高速鐵路運(yùn)行牽引變電站接地安全測(cè)量計(jì)算分析

王建國(guó),郭 星,樊亞?wèn)|,陳 文,溫建民,張華志

(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)

引言

高速鐵路沿線牽引變電站接地網(wǎng)是動(dòng)車組列車安全運(yùn)行、電氣設(shè)備安全正常工作和人員人身安全的重要設(shè)施，研究牽引變電站接地網(wǎng)安全校驗(yàn)技術(shù)具有重要意義。我國(guó)鐵路行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，牽引變電站施工完成后須測(cè)量變電站接地網(wǎng)的工頻接地阻抗，并規(guī)定接地阻抗須低于0.5 Ω[1-2]，沿用于電力系統(tǒng)對(duì)變電站接地阻抗的安全限值[3]。

我國(guó)高速鐵路在投入運(yùn)行時(shí)會(huì)構(gòu)建綜合接地系統(tǒng)，將高鐵沿線牽引供電回流系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信及其他電子信息系統(tǒng)、建筑物、道床、站臺(tái)、橋梁、隧道、聲屏障等需要接地的裝置通過(guò)貫通地線連成一體，并規(guī)定綜合接地系統(tǒng)接地阻抗不大于1 Ω[1]。因此，牽引變電站投入運(yùn)行后，其接地阻抗低于1 Ω。

高鐵牽引變電站接地網(wǎng)與電力系統(tǒng)變電站接地網(wǎng)有很大不同，首先由于牽引變電站設(shè)備數(shù)量的局限性，場(chǎng)坪面積規(guī)模要小很多，當(dāng)土壤電阻率偏高時(shí)其接地阻抗便很難低于0.5 Ω，只有采用非常規(guī)降阻手段，但需花費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)和工程代價(jià)。其次，高鐵沿線變電站在投入運(yùn)行時(shí)會(huì)接入綜合接地系統(tǒng)，是否還有必要繼續(xù)沿用對(duì)變電站接地阻抗的0.5 Ω限值，有待商榷。

近年來(lái)不少文獻(xiàn)致力于研究降低高土壤電阻率地區(qū)和高寒凍土地區(qū)牽引變電站的接地阻抗。謝暉提出在牽引變電站敷設(shè)雙層復(fù)合接地網(wǎng)，以解決變電站接地阻抗和地表電位分布等問(wèn)題[4]。郝帥采用更換土壤并在變電站場(chǎng)坪外敷設(shè)相同面積的水平接地網(wǎng)等措施，使接地阻抗達(dá)到規(guī)范要求[5]。侯峰等提出先校驗(yàn)牽引變電站的接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)，反推出滿足規(guī)范要求的接地阻抗值，然后在此條件下進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì)[6]。丁峰認(rèn)為對(duì)牽引變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)避免只簡(jiǎn)單注重接地電阻值，而忽視對(duì)地電位分布的分析[7]。羅欣提出對(duì)土壤電阻率偏高地區(qū)的牽引變電站，應(yīng)重點(diǎn)分析計(jì)算站內(nèi)接觸電位差、跨步電位差和轉(zhuǎn)移電勢(shì)，當(dāng)這些參數(shù)均滿足要求時(shí)可稍微放寬接地阻抗的限值[8-11]。

我國(guó)高速鐵路沿線牽引變電站投入運(yùn)行時(shí)其接地網(wǎng)接入綜合接地系統(tǒng)，變電站的接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際已發(fā)生巨大變化，對(duì)牽引變電站的接地安全校驗(yàn)應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮，避免只簡(jiǎn)單注重接地阻抗值?？偨Y(jié)歸納一套系統(tǒng)合理且切實(shí)可行的高鐵牽引變電站接地安全性評(píng)估校驗(yàn)方法，顯得勢(shì)在必行[12-15]。

同時(shí)我國(guó)高速鐵路行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范未給予牽引變電站電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線足夠重視，至今未有標(biāo)準(zhǔn)明確要求牽引變電站電源進(jìn)線避雷線是否應(yīng)該與變電站接地網(wǎng)連接，造成高鐵沿線部分牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線，而部分牽引變電站接地網(wǎng)不連接電源進(jìn)線避雷線。

當(dāng)牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，入地電流主要通過(guò)牽引變電站接地網(wǎng)、綜合接地系統(tǒng)和電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線向大地散流，經(jīng)變電站接地網(wǎng)向大地散流的電流將在變電站內(nèi)引起地電位升、接觸電壓和跨步電壓。因此，準(zhǔn)確測(cè)量得到牽引變電站分流系數(shù)對(duì)評(píng)估變電站的接地安全性至關(guān)重要[15-17]。

