地下車站頂板上方設(shè)置 人工接地網(wǎng)的合理性研究

陳 霞，何治新，周 丹，鄧 樹，崖尚松，王 偉

（1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010；2. 北京市金合益科技發(fā)展有限公司，北京 100160）

地下車站是指位于地表以下的城市軌道交通車站，即地鐵站，地下車站的接地包括信號、通信等設(shè)備的屏蔽接地、邏輯接地、信號接地和基準電位接地、防雷接地和各個電壓等級的保護接地。地下車站的接地系統(tǒng)電阻值要求小于1 Ω，這一規(guī)定數(shù)值的形成一方面是我國城市軌道交通行業(yè)在早期參考其他國家的工程經(jīng)驗，另一方面則是參考相關(guān)國家標準[1-4]。

地下車站的接地網(wǎng)一般情況下位于維護結(jié)構(gòu)內(nèi)的站臺底板下方，也有將接地網(wǎng)設(shè)置在車站建筑結(jié)構(gòu)頂板上方的工程案例[5]，之所以將接地網(wǎng)設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)頂板上方，是因為接地網(wǎng)埋設(shè)在站臺底板下方的條件不允許，比如車站所處位置地下為巖石，開挖較為困難，或者是土壤電阻率較高，土建投資或降阻工作的開展較為困難等。例如廣州市的天河地鐵站便是由于站下土壤電阻率偏高，將接地網(wǎng)設(shè)置在車站建筑結(jié)構(gòu)頂板上方[6]。

伴隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市軌道交通行業(yè)也迅速發(fā)展，但是可供城市軌道交通線路選擇的區(qū)域、地層位置也日趨縮減，車站站址所處位置的土壤環(huán)境可能會較差，由此帶來城市軌道交通線路規(guī)劃中一系列難題。與之相關(guān)的便是在城市軌道交通中的車站接地網(wǎng)設(shè)計，大部分的工程均采用底板下接地網(wǎng)方案，當(dāng)車站底板下方土質(zhì)為風(fēng)化巖、電阻率較高時，會使得車站人工接地網(wǎng)的電阻值偏大，伴隨的便是一系列的降阻工程，可能會面臨開挖困難、土建投資增加較大等難題，這時便可以考慮將人工接地網(wǎng)敷設(shè)在車站頂板上方。

本文從仿真試驗的角度對接地網(wǎng)設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)頂板上方的情況進行研究。CDEGS仿真軟件由加拿大安全工程服務(wù)與技術(shù)有限公司(加拿大SES公司)歷時數(shù)年研發(fā)，應(yīng)用CDEGS軟件可以進行的具體研究包括：大型變電站、發(fā)電站以及各類建筑物的防雷、接地系統(tǒng)安全性評估及其分析；雷擊等暫態(tài)分析；共用走廊內(nèi)的鐵路、輸電線路、石油管道、通信線路、天然氣管道之間的電磁干擾和防護措施分析；各類電磁場計算等，故選擇CDEGS軟件，在CDEGS軟件中建立起頂板上方地鐵接地網(wǎng)的仿真試驗?zāi)Ｐ?，分析滿足這一設(shè)計的可行性條件，主要是電氣參數(shù)方面的可行性：對可能影響接地網(wǎng)工頻接地電阻值的因素以及接觸電壓、跨步電壓等安全性參數(shù)進行校核，對土壤電阻率、土壤厚度及接地網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸及規(guī)格等可能影響接地電阻的因素展開對比分析，并總結(jié)出接地網(wǎng)設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)頂板上方時滿足電氣參數(shù)的適用性條件。研究結(jié)論可以為該類地下車站接地網(wǎng)的設(shè)計和施工提供參考，有助于工程實際中在車站結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)置接地網(wǎng)的設(shè)計與施工指導(dǎo)，具有工程實踐應(yīng)用價值。

1 地下車站接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及研究方案概述

1.1 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡介

地下車站的接地由兩部分構(gòu)成：一部分是自然接地裝置，由車站建筑主體內(nèi)部的鋼筋和附屬結(jié)構(gòu)鋼材組成；另一部分便是埋設(shè)的人工接地網(wǎng)。測量接地電阻時人工接地網(wǎng)和自然接地裝置應(yīng)該分別獨立測量，本文主要研究的是人工接地網(wǎng)的相關(guān)電氣參數(shù)。

