與土壤電阻率、接地體面積、長度等息息相關(guān)。

2.1 選址條件差造成變電所地網(wǎng)面積小

復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路時常伴隨著溝壑縱橫、山高谷深的地質(zhì)條件，線路橋隧比例高，為牽引變電所的選址帶來極大困難。根據(jù)線路標準及設(shè)備選型布置的不同，牽引變電所的占地面積也有區(qū)別。

GB 50065—2011《交流電氣裝置接地設(shè)計規(guī)范》中復(fù)合式接地網(wǎng)工頻接地電阻的簡易計算式如下

(2)

根據(jù)該式，在土壤電阻率ρ不變的情況下，接地電阻R與接地網(wǎng)面積S的平方根成反比。在均勻土壤的環(huán)境下，以土壤電阻率100 Ω·m為例，可以近似計算出各類型牽引變電所占地面積和接地電阻估算值，其對照如表1所示。

表1 牽引變電所占地面積與接地電阻對比

通過對比數(shù)據(jù)可以看出，平原地區(qū)和復(fù)雜艱險山區(qū)的牽引變電所占地面積比最大可以達到1∶0.2，但反之接地電阻比可達1∶2.2。也就是說，在復(fù)雜艱險山區(qū)，牽引變電所可以通過設(shè)備選型、布置形式調(diào)整等方式將占地面積減小到平原地區(qū)的20%，從而降低土建工程的實施難度，但面臨的問題是接地電阻將增大到2.2倍。

2.2 洪水位高造成變電所高填方

我國西南地區(qū)的山脈內(nèi)水系豐富，群山峻嶺內(nèi)通常伴隨著溝谷、河流，設(shè)置在這些地區(qū)的牽引變電所受洪水威脅。雨水季節(jié)水位上漲，在峽谷內(nèi)水位比枯水季節(jié)可上升數(shù)米之高。為保證所址場坪安全，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，牽引變電所場坪高程須在100年洪水位之上，分區(qū)所、AT所場坪高程須在50年洪水位之上，造成山區(qū)所亭場坪經(jīng)常采用高填方以滿足洪水位的要求。根據(jù)已實施的工程案例，牽引變電所較原始地面的填方最高可達10 m以上。

2.3 填方材料造成土壤電阻率升高

土壤電阻率對牽引變電所的接地電阻有直接的影響，與之成反比。根據(jù)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中提供的土壤電阻率參考值，陶黏土、黑土、田園土等電解質(zhì)含量高的土壤電阻率最低，砂礫、土夾石較高，巖石最高，如表2所示。

表2 各類土壤電阻率近似值

復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路修建牽引變電所面臨的困難是：取土條件差，表層植被土壤較淺、可取土少；受環(huán)保要求，不允許隨便取土，需到指定的取土場；取土場多為砂夾石；運距長，運費高。

在工程實施中，山區(qū)牽引變電所的填方料經(jīng)常采用隧道棄渣加工而成的A、B類填料，即體積較小的碎石，混合一定比例的河沙、泥土。該填料土壤電阻率較高，大都在1 000 Ω·m以上，對接地系統(tǒng)非常不利。

2.4 系統(tǒng)容量大造成短路電流巨大

隨著我國高速鐵路和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，牽引變電所從電力系統(tǒng)引入的電源電壓等級從最初的110 kV上升至目前的220 kV甚至330 kV。高標準鐵路通常要求更高的進線電壓等級，而電壓等級越高，系統(tǒng)容量就越大，短路時產(chǎn)生的故障電流也就越大。以穿越秦嶺山脈的西安至成都高速鐵路為例，陜西省境內(nèi)的6座牽引變電所均引入330 kV電源，各所2017年短路容量參見表3。

