地鐵車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討及案例分析

鄭 悅

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，河南 鄭州 450001）

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市軌道交通已經(jīng)成為大型城市基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的部分，地鐵車站集供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)等各類功能系統(tǒng)于一體，各功能系統(tǒng)的正常運(yùn)行都必須滿足其對(duì)接地要求，同時(shí)要保障地鐵車站人員的人身安全和設(shè)備正常運(yùn)行，地鐵綜合接地設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)地鐵設(shè)計(jì)來說尤其重要。以鄭州地鐵12號(hào)線西周站為例，從設(shè)計(jì)角度對(duì)地鐵車站綜合接地系統(tǒng)進(jìn)行研究討論，并對(duì)接地裝置跨越結(jié)構(gòu)變形縫的處理措施進(jìn)行分析，提出綜合接地設(shè)計(jì)方案。

1 地鐵綜合接地的作用

民用建筑的電氣設(shè)計(jì)及低壓配電系統(tǒng)中，接地措施必不可少，它是建筑物、設(shè)備及人身安全的有力保證。地鐵車站是集多種機(jī)電系統(tǒng)于一體、設(shè)備管線敷設(shè)集中的公共建筑，其接地系統(tǒng)尤為綜合：有牽引變電所及降壓變電所供電系統(tǒng)的工作接地；有為保證人身安全和設(shè)備安全的保護(hù)接地；有通信信號(hào)系統(tǒng)等弱電設(shè)備的系統(tǒng)接地、邏輯接地、屏蔽接地；有車站地面結(jié)構(gòu)的防雷接地[1]。

目前地鐵工程中普遍采用綜合接地的形式，即上述多種接地共用一個(gè)接地網(wǎng)。它由接地網(wǎng)、接地引出線、接地端子排等部分組成。綜合接地系統(tǒng)在防雷電流、防雜散電流、工作接地等方面均起到重要作用，是地鐵工程人身安全、設(shè)備安全及運(yùn)營可靠性的重要保證[2]。

2 地鐵綜合接地系統(tǒng)的設(shè)置原則

（1）綜合接地裝置的設(shè)計(jì)需要滿足人身安全、設(shè)備安全和運(yùn)營可靠性并兼顧經(jīng)濟(jì)性。

（2）綜合接地系統(tǒng)應(yīng)兼顧雜散電流腐蝕防護(hù)的要求。在接地安全設(shè)計(jì)與電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)發(fā)生矛盾時(shí)，優(yōu)先考慮接地安全設(shè)計(jì)[3]。

（3）車站室外接地網(wǎng)采用人工接地體及自然接地體相結(jié)合的設(shè)計(jì)，車站設(shè)置綜合接地網(wǎng)，強(qiáng)電接地、弱電接地共用室外接地網(wǎng)，構(gòu)成綜合接地網(wǎng)。

（4）變電所、動(dòng)力照明強(qiáng)電系統(tǒng)與通信、信號(hào)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）等弱電系統(tǒng)，共用一組綜合接地裝置。

（5）接地引入線妥善保管，不得丟失、斷裂。強(qiáng)電設(shè)備接地母排設(shè)置在變電所夾層內(nèi)，弱電設(shè)備接地母排設(shè)置于站臺(tái)板下弱電井附近。接地引入線要考慮引上點(diǎn)位置的防水要求。

（6）接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)、弱電設(shè)備接地、保護(hù)接地的要求，綜合接地體電阻值應(yīng)符合其中最小值要求[4]。

3 地鐵綜合接地系統(tǒng)組成

3.1 自然接地體

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定：變電所應(yīng)利用車站結(jié)構(gòu)鋼筋或變電所結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)鋼筋等自然接地極作為接地裝置，并宜敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)。自然接地裝置和人工接地網(wǎng)間應(yīng)采用不少于兩根導(dǎo)體在不同地點(diǎn)相連接。自然接地極與人工接地網(wǎng)的接地電阻值應(yīng)能分別測(cè)量[5]。