1.1.1 接地網(wǎng)位于結(jié)構(gòu)底板下方

地下車站的人工接地網(wǎng)一般都設(shè)計在車站建筑基坑墊層和結(jié)構(gòu)底板的下方，位于車站變電所投影區(qū)域下方，由水平接地體、垂直接地體和接地引出裝置所構(gòu)成，并且水平接地體距離結(jié)構(gòu)底板要大于0.8 m，即埋深大于0.8 m，接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和各部分示意如圖1所示。接地引出裝置通常在站臺板下夾層內(nèi)電纜井附近或站臺層強電及弱電設(shè)備用房下電纜夾層內(nèi)邊緣處引出，并且需要避開地鐵軌道、建筑結(jié)構(gòu)墻、風(fēng)道和樁基礎(chǔ)等。一般情況下車站接地網(wǎng)共有6處接地引出：如圖1中的P1、P2和P3是變電所強電設(shè)備接地引出線，P4、P5和P6是弱電設(shè)備接地引出線。每組弱電設(shè)備引出線和強電設(shè)備引出線之間的距離應(yīng)大于20 m。

圖1 地下車站的人工接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及各部分示意 Figure 1 Manual grounding grid structure of underground station and its composition

1.1.2 接地網(wǎng)位于結(jié)構(gòu)頂板上方

車站結(jié)構(gòu)頂板上方鋪設(shè)接地網(wǎng)和底板下的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體相同，只是所處位置的區(qū)別，頂板上接地網(wǎng)可以在車站建筑整體澆筑完成后再進行施工，即接地電阻測量工作可以在最后進行，不會影響建筑分段施工進度。接地網(wǎng)的回填土壤可以選用低電阻率的土壤或者降阻劑，接地絕緣引出裝置可以通過車站通風(fēng)井等引出。但是在結(jié)構(gòu)頂板上方埋設(shè)接地網(wǎng)時，頂板上方的土壤厚度要滿足接地網(wǎng)埋深的相關(guān)要求，否則這一接地網(wǎng)埋設(shè)方案便不能實施。

1.2 研究方案

關(guān)于地下車站中接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和所處位置的分析，參考文獻[5]、文獻[7]中的相關(guān)參數(shù)，在CDEGS軟件中建立起地下車站的接地網(wǎng)模型，如圖2所示，包括水平接地網(wǎng)和若干垂直接地體，其中垂直接地體材質(zhì)是直徑50 mm、壁厚5 mm的銅管材，水平接地網(wǎng)的材質(zhì)是截面為50 mm×5 mm矩形的銅材。

圖2 CDEGS軟件中建立的地下車站接地網(wǎng)仿真計算模型 Figure 2 Simulation calculation model of underground station grounding grid established by using CDEGS software

由于在CDEGS軟件中無法直接建立截面為矩形的材質(zhì)模型，故在此需要通過文獻[8]中的等效公式，如式(1)，將水平接地網(wǎng)中截面積為矩形的銅材等效換算成截面為圓形的銅材，等效換算后的水平接地網(wǎng)導(dǎo)體是直徑為25 mm的圓形截面。

式中：d為直徑；b為矩形長度。

本文主要希望通過改變接地網(wǎng)所處區(qū)域的各項參數(shù)，來研究將接地網(wǎng)置于車站結(jié)構(gòu)頂板上方的可行性和適用性條件，首先需要對比相同參數(shù)的接地網(wǎng)位于車站底板下方和頂板上方時的接地電阻值，做出定性判斷；之后再具體研究接地網(wǎng)位于車站頂板上方時的情況，分析接地網(wǎng)埋深、土壤電阻率、接地網(wǎng)參數(shù)等因素對接地電阻的影響；最后再對接地網(wǎng)埋設(shè)于車站頂板上方時的安全性參數(shù)展開校核，例如接觸電壓、跨步電壓等。

2 影響接地電阻的因素

2.1 接地網(wǎng)位置及土壤電阻率

按照1.2節(jié)中建立的仿真計算模型，首先展開接地網(wǎng)分別位于車站底板下方和車站結(jié)構(gòu)頂板上方時，兩種情況的工頻接地電阻值對比研究。通過CDEGS軟件中的土壤電阻率水平分層功能對地下車站及其周圍的土壤電阻率進行建模，如圖3中土壤電阻率分層示意原理所示，車站的整個建筑物為混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，將地下車站簡化為長方體空腔結(jié)構(gòu)A，外殼厚度0.5 m，外部長140 m，寬25 m，高8 m，電阻率為2 000 Ω·m，車站建筑物之外便是土壤區(qū)域，可以通過更改土壤的電阻率來計算不同土壤電阻率對應(yīng)的車站接地網(wǎng)工頻接地電阻值[9]。

圖3 地下車站不同的接地網(wǎng)埋深方式剖面及 土壤電阻率分層情況 Figure 3 Profile of different buried depth modes of the grounding grid and soil resistivity stratification of the underground station