本文對(duì)深茂高鐵江茂段沿線馬踏和合山牽引變電站開(kāi)展接地安全性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與數(shù)值仿真計(jì)算分析，以歸納總結(jié)一套系統(tǒng)的牽引變電站安全性評(píng)估校驗(yàn)方法，為相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考[20]。其中，馬踏牽引變電站接地網(wǎng)與兩路電源進(jìn)線避雷線不連接，合山牽引變電站接地網(wǎng)與兩路電源進(jìn)線避雷線連接。

1 測(cè)量與計(jì)算方法

馬踏牽引變電站和合山牽引變電站位于廣東深茂高鐵沿線，兩牽引變電所接地網(wǎng)采用相同設(shè)計(jì)，如圖1所示。地網(wǎng)長(zhǎng)74 m、寬60 m，埋深0.8 m，總面積4 440 m2。水平接地體為橫截面150 mm2銅絞線，總長(zhǎng)1 170 m。垂直接地極采用φ17.2 mm、長(zhǎng)2.5 m純銅棒，共計(jì)44根。

在馬踏和合山牽引變電站站址處，采用DET2/2全自動(dòng)數(shù)字式接地電阻測(cè)試儀，依據(jù)等距Wenner四極法測(cè)量變電站站址處土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并在CDEGS中分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以確定等效水平分層土壤結(jié)構(gòu)。

采用8000型接地裝置特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，在牽引變電站綜合接地箱處注入類工頻電流，采用夾角法布線測(cè)量?jī)蔂恳冸娬镜慕拥刈杩?。在CDEGS中搭建牽引變電站接地裝置數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合測(cè)量分析的站址土壤分層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算兩牽引變電站接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和地電位升等。

在牽引變電站內(nèi)綜合接地箱處，通過(guò)電纜將牽引變電站接地網(wǎng)與貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線連接。馬踏牽引變電站接地網(wǎng)與兩路110 kV電源進(jìn)線避雷線不連接，通過(guò)絕緣子串隔離，如圖2所示。合山牽引變電站接地網(wǎng)與兩路110 kV電源進(jìn)線避雷線通過(guò)電纜連接，如圖3所示。當(dāng)牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，入地電流主要通過(guò)牽引變電站接地網(wǎng)、綜合接地系統(tǒng)和電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線向大地散流，其中綜合接地系統(tǒng)主要包括貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線等[18-19]。

測(cè)量變電站分流系數(shù)時(shí)，仍采用8000型接地裝置特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，并結(jié)合4023耦合變壓器、4024大功率信號(hào)源、可調(diào)頻率萬(wàn)用表和柔性ROGOWSKI線圈等，測(cè)量變電站接地網(wǎng)、鐵路貫通地線、鋼軌回流線、架空回流線以及電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線對(duì)應(yīng)的電流分流，計(jì)算分析得到各部分對(duì)應(yīng)的分流系數(shù)。

圖1 馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)置(單位：m)

圖2 馬踏牽引變電站接地網(wǎng)不連接電源進(jìn)線避雷線

圖3 合山牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線

2 測(cè)量與計(jì)算結(jié)果

馬踏和合山牽引變電站站址處土壤結(jié)構(gòu)測(cè)量及分析結(jié)果見(jiàn)表1，馬踏牽引變電站處土壤結(jié)構(gòu)等效為水平五層分層結(jié)構(gòu)，合山牽引變電站處土壤結(jié)構(gòu)等效為水平三層分層結(jié)構(gòu)。

表1 牽引變電站土壤結(jié)構(gòu)測(cè)量分析結(jié)果

馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測(cè)量和仿真數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。馬踏牽引變電站接地阻抗的測(cè)量值和數(shù)值計(jì)算值分別為1.885 Ω和1.903 Ω，合山牽引變電站接地阻抗的測(cè)量值和數(shù)值計(jì)算值分別為1.835 Ω和1.845 Ω。牽引變電站工頻接地阻抗均遠(yuǎn)大于0.5 Ω，不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。同時(shí)由測(cè)量計(jì)算可知，馬踏和合山牽引變電站接地阻抗非常相近，分別為1.885 Ω和1.835 Ω。

表2 馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測(cè)量和計(jì)算結(jié)果

兩牽引變電站選址和施工非常相近，均位于兩個(gè)被削平的山頭上方，站址處以沙土礫石為主，變電站站址處土壤電阻率明顯偏高，同時(shí)兩變電站接地網(wǎng)未采用額外降阻措施，導(dǎo)致兩變電站接地阻抗顯著高于標(biāo)準(zhǔn)限值。