有別于其他民用建筑，在地鐵項(xiàng)目中自然接地裝置即為車站的主體結(jié)構(gòu)鋼筋。對(duì)于接地系統(tǒng)，地鐵與其他建筑物的主要區(qū)別在于地鐵的牽引供電系統(tǒng)為750 V或1 500 V的直流供電模式，通過饋電線路送至接觸網(wǎng)，機(jī)車通過受電弓從機(jī)車上方接觸網(wǎng)獲得電力，通過機(jī)車走行軌作為回流線路，將電流引回至牽引變電所從而完成電流的回流[6]。由于走行軌與大地之間無法做到完全絕緣，通過走形軌回流至牽引變電所的電流必有一部分通過大地流回，這就是雜散電流。所以在早期的地鐵設(shè)計(jì)中很大部分接地都只采用人工接地網(wǎng)，未考慮自然接地體。根據(jù)新規(guī)，并結(jié)合雜散電流排流措施，該工程利用自然接地體做綜合接地，其中強(qiáng)電接地母排不少于兩處與車站結(jié)構(gòu)柱鋼筋預(yù)埋件可靠焊接，設(shè)置的人工接地網(wǎng)與車站主體的結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)等自然接地體共用接地系統(tǒng)。

3.2 人工接地網(wǎng)

地鐵車站綜合接地網(wǎng)位于車站主體結(jié)構(gòu)底板墊層的下方或者結(jié)構(gòu)頂板的上方。人工接地網(wǎng)由水平接地體、垂直接地極和接地引出裝置等組成。垂直埋設(shè)的接地極宜采用圓鋼、鋼管、角鋼等，水平埋設(shè)的接地極及其連接導(dǎo)體宜采用扁鋼、圓鋼等[7]。人工接地網(wǎng)的邊緣應(yīng)采用圓弧轉(zhuǎn)角。接地網(wǎng)需要包含變電所房屋投影區(qū)域，接地網(wǎng)的大小直接影響到接地網(wǎng)接地電阻的大小。

3.3 車站等電位聯(lián)結(jié)

3.3.1 弱電設(shè)備接地

地鐵車站其他設(shè)備專業(yè)房間如AFC控制室、綜合監(jiān)控設(shè)備室、車控室、通號(hào)電纜間、通信電源室、信號(hào)設(shè)備室等設(shè)備房?jī)?nèi)均應(yīng)設(shè)置弱電接地端子箱，端子箱的具體規(guī)格以及設(shè)置數(shù)量、位置均由各設(shè)備專業(yè)自行設(shè)計(jì)，各設(shè)備專業(yè)房間內(nèi)弱電接地端子排引出的接地線由各設(shè)備專業(yè)自行設(shè)計(jì)實(shí)施。接地干線采用電纜以手拉手方式將各設(shè)備房屋內(nèi)的弱電端子箱相連，并接入弱電總接線端子排。

3.3.2 局部等電位聯(lián)結(jié)

在電氣設(shè)計(jì)中非常重視等電位聯(lián)結(jié)，通過等電位聯(lián)結(jié)可以消除設(shè)備超額的電位差，它對(duì)用電安全、人身安全、防雷擊侵害、機(jī)電設(shè)備以及弱電設(shè)備的正常工作和安全使用，都是十分有效的保障措施。

地鐵車站面積大、設(shè)備房屋多，在各設(shè)備房屋以及衛(wèi)生間、水泵房?jī)?nèi)都要設(shè)置局部等電位的預(yù)埋，局部等電位端子預(yù)埋件通常設(shè)置在結(jié)構(gòu)柱上，預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)柱內(nèi)兩根主鋼筋可靠聯(lián)結(jié)。房間內(nèi)的金屬設(shè)備外殼等可導(dǎo)電部分就近與局部等電位聯(lián)結(jié)。

4 接地電阻值的確定

國內(nèi)很多地鐵車站接地設(shè)計(jì)中，接地電阻均要求不大于0.5 Ω。該取值并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范作為依據(jù)，只是地鐵建設(shè)早期參照其他國家的做法。有些說法認(rèn)為通信及信號(hào)等專業(yè)的弱電設(shè)備系統(tǒng)除了設(shè)備外殼和線纜屏蔽層的工作接地，還需要有精密集成電路基準(zhǔn)電位的接地，所以接地電阻要求為0.5 Ω[8]。

弱電設(shè)備基準(zhǔn)電位的接地主要是指電路內(nèi)部的高頻電流接地，而非防雷擊電磁沖擊和短路接地。電路內(nèi)部的高頻電流接地的電阻值與工頻接地電阻不同，一味地降低工頻阻值對(duì)提高弱電設(shè)備工作接地效果意義不大。弱電設(shè)備的高頻接地應(yīng)根據(jù)其工作頻段選擇阻抗合適的接地電纜通過接入弱電接地母排（WCE）來實(shí)現(xiàn)接地。因此無需單純?yōu)榱诉_(dá)到更低的阻值而犧牲工程的經(jīng)濟(jì)性或因此而無謂地增加施工難度。