將土壤電阻率的變化范圍設(shè)置為50～500 Ω·m，每隔100 Ω·m對接地網(wǎng)的工頻接地電阻值進行計算，匯總得到如圖4中所示的電阻變化情況。從圖4中可以看出，當(dāng)土壤電阻率小于200 Ω·m時，兩種方案的相差較小，接地電阻值相差范圍在65%以內(nèi)；但是當(dāng)土壤電阻率大于300 Ω·m時，兩者的電阻值便出現(xiàn)了 更大的變化，以土壤電阻率500 Ω·m為例，頂板上接地網(wǎng)電阻值比頂板下接地網(wǎng)電阻值大77.5%，并且這一區(qū)別隨著土壤電阻率的增加而繼續(xù)變大。這主要是由于頂板上方的土壤厚度有限，該模型下的頂板上方覆土僅有5 m，接地體的散流區(qū)域有限，而接地網(wǎng)位于底板以下時，故障電流沿下方土壤的散流相對不受土壤厚度的限制。

圖4 接地網(wǎng)的工頻接地電阻值隨土壤電阻率的變化情況 Figure 4 Variation in power frequency grounding resistance of the grounding grid with soil resistivity

上文中分析了站址土壤電阻率為固定值時的頂板上接地網(wǎng)和底板下接地網(wǎng)電阻值差異情況，繼續(xù)分析在車站結(jié)構(gòu)頂板上方回填低電阻率填料后的接地網(wǎng)電阻值變化情況。工程實際中，車站頂板上方回填多為素土、粉質(zhì)黏土等低電阻率土壤，同樣使用圖3中的接地網(wǎng)模型進行仿真計算，保持站址周圍的土壤電阻率不變，通過在模型中更改車站結(jié)構(gòu)頂板上方的土壤電阻率來達到對比分析的效果。如表1中所示，列出了回填不同的低電阻率土壤后對應(yīng)的接地網(wǎng)接地電阻的數(shù)值，將其繪制在圖4中進行對比：從圖4中可以直觀地看出，在車站結(jié)構(gòu)頂板上方回填40 Ω·m和80 Ω·m的低電阻率土壤時，接地網(wǎng)的接地電阻值相比不回填低電阻率土壤時出現(xiàn)了明顯的下降，并且回填低電阻率土壤后，頂板上接地網(wǎng)的電阻值接近底板下接地網(wǎng)的電阻值，例如當(dāng)站址土壤電阻率為400 Ω·m時，回填40 Ω·m土壤對應(yīng)的接地電阻值為1.95 Ω，而底板下接地網(wǎng)這一情況對應(yīng)的接地電阻值為1.78 Ω，兩者相差9.6%；當(dāng)站址土壤電阻率為500 Ω·m時，回填40 Ω·m土壤對應(yīng)的接地電阻值為2.19 Ω，而底板下接地網(wǎng)這一情況對應(yīng)的接地電阻值為2.16 Ω，兩者相差僅為1.4%。證明當(dāng)站址周圍的土壤電阻率較高時，接地網(wǎng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂板上方回填低電阻率土壤、底板下設(shè)置接地網(wǎng)這兩種情況的接地電阻值相差較小，證明當(dāng)站址周圍土壤電阻率較高時，可將接地網(wǎng)設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)頂板上方并回填低電阻率土壤，是可行的。

表1 回填不同土壤電阻率的土壤時對應(yīng)的接地網(wǎng)接地電阻值 Table 1 Corresponding grounding resistance value of grounding grid when backfilling soil with different soil resistivity

2.2 土壤厚度

根據(jù)2.1節(jié)中的分析結(jié)論，地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方的覆土厚度是影響接地網(wǎng)電阻值的一方面因素，所以本節(jié)針對地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方的覆土厚度對電阻值的影響進行計算分析。采用控制變量法研究土壤厚度對接地電阻值的影響，假設(shè)土壤的電阻率為均勻分布，為100 Ω·m；接地網(wǎng)中的水平接地體距離地表始終為0.8 m；當(dāng)車站建筑結(jié)構(gòu)頂板上方的覆土厚度從4 m增至9 m時，接地網(wǎng)的工頻接地電阻值變化如圖5中所示。

圖5 接地電阻值隨頂板上方覆土厚度的變化情況 Figure 5 Variation in grounding resistance value with the thickness of soil covering above the top plate

