預(yù)埋接地裝置的混凝土支柱

張世標(biāo)，劉峰濤

0 概述

《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10009-2005第5.5.17條規(guī)定[1]：“預(yù)應(yīng)力混凝土支柱箍筋的混凝土保護(hù)層厚度不得小于20 mm”。對(duì)混凝土保護(hù)層的要求是考慮“在回流線或保護(hù)線不絕緣直接懸掛在支柱上時(shí)應(yīng)能承受接觸網(wǎng)短路狀態(tài)下回流線或保護(hù)線小于3 kV對(duì)地工頻電壓”。該規(guī)定從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，旨在取消雙重絕緣以簡(jiǎn)化安裝方式、降低工程造價(jià)。

在實(shí)際工程中使用的50多萬(wàn)根橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱和 5萬(wàn)多根環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱均是按混凝土支柱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2286中關(guān)于主筋保護(hù)層厚度20 mm設(shè)計(jì)制造的[2]，箍筋的保護(hù)層厚度小于20 mm。這些支柱在多年運(yùn)行中未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。

這樣就存在了混凝土支柱產(chǎn)品與電力牽引設(shè)計(jì)規(guī)范不一致的問(wèn)題。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中既有雙重絕緣安裝方式又有單絕緣安裝方式，導(dǎo)致電氣化鐵路的絕緣方式混亂，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

經(jīng)研討，混凝土結(jié)構(gòu)不宜作為絕緣材料使用。為了取消雙重絕緣以簡(jiǎn)化安裝方式，統(tǒng)一支柱的絕緣標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為修改電力牽引設(shè)計(jì)規(guī)范提供支持，故此對(duì)預(yù)埋接地裝置的混凝土支柱進(jìn)行了研制。

1 混凝土支柱接地系統(tǒng)的演變

1.1 早期電氣化鐵路

混凝土支柱接地借鑒了前蘇聯(lián)的做法，即支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋，并通過(guò)接地線與接地體或鋼軌連接。后來(lái)考慮到當(dāng)時(shí)的工藝水平，在混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋較難批量生產(chǎn)，在一些線路上采用了將接地鋼筋敷設(shè)在支柱外的做法，回流線或保護(hù)線通過(guò)接地線與接地體或鋼軌連接。當(dāng)信號(hào)不采用鋼軌作為軌道電路時(shí)，回流線或保護(hù)線可與鋼軌直接連接；當(dāng)信號(hào)采用鋼軌作為軌道電路時(shí)，回流線或保護(hù)線不能與鋼軌直接連接，宜通過(guò)火花間隙或扼流變壓器中點(diǎn)與鋼軌連接。

1.2 京秦線引進(jìn)日本技術(shù)

在日本信號(hào)系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)中要求鋼軌絕緣安裝，且不能直接接地；如果把支柱接地部分直接同鋼軌相連接，會(huì)影響信號(hào)專(zhuān)業(yè)軌道電路的正常工作。因此，在日本電氣化鐵路中一般采用雙重絕緣來(lái)限制并疏導(dǎo)閃絡(luò)短路電流。

京秦線全面引進(jìn)日本AT供電技術(shù)，接觸網(wǎng)的保護(hù)接地與閃絡(luò)保護(hù)方式采用了雙重絕緣方式，雙重絕緣是同時(shí)具有基本絕緣（主絕緣）和附加絕緣的絕緣方式。

在主絕緣和附加絕緣之間用跳線與 PW 線連通，當(dāng)主絕緣發(fā)生閃絡(luò)或擊穿時(shí)，短路電流可直接經(jīng)PW線（不須經(jīng)鋼軌）回到牽引變電所，使保護(hù)裝置動(dòng)作。在直供加回流和BT供電方式中，雙重絕緣的做法基本與AT供電方式類(lèi)似，只是跳線與回流線相連接，并兼有架空地線的作用。

1.3 客運(yùn)專(zhuān)線鐵路

在歐洲和中國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線電氣化鐵路中，普遍采用綜合接地系統(tǒng)，它一般采用全線貫通設(shè)綜合接地線的方式。直接供電方式的回流線和AT供電方式的保護(hù)線同綜合地線、鋼軌進(jìn)行等電位連接后盡量并聯(lián)，并且都可以不絕緣安裝。