表3 西成高鐵330 kV牽引變電所短路容量

由表3可見，牽引變電所系統(tǒng)容量較以往的電氣化鐵路有了巨大增長。即使考慮架空避雷線對短路電流的分流作用，入地短路電流仍是一個非常大的值。以秦嶺內(nèi)的佛坪牽引變電所為例計算，如考慮40%的分流系數(shù)，則要求接地電阻值在0.138 Ω以下，困難情況下最高不得超過0.34 Ω。在平原地質(zhì)條件較好的地區(qū)要實現(xiàn)這一目標都比較困難，對于復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路則更加困難。

3 艱險山區(qū)接地網(wǎng)的設(shè)計思路

要使牽引變電所的接地系統(tǒng)滿足規(guī)范要求，保證所內(nèi)發(fā)生短路故障時的人身和設(shè)備安全，可以從影響接地網(wǎng)性能指標的各種因素中著手考慮。

對于人身安全至關(guān)重要的考核指標——接觸電勢和跨步電勢來說，要求土壤電阻率越小越好、表層土壤電阻率越大越好、入地短路電流越小越好、短路持續(xù)時間越小越好、接地電阻越小越好、接地體埋深越大越好、接地網(wǎng)孔數(shù)越多越好，而與接地網(wǎng)面積關(guān)系不大。而對于設(shè)備安全最重要的考核指標——接地電阻來說，則要求接地網(wǎng)面積越大越好、土壤電阻率越小越好、接地體長度越大越好，接地體的埋深理論上越大越好，但要視下部土壤的電阻率而定[8]。

對于艱險山區(qū)某具體的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計，根據(jù)前文所述，其接地網(wǎng)面積、土壤電阻率、短路電流已基本確定，而且均為不利因素。要改善接地網(wǎng)的性能，常規(guī)的降阻措施均有一定局限性：換填土在艱險山區(qū)不易實施，敷設(shè)降阻劑、離子接地極有時效性且性價比低，外引接地受地形條件影響且有將高電位外引的風(fēng)險[9-11]。其他措施還有：增大分流以減小入地短路電流、加大接地體總長度、加大埋深、增多網(wǎng)孔、加大地表土壤電阻率、加速保護動作等。

為提高設(shè)計的準確性和可實施性，對于復(fù)雜艱險山區(qū)的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計，應(yīng)針對具體工程的特點進行必要方案比選和仿真計算，選擇經(jīng)濟技術(shù)指標最優(yōu)的方案。

4 仿真模型建立

為具體分析復(fù)雜艱險山區(qū)牽引變電所各接地網(wǎng)設(shè)計方案的優(yōu)劣，采用國際通用接地設(shè)計仿真軟件CDEGS進行建模仿真計算，對各項指標進行對比分析，旨在找到最適合艱險山區(qū)的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計方案。

4.1 土壤模型

根據(jù)某工程的實測數(shù)據(jù)，對于山區(qū)采用高填方的牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)，采用CDEGS軟件的RESAP模塊對土壤模型分析，牽引變電所附近范圍內(nèi)可等效為三層土壤，如圖1所示。

圖1 土壤模型示意

其中頂層、中間層、底層的土壤電阻率及厚度分別為1 746 Ω·m(17 cm)、885 Ω·m(960 cm)、74 Ω·m(∞)。等效土壤結(jié)構(gòu)很好地揭示了艱險山區(qū)鐵路高填方牽引變電所的特點，該土壤模型將用于后文仿真計算的統(tǒng)一模型。

4.2 電源激勵模型

采用CDEGS軟件的FSDIST模塊對牽引變電所外部電源線路進行模擬，結(jié)合系統(tǒng)短路容量，可以計算出牽引變電所發(fā)生短路時的入地短路電流。

設(shè)定的電源條件為：牽引變電所引入2路相互獨立的330 kV電源進線，線路長度均為56 km，平均檔距400 m。系統(tǒng)變電站接地電阻均按0.5 Ω考慮，系統(tǒng)短路容量10 000 MVA。傳輸線采用LGJ-300/40型雙分裂導(dǎo)線，地線型號分別為JLB40-150。桿塔采用格構(gòu)式鐵塔，工頻接地電阻范圍10～30 Ω。