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019）規(guī)定：建筑物各電氣系統(tǒng)的接地，除另有規(guī)定外，應(yīng)采用同一接地裝置，接地裝置的接地電阻應(yīng)符合其中最小值的要求。各系統(tǒng)不能確定接地電阻值時(shí)，接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。研究認(rèn)為地鐵車站接地電阻值按不大于1 Ω設(shè)計(jì)更為合理。

5 鄭州地鐵12號(hào)線車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.1 車站概況

西周站是本線路第4 座車站，地下三層島式車站，車站設(shè)1個(gè)出入口，2個(gè)風(fēng)道，整個(gè)車站建筑面積約18 900 m2。車站設(shè)一座0.4 kV 降壓變電所和一座牽引變電所。在設(shè)備層兩端分別設(shè)置了環(huán)控電控室，在站廳、設(shè)備層、站臺(tái)的兩端分別設(shè)置了照明配電室。辦公用房有吊頂，弱電設(shè)備機(jī)房有防靜電地板。站廳層公共區(qū)有吊頂，吊頂下凈空3.5 m，站廳層地面墊層厚0.15 m。站臺(tái)層公共區(qū)有吊頂，吊頂下凈空3.2 m，站臺(tái)層地面墊層厚0.1 m。

5.2 綜合接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

西周站綜合接地裝置由人工接地體（水平接地極和垂直接地極組成，水平接地極采用50 mm×5 mm 扁銅）及自然接地體（車站構(gòu)筑物內(nèi)不小于Φ16鋼筋）組成。綜合接地裝置埋設(shè)時(shí)躲過地下車站的基礎(chǔ)梁的位置，設(shè)置在結(jié)構(gòu)底板墊層以下800 mm處，并可根據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。水平接地極之間設(shè)均壓帶，均壓帶采用50 mm×5 mm扁銅，銅的材料選用紫銅。接地網(wǎng)外緣各轉(zhuǎn)角均設(shè)置成圓弧狀，這樣環(huán)內(nèi)的電位會(huì)更平、均壓效果更好、環(huán)內(nèi)被保護(hù)物體越安全。車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 車站綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.3 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

5.3.1 接地引入線的設(shè)置

在地鐵接地設(shè)計(jì)中綜合接地網(wǎng)與接地母排之間采用接地引入線進(jìn)行聯(lián)結(jié)。本項(xiàng)目的強(qiáng)、弱電接地系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置接地引入線，并且強(qiáng)、弱電引入線需要間距至少20 m。每組接地引入線引出3 條端子，其中1條備用，故本次設(shè)計(jì)共設(shè)置6組接地引入線。為便于設(shè)備接入，弱電接地母排WCE設(shè)置在距離弱電井較近的3、4 軸之間，同時(shí)引入線位置設(shè)置在WCE附近；強(qiáng)電接地母排PCE設(shè)置在11、12軸之間牽引變電所夾層內(nèi)且就近與結(jié)構(gòu)柱鋼筋聯(lián)結(jié)，引入線位置設(shè)置在PCE附近。

接地引入線需要穿越車站的結(jié)構(gòu)底板，因此引入線必須要做好絕緣、防水、防腐。工程綜合接地裝置的接地引入采用成套裝置，在穿越結(jié)構(gòu)底板時(shí)，要求做防水和絕緣處理，具體做法如圖2所示。

圖2 接地引入線大樣圖

5.3.2 局部等電位的設(shè)置

車站的照明配電間、環(huán)控電控室、污水泵房、環(huán)控機(jī)房、冷凍機(jī)房、淋浴間設(shè)置在地下二層設(shè)備層；廢水泵房、照明配電室等設(shè)置在地下三層站臺(tái)層，在以上房屋內(nèi)均設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)箱，局部等電位聯(lián)結(jié)箱應(yīng)與房間內(nèi)預(yù)留接地預(yù)埋件聯(lián)結(jié)?？刹捎妹餮b或暗裝的安裝方式，底邊距建筑地面0.3 m。局部等電位聯(lián)結(jié)預(yù)埋件做法如圖3所示。

圖3 局部等電位聯(lián)結(jié)預(yù)埋件做法大樣圖

本項(xiàng)目弱電設(shè)備接地設(shè)計(jì)為各弱電專業(yè)在本設(shè)備房屋內(nèi)自設(shè)接地箱，動(dòng)照專業(yè)采用1X95燃燒性能等級(jí)為B1 級(jí)的低煙無鹵阻燃電纜連接各接地箱。各設(shè)備專業(yè)接地箱位置參見各專業(yè)布置圖。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中對(duì)于有特殊需求的專業(yè)，動(dòng)照專業(yè)會(huì)在其設(shè)備房?jī)?nèi)多預(yù)留10 m 接地電纜供其使用。接地干線采用環(huán)形接線（手拉手），將各設(shè)備房接地箱接入弱電總接地端子箱。弱電接地系統(tǒng)干線圖詳見圖4。