如果以文獻[6]、[7]中所建議的1 Ω作為接地網(wǎng)的工頻接地電阻達標臨界值，那么當(dāng)車站結(jié)構(gòu)頂板上方的覆蓋土壤厚度大于4.2 m時，該種接地網(wǎng)的接地電阻值才能達標。不過這一土壤厚度臨界值僅適用于土壤電阻率為100 Ω·m時的場景，土壤厚度臨界值勢必隨著土壤電阻率的變化而變化。繼續(xù)研究不同土壤電阻率時的覆土厚度臨界值，將計算得到的數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?中所示，可見當(dāng)土壤電阻率的數(shù)值逐漸增大時，所要求的車站結(jié)構(gòu)頂板上方覆土厚度也逐漸增厚，并且土壤厚度隨土壤電阻率的變化關(guān)系幾乎是呈指數(shù)形式的，擬合關(guān)系式為：y=2.9474e0.0041x，但是在工程實踐中覆土厚度不可能無限制增加，一方面是考慮到地下車站主體建筑的設(shè)計埋深問題，另一方面則是考慮到上方覆土厚度增加所引起的建筑物載荷極限。不過由于覆土區(qū)域有限，可以通過在頂板上方回填低電阻率的土壤或者降阻劑等來降低土壤電阻率，進而達到降低覆土厚度的目的，具體工程應(yīng)用中可以參考表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)有序進行。

表2 不同土壤電阻率所對應(yīng)的頂板上方覆土厚度臨界值 Table 2 Critical value of overburden thickness above the roof corresponding to different soil resistivities

2.3 接地網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸及規(guī)格

除了土壤電阻率、土壤厚度等參數(shù)之外，接地網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)格的尺寸和規(guī)格也是影響接地電阻值的因素 之一，上文中所計算模型中的水平接地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為10 m×15 m，水平導(dǎo)體的直徑為35 mm。保持水平接地網(wǎng)的外緣尺寸為150 m×30 m，固定土壤厚度為5 m，固定土壤電阻率為100 Ω·m，通過改變水平接地網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸和導(dǎo)體直徑來研究其對接地電阻值的影響。

2.3.1 網(wǎng)格尺寸

通過圖2所示接地網(wǎng)模型中增加若干橫向?qū)w和縱向?qū)w，具體的導(dǎo)體數(shù)目和網(wǎng)格尺寸如表3所示，對接地網(wǎng)的接地電阻值進行仿真計算，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 不同接地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸所對應(yīng)的接地電阻值 Table 3 Grounding resistance corresponding to different grid sizes of the grounding grid

分析表3中的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)接地網(wǎng)的網(wǎng)格逐漸加密時，接地網(wǎng)的接地電阻值變化并不明顯，電阻值均為0.82～0.83 Ω，例如，當(dāng)接地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為8.8 m× 10 m時的電阻值為0.824 8 Ω，比網(wǎng)格尺寸11.5 m× 15 m時所對應(yīng)的電阻值0.834 1 Ω僅降低了1.1%。這一計算結(jié)果證明通過加密接地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸的方法進行降阻的效果甚微，應(yīng)用該種方法進行降阻時可以參考此計算結(jié)果。

2.3.2 接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑

研究接地網(wǎng)中水平導(dǎo)體的直徑對接地電阻值的影響時，將導(dǎo)體直徑從35 mm分別更改為30 mm、40 mm、50 mm和60 mm，得到對應(yīng)的接地電阻值如圖6所示。分析可知，增加導(dǎo)體直徑對于降阻有一定的作用，例如導(dǎo)體直徑為60 mm相比于30 mm的接地網(wǎng)電阻值僅降低了1.07%，可見在這種土壤計算條件下，通過增加接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑來進行降阻幾乎沒有任何效果。在工程實踐中增加接地網(wǎng)的導(dǎo)體直徑可以增長接地網(wǎng)的腐蝕斷裂年限，延長接地網(wǎng)的服役時間，但是進行應(yīng)用時仍需要綜合衡量經(jīng)濟成本與降阻效果之間的關(guān)系進行合理選擇。

圖6 接地電阻值隨接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑的變化情況 Figure 6 Variation in the grounding resistance value with grounding grid conductor diameter

3 接觸電壓和跨步電壓的安全性要求

由于接地網(wǎng)位于車站結(jié)構(gòu)頂板以上、地表以下，需要考慮故障電流通過接地網(wǎng)散流時地表上方接觸電壓和跨步電壓等安全性參數(shù)的分布情況。

有相關(guān)文獻中對變電站內(nèi)的接觸電壓和跨步電壓限值做了規(guī)定：不應(yīng)該超過式(2)和式(3)計算所得到的數(shù)值[10-11]。對于車站接地網(wǎng)對應(yīng)地表的接觸電壓和跨步電壓安全限值分析也可以參考這一規(guī)定。