牽引變電所接地系統(tǒng)的接觸電勢、跨步電勢以及地電位升(GPR)等數(shù)值與通過接地網(wǎng)絡(luò)流入土壤的故障電流值成正比。因此，在進行接地系統(tǒng)安全性設(shè)計時，必須得到牽引變電所發(fā)生短路故障時，流入接地系統(tǒng)的故障電流比例，從而準確得到通過接地系統(tǒng)入地的故障電流數(shù)值，為后續(xù)設(shè)計出安全可靠的接地系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保障。牽引變電所發(fā)生短路時的電流分布如圖2所示。

圖2 短路電流分流示意

根據(jù)建模仿真計算結(jié)果可知，經(jīng)架空地線返回遠端的故障電流往往占有較大比例，其分流系數(shù)的影響因素很多，系統(tǒng)的運行方式、架空地線與輸電線的阻抗、輸電線路桿塔的接地電阻、短路點位置以及牽引變電所的接地電阻等都對其有所影響。尤其是牽引變電所的接地電阻，其與返回電流比例成反比，如圖3所示。設(shè)計時一方面要追求返回電流比例盡可能大，同時又要追求變電所接地電阻盡可能小，形成矛盾。

圖3 架空地線-桿塔接地系統(tǒng)分流示意

根據(jù)前文設(shè)定的系統(tǒng)條件，進線桿塔接地電阻取最不利的30 Ω，經(jīng)計算，牽引變電所接地電阻值采用0.45 Ω時，經(jīng)濟技術(shù)最優(yōu)，此時入地短路電流為9 604 A，接地電阻目標上限值為0.52 Ω。此電流作為后文接地仿真計算的電源激勵。

4.3 地網(wǎng)模型4.3.1 常規(guī)模型

牽引變電所設(shè)置以水平接地網(wǎng)為主的人工復(fù)合接地網(wǎng)，埋深為填方后地面以下0.8 m，交叉點設(shè)置長2.5 m的垂直接地棒。接地材料均采用純銅材質(zhì)。

4.3.2 深井接地模型

在常規(guī)模型的基礎(chǔ)上，選擇接地網(wǎng)邊緣、中心若干點采用鉆機打孔設(shè)置直徑20 cm深井，其內(nèi)敷設(shè)垂直接地棒或離子接地極，數(shù)量及深度可調(diào)整。

4.3.3 外引接地模型

在常規(guī)模型的基礎(chǔ)上，選擇接地網(wǎng)邊緣、中心若干點采用鉆機打孔設(shè)置直徑20 cm深井，其內(nèi)敷設(shè)垂直接地棒或離子接地極，數(shù)量及深度可調(diào)整。

4.3.4 雙層地網(wǎng)模型

根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)特點，筆者提出雙層接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在常規(guī)接地網(wǎng)下方設(shè)置另一層地網(wǎng)，埋深在原始地層以下，采用網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，上、下層地網(wǎng)用若干接地線連接，下層地網(wǎng)大小可調(diào)整[12-15]。

各類型地網(wǎng)模型示意對照如表4所示。

表4 各類接地網(wǎng)模型示意對照

5 仿真計算考核

5.1 考核指標

采用CDEGS軟件的MALZ模塊，對上述各接地網(wǎng)模型結(jié)合既定的土壤模型、電源激勵模型進行了仿真計算。在各種接地裝置的考核指標中，最重要的指標為接地電阻和接觸電勢。其中接地電阻值如前文所述，上限值取0.52 Ω，最優(yōu)值取0.45 Ω。

接觸電勢關(guān)系人身安全，在進行人體參數(shù)選擇時，參照國外標準(IEEE80-2013)以人體質(zhì)量50 kg、人體電阻1 000 Ω取值，表層土壤電阻率取2 000 Ω·m，短路持續(xù)時間取0.4 s，則計算得出接觸電勢的安全閥值為908 V。