圖4 弱電接地系統(tǒng)干線圖

5.4 車站變形縫等電位的設(shè)置

地鐵車站從結(jié)構(gòu)上劃分為車站主體結(jié)構(gòu)和車站附屬結(jié)構(gòu)，其中附屬結(jié)構(gòu)又分為出入口附屬、風(fēng)道風(fēng)亭附屬。由于主體結(jié)構(gòu)與各個(gè)附屬結(jié)構(gòu)間的沉降程度、施工時(shí)間以及施工工藝的不同，在主體結(jié)構(gòu)與各個(gè)附屬結(jié)構(gòu)之間會(huì)設(shè)置有結(jié)構(gòu)變形縫。結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置相當(dāng)于將主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)分割開來，形成了獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體。

由于車站出入口用電設(shè)備較為集中，一般都會(huì)有電扶梯、局部水泵、出入口卷簾門等設(shè)備，因此出入口附屬也應(yīng)敷設(shè)有接地裝置并且該接地體應(yīng)與主體接地體形成等電位。目前普遍的做法是在出入口吊頂內(nèi)設(shè)置一根通長的鍍鋅扁鋼并引至各設(shè)備及配電箱處進(jìn)行接地。

車站綜合接地網(wǎng)設(shè)置于主體結(jié)構(gòu)投影面積內(nèi)，出入口設(shè)備一般位于附屬且遠(yuǎn)離車站主體的車站入口附近，為了使出入口設(shè)備與車站主體接地良好接通形成等電位，僅僅是通過扁鋼聯(lián)結(jié)兩個(gè)結(jié)構(gòu)間的接地體是不夠的，需要加強(qiáng)此處的等電位可靠性。本站在出入口變形縫兩端設(shè)置兩處等電位預(yù)埋件，具體做法為在變形縫兩側(cè)距頂板下500 mm處設(shè)置兩處總等電位預(yù)埋件，動(dòng)照專業(yè)采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼電氣聯(lián)結(jié)，并在變形縫兩側(cè)與總等電位預(yù)埋件聯(lián)結(jié)。這樣在確保2個(gè)結(jié)構(gòu)體接地等電位可靠聯(lián)結(jié)的同時(shí)，也可以進(jìn)一步加強(qiáng)接地裝置應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)間沉降差異的能力，有效提高出入口設(shè)備的接地安全。

5.5 接地電阻計(jì)算

綜合接地網(wǎng)工頻接地電阻取值應(yīng)滿足綜合接地系統(tǒng)中各設(shè)備要求接地電阻之中的最小值。根據(jù)國內(nèi)地鐵項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在既保證車站使用安全又兼顧節(jié)約投資、節(jié)省資源的前提下，本項(xiàng)目的做法是接地電阻取值不大于1 Ω。

地鐵綜合接地網(wǎng)的接地電阻值受接地體接地極材料、接地體布置情況、接地體附近土壤電阻率、接地網(wǎng)聯(lián)結(jié)方式等情況影響計(jì)算復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)上參照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]（GB/T 50065—2011）中的簡(jiǎn)化公式計(jì)算。

式中：ρ為接地體所處土壤電阻率，Ω·m；S為閉合接地網(wǎng)的面積，m2（須大于100 m2）。

該車站底板埋深深度約為28 m，根據(jù)地勘資料此處地質(zhì)土層為粉質(zhì)黏土，土壤電阻率取值65.1 Ω，閉合接地網(wǎng)設(shè)置于車站投影面積內(nèi)，設(shè)計(jì)面積為2 920 m2，經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目接地網(wǎng)工頻接地電阻值約為0.6 Ω，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

地鐵已成為大多數(shù)大中型城市的主要交通工具，地鐵車站接地系統(tǒng)的安全可靠直接影響地鐵內(nèi)人員的人身安全以及設(shè)備的正常運(yùn)行。文章對(duì)地鐵車站綜合接地系統(tǒng)做了全面詳細(xì)的論述。通過工程實(shí)例給出一整套設(shè)計(jì)方案，并對(duì)接地裝置跨越結(jié)構(gòu)變形縫的處理措施提出了改進(jìn)措施，為地鐵綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究與優(yōu)化提供參考。