1.4 相關(guān)研究

20世紀(jì)80年代，中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院制作了不同保護(hù)層厚度的混凝土試塊，模擬干燥、潮濕、濕潤(rùn)等工作情況，分別測(cè)試其擊穿電壓。研究表明，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度為20 mm時(shí)，可承受3 kV的短路電壓。

2003年，中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)接觸網(wǎng)架空回流線（保護(hù)線）絕緣方式進(jìn)行了研究。研究結(jié)合國(guó)內(nèi)電氣化鐵路的不同具體條件和不同絕緣方式，分析回流線或保護(hù)線和鋼軌可能最高電位的變化規(guī)律，重點(diǎn)對(duì)鋼筋混凝土支柱上回流線或保護(hù)線取消絕緣的必要條件進(jìn)行研究。

通過(guò)分析和試驗(yàn)研究，當(dāng)支柱箍筋的混凝土保護(hù)層厚度大于20 mm、接觸網(wǎng)短路時(shí)回流線（保護(hù)線）的對(duì)地工頻電壓小于3 kV和接觸網(wǎng)短路時(shí)間小于0.5 s時(shí)，回流線（保護(hù)線）可直接懸掛在混凝土支柱上。

根據(jù)以上研究，電力牽引設(shè)計(jì)規(guī)范 TB10009-2005中規(guī)定了預(yù)應(yīng)力混凝土支柱箍筋的混凝土保護(hù)層厚度不得小于20 mm。

2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于保護(hù)層厚度的規(guī)定

根據(jù)多年的研制和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土支柱類(lèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定是綜合考慮了支柱的強(qiáng)度、抗裂性和耐久性后確定的。

混凝土支柱屬長(zhǎng)細(xì)桿件，容量大、撓度要求嚴(yán)，并且還要克服各種裂紋，設(shè)計(jì)條件比較苛刻。所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4623《環(huán)形混凝土電桿》中規(guī)定：“縱向受力鋼筋的凈保護(hù)層厚度不得小于15 mm”。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定：“預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土凈保護(hù)層厚度不小于15 mm”。在制訂TB/T 2286-2003《電氣化鐵道橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱》、TB/T 2287-2005《電氣化鐵道接觸網(wǎng)環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為進(jìn)一步提高混凝土支柱的使用壽命，規(guī)定：“預(yù)應(yīng)力主筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20 mm”。

日本JIS A 5309-1992《離心成型預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》規(guī)定：“箍筋的混凝土保護(hù)層厚度大于9 mm，且應(yīng)大于預(yù)應(yīng)力鋼筋的直徑”。據(jù)《電氣化鐵道接觸網(wǎng)》手冊(cè)P 282，德國(guó)電氣化鐵道接觸網(wǎng)鋼筋混凝土支柱規(guī)定：“螺紋鋼筋上方的混凝土覆蓋層應(yīng)至少為15 mm，而預(yù)應(yīng)力鋼筋上方的混凝土覆蓋層應(yīng)為20 mm”。

可見(jiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)應(yīng)力主筋保護(hù)層不小于15 mm；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)應(yīng)力主筋保護(hù)層不小于15～20 mm；發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如日本規(guī)定箍筋的混凝土保護(hù)層為9 mm；德國(guó)規(guī)定主筋保護(hù)層為20 mm。

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)匯總對(duì)比情況參見(jiàn)表1。

3 預(yù)埋接地裝置混凝土支柱的基本原理

當(dāng)接觸網(wǎng)支柱利用回流線或保護(hù)線兼作閃絡(luò)保護(hù)地線時(shí)，對(duì)于在正常運(yùn)行和短路故障情況下的鋼軌電位和回流線（保護(hù)線）電位的最大值，無(wú)論是帶回流線的直接供電方式還是AT供電方式，除在短路故障情況下的鋼軌最大電位基本與回流線（保護(hù)線）的接地電阻值和接地線間距無(wú)關(guān)外，它們的值均比回流線（保護(hù)線）只接鋼軌的情形明顯降低，減小回流線（保護(hù)線）的接地電阻值和接地線間距對(duì)降低其電位最大值是有益的，這正是利用了混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋與基礎(chǔ)接地扁鋼連接后可取消接觸網(wǎng)雙重絕緣的基本原理。