式中：Ut為接觸電壓允許值，V；Us為跨步電壓允許值，V；ρs為地表鋪設(shè)層的電阻率，Ω·m；Cs為表層衰減因數(shù)；ρ為地表鋪設(shè)層下面的土壤電阻率(相當(dāng)于未鋪設(shè)高阻層時的表層土壤電阻率)，Ω·m；hs為地表鋪設(shè)層的厚度，m；t為入地故障電流持續(xù)時間，取值0.3 s。

當(dāng)工作人員位于接地網(wǎng)上方的地表時，人腳與地面接觸處的土壤電阻率ρs是一個變化參數(shù)，如表4所示，列出了不同的表層土壤電阻率ρs下所對應(yīng)的接觸電壓和跨步電壓安全限值。分析表4中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)入地故障電流持續(xù)時間固定時，表層土壤電阻率對于接觸電壓和跨步電壓的安全限值幾乎起到了決定性作用，表層土壤電阻率為5 000 Ω·m時的接觸電壓是表層土壤電阻率1 000 Ω·m時的2.97倍，跨步電壓的2.42倍。因此可以通過在地表鋪設(shè)高阻層來達到提高接觸電壓和跨步電壓的安全限值的作用。事實上，瀝青混凝土、礫石等材質(zhì)的電阻率在5 000 Ω·m左右，因此可以將仿真計算時的地表土壤電阻率設(shè)置為5 000 Ω·m，來模仿實際中在地表鋪設(shè)瀝青混凝土的情況[12]。限值2 707.01 V。故可以判斷出在最嚴重的短路故障情況下，地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)置人工接地網(wǎng)也能使地表的接觸電壓和跨步電壓限值在安全范圍以內(nèi)，不會存在由于故障電流流入接地網(wǎng)而引起地表上方工作人員的觸電事故。

表4 不同表層土壤電阻率所對應(yīng)的接觸電壓和 跨步電壓安全限值 Table 4 Safety limits of contact voltage and step voltage corresponding to different surface soil resistivities

地下車站的中壓供電等級為35 kV，當(dāng)發(fā)生嚴重接地短路接地故障時，設(shè)置流入接地網(wǎng)的故障電流值為3 kA，由此計算出對應(yīng)的地表接觸電壓和跨步電壓分布情況，分別如圖7、8所示。從圖7中可以得知，接地網(wǎng)上方各區(qū)域接觸電壓最大值為487 V，遠低于安全限值1 869.56 V；從圖8中可以得知，接地網(wǎng)上方各區(qū)域跨步電壓最大值為64.1 V，同樣遠低于安全

圖7 接地網(wǎng)上方接觸電壓分布 Figure 7 Distribution of touch voltage on the grounding grid

圖8 接地網(wǎng)上方跨步電壓分布 Figure 8 Distribution of step voltage on the grounding grid

4 結(jié)論

本文借助專業(yè)的接地分析軟件CDEGS，對地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)置人工接地網(wǎng)的電氣參數(shù)合理性進行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明：

1) 在文中研究模型下，當(dāng)土壤電阻率在100～500 Ω·m范圍內(nèi)變化時，接地網(wǎng)設(shè)置在底板以下或結(jié)構(gòu)頂板上方時，兩者的接地電阻具有差別，約70%。

2) 可以通過在結(jié)構(gòu)頂板上方回填低電阻率的土壤、增加覆土厚度等措施將接地網(wǎng)的工頻接地電阻值限制在合理范圍之內(nèi)，當(dāng)站址土壤電阻率為400～500 Ω·m時，結(jié)構(gòu)頂板上方接地網(wǎng)和底板下方接地網(wǎng)的接地電阻相差小于10%。

3) 在文中研究模型下，在地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)置接地網(wǎng)時，當(dāng)發(fā)生嚴重的短路接地故障時，地表上方的接觸電壓和跨步電壓等安全性參數(shù)均遠低于安全限值。

綜合分析可以得出：地下車站結(jié)構(gòu)頂板上方設(shè)置人工接地網(wǎng)這一設(shè)計可以滿足接地網(wǎng)電氣參數(shù)的相關(guān)要求，這一結(jié)論對于類似的工程問題具有可借鑒價值，但是在具體的工程實踐中，可能會存在車站建筑設(shè)計不同、接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同等條件的約束，與本文中的研究工作會有所區(qū)別，因此在工程實踐仍然需要具體問題具體分析，需要建立適合于本工程的接地網(wǎng)模型來細化研究。