5.2 接地電阻及經(jīng)濟指標考核

仿真計算結(jié)果顯示，在復(fù)雜艱險山區(qū)的土壤及接地網(wǎng)模型條件下，常規(guī)接地網(wǎng)模型接地電阻無法達到0.52 Ω的要求。其余3種模型在增加工程量后，接地電阻可以達到低于0.52 Ω的要求，但工程量有差別。

各接地網(wǎng)接地電阻及經(jīng)濟指標對比見表5。

表5 各類型接地網(wǎng)接地電阻及經(jīng)濟指標

可以看出，在都滿足接地電阻的最低要求條件下，雙層地網(wǎng)的經(jīng)濟技術(shù)指標最優(yōu)，深井接地最差。

5.3 接觸電勢校驗

經(jīng)仿真計算，常規(guī)模型的接地網(wǎng)接觸電勢校核不滿足要求，其余各類接地網(wǎng)模型各有優(yōu)劣，校核結(jié)果如下。

5.3.1 常規(guī)接地網(wǎng)模型

如圖4所示，接地網(wǎng)范圍內(nèi)最低接觸電勢為3 260 V，最高超20 000 V，遠大于安全閥值908 V，校驗不合格。

圖4 常規(guī)接地網(wǎng)模型接觸電勢二維色塊

5.3.2 深井接地模型

如圖5所示，接地網(wǎng)范圍內(nèi)接觸電勢均小于安全閥值908 V，校驗合格。

圖5 深井接地模型接觸電勢二維色塊

5.3.3 外引接地模型

如圖6所示，接地網(wǎng)范圍部分區(qū)域接觸電勢小于安全閥值908 V，但部分區(qū)域最高超過2 000 V，校核不合格。

圖6 外引接地模型接觸電勢二維色塊

5.3.4 雙層接地模型

如圖7所示，接地網(wǎng)(圍墻)范圍內(nèi)接觸電勢全部小于安全閥值908V，校驗合格。

圖7 雙層地網(wǎng)模型接觸電勢二維色塊

綜上，在接觸電勢校驗中，常規(guī)接地網(wǎng)模型指標最差，完全不滿足安全閥值的要求；外引接地次之，不完全滿足；深井接地和雙層接地最好，完全滿足。

結(jié)合經(jīng)濟技術(shù)指標綜合考慮，在復(fù)雜艱險山區(qū)牽引變電所的各類接地網(wǎng)模型中，雙層地網(wǎng)是指標最優(yōu)的，工程造價也最低。

6 結(jié)論

2017年底開通的西安至成都高速鐵路為我國第一條穿越秦嶺的高速鐵路，越嶺地段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有典型的復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路特點。其中秦嶺內(nèi)的佛坪牽引變電所填方高度達到8 m，其接地網(wǎng)就采用了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)[16]。根據(jù)西成高鐵驗收實測數(shù)據(jù)，佛坪牽引變電所接地電阻為0.42 Ω，與仿真計算結(jié)果基本吻合，驗證了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的有效性。在開通1年以后運營單位對佛坪牽引變電所接地電阻進行了復(fù)測，其值基本無變化，驗證了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能的持久性。

一般情況下下層土壤對變電所地網(wǎng)的影響更大。

針對復(fù)雜艱險山區(qū)的高填方牽引變電所，雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有效利用了電阻率更低的底層土壤，打通了短路電流擴散至大地的路徑，并且將變電站接地體形狀由平面的 “網(wǎng)”狀變?yōu)榱Ⅲw的“籠”狀，對整個接地系統(tǒng)的性能改善非常有利，還很好地適應(yīng)了地形受限的環(huán)境特點。由于雙層接地網(wǎng)是從接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、形狀上對接地系統(tǒng)進行改善，因此其效果是最直接也是最持久的，其造價較低，工程實施難度小，效果明顯，非常適合在有高填方工程的牽引變電所推廣采用。