馬踏和合山牽引變電站分流系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。馬踏牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)為32.33%，綜合接地系統(tǒng)分流系數(shù)為70.08%，其中貫通地線、架空回流線和鋼軌回流線分別為21.18%、22.88%和26.02%。合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)為14.33%，綜合接地系統(tǒng)為66.24%，電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線為21.56%，電源進(jìn)線避雷線分流系數(shù)高于變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)。

表3 馬踏和合山牽引變電站分流系數(shù)測(cè)量結(jié)果

馬踏和合山兩牽引變電站接地阻抗非常相近，分析比較分流系數(shù)測(cè)量結(jié)果可知：牽引變電站接地網(wǎng)與電源進(jìn)線避雷線連接與否對(duì)變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)影響巨大，對(duì)綜合接地系統(tǒng)分流系數(shù)影響比較小。變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線后，變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)顯著下降，馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)分別為32.33%和14.33%，相差18.00%。

3 牽引變電站接地安全分析校驗(yàn)

馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)分別為32.33%和14.33%，當(dāng)牽引變電站內(nèi)入地短路為7 000 A時(shí)，經(jīng)變電站接地網(wǎng)向大地散流的電流分別為2 263.1 A和1 003.1 A。在CDEGS中建立牽引變電站接地網(wǎng)數(shù)值計(jì)算模型，仿真計(jì)算牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，變電站內(nèi)地電位升、接觸電壓和跨步電壓分布分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 馬踏和合山牽引變電站地電位升分布

圖5 馬踏和合山牽引變電站接觸電壓分布

圖6 馬踏和合山牽引變電站跨步電壓分布

牽引變電站內(nèi)最大地電位升和網(wǎng)內(nèi)電勢(shì)差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。合山牽引變電站最大地電位升為1 840.1 V，低于2 000 V。馬踏牽引變電站最大地電位升為4 245.2 V，高于2 000 V但低于5 000 V：根據(jù)GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)變電站接地網(wǎng)電位升高于2 kV但低于5 kV時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步校驗(yàn)變電站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓，確保低于安全限值，以保證人身和設(shè)備安全[3]。此外，馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)內(nèi)最大電勢(shì)差分別為1.81 V和0.78 V。因此，牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線后，站內(nèi)最大地電位升和接地網(wǎng)內(nèi)最大電勢(shì)差均顯著下降，降幅分別高達(dá)56.65%和56.91%。

表4 牽引變電站接地網(wǎng)地電位升仿真計(jì)算結(jié)果

在馬踏和合山牽引變電站院內(nèi)，設(shè)置瀝青高阻層，厚20 cm，電阻率為5 000 Ω·m。兩牽引變電站發(fā)生接地短路故障時(shí)，短路電流最大持續(xù)時(shí)間為0.1 s。由以上可計(jì)算得到馬踏和合山牽引變電站接觸電壓和跨步電壓的安全限值，見(jiàn)表5[2，21]。變電站接地網(wǎng)邊角處和短路電流入地處附近最大接觸電壓和最大跨步電壓統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表6。

馬踏牽引變電站內(nèi)接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為2 826.5 V和602.4 V，合山牽引變電站內(nèi)接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為1 375.9 V和316.7 V。馬踏和合山站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓均低于標(biāo)準(zhǔn)安全限值。比較可知，牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線可顯著降低站內(nèi)最大接觸電壓和最大跨步電壓，降幅分別為51.32%和47.43%。

由以上分析可知，馬踏和合山牽引變電站內(nèi)的接觸電壓、跨步電壓和地電位升等接地安全指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在完成以上接地安全性校驗(yàn)之后兩變電站已經(jīng)投入運(yùn)行，深茂高鐵江茂段現(xiàn)已通車運(yùn)營(yíng)。

表5 牽引變電站接觸電壓和跨步電壓安全限值 V

表6 牽引變電站不同位置接觸電壓和跨步電壓最大值

4 結(jié)論

(1)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗(yàn)應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮，避免只簡(jiǎn)單注重接地阻抗值是否低于0.5 Ω。

(2)高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)應(yīng)與電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線連接，此舉將顯著降低變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)以及站內(nèi)接觸電壓、跨步電壓和地電位升，降幅分別為51.32%，47.43%和56.65%。

(3)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗(yàn)，建議遵循以下步驟方法：在準(zhǔn)確測(cè)量變電站場(chǎng)址土壤結(jié)構(gòu)和變電站分流系數(shù)的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值仿真分析軟件，來(lái)評(píng)估校驗(yàn)變電站接地安全性。