表1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于保護(hù)層厚度的相關(guān)規(guī)定一覽表

4 混凝土支柱接地的對(duì)策措施

鑒于預(yù)應(yīng)力混凝土支柱的現(xiàn)狀情況，其箍筋的混凝土保護(hù)層厚度達(dá)不到20 mm的要求，而且混凝土制品不宜作為絕緣體使用，因此在支柱內(nèi)埋設(shè)接地裝置，以解決接地問(wèn)題。

在支柱內(nèi)埋設(shè)鋼筋，上下部適當(dāng)位置預(yù)留連接端子。上端與腕臂底座及回流線（保護(hù)線）相連，下端與埋設(shè)在土壤內(nèi)的接地扁鋼相連，上下端均采用螺栓連接。端子的型式開(kāi)始考慮采用有內(nèi)螺紋的鋼管，但螺紋內(nèi)易被混凝土堵塞，后改為無(wú)螺紋的鋼管，為保證外部連接螺栓與接地端子的可靠連接，在鋼管兩端設(shè)置圓鋼板，考慮防腐要求，接地端子（鋼管及鋼板）應(yīng)進(jìn)行熱浸鍍鋅。

混凝土支柱內(nèi)鋼筋很多，應(yīng)采取可靠工藝措施保證鋼管準(zhǔn)確定位，同時(shí)不影響結(jié)構(gòu)鋼筋的布置和混凝土的灌注。

混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地裝置后，其基礎(chǔ)施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的基礎(chǔ)類(lèi)型埋設(shè)接地扁鋼。直埋式支柱其接地扁鋼的埋設(shè)如圖1所示，首先將接地扁鋼連接在支柱上，再將支柱放入基坑內(nèi)。

圖1 直埋式支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

采用杯形基礎(chǔ)的混凝土支柱其接地扁鋼的埋設(shè)見(jiàn)圖2，澆筑基礎(chǔ)時(shí)將接地扁鋼埋設(shè)在基礎(chǔ)側(cè)面或基礎(chǔ)內(nèi)部，待支柱放入杯口后將其與支柱下部的接地端子進(jìn)行連接。

圖2 采用杯形基礎(chǔ)支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

法蘭型支柱其接地扁鋼的埋設(shè)見(jiàn)圖3，澆筑基礎(chǔ)時(shí)將接地扁鋼埋設(shè)在基礎(chǔ)側(cè)面或基礎(chǔ)內(nèi)部，待支柱安裝后將其與支柱下部的接地端子進(jìn)行連接。

圖3 法蘭型支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

5 預(yù)埋接地裝置的混凝土支柱技術(shù)條件

支柱采用單絕緣方式，支柱內(nèi)應(yīng)預(yù)埋接地鋼筋，鋼筋上下兩端焊接鋼管（熱浸鍍鋅防腐）。接地裝置上端與腕臂底座及回流線（保護(hù)線）連接，下端與接地扁鋼連接。腕臂底座預(yù)留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內(nèi)預(yù)埋管均采用樹(shù)脂絕緣管。

支柱內(nèi)預(yù)埋直徑12 mm鋼筋作為接地線，上下兩端焊接內(nèi)徑為20 mm的鋼管，鋼管兩端焊接直徑為40 mm的圓鋼板（鋼板的外露面應(yīng)與所在支柱的外表面形狀一致并齊平，即在橫腹桿式支柱中為平面，在環(huán)形混凝土支柱中為圓柱面）。對(duì)于腕臂柱，上部預(yù)留孔位于上腕臂（平腕臂）底座之下350 mm處，軟橫跨支柱的上部預(yù)留孔位置距地面的高度可參照腕臂柱進(jìn)行設(shè)置。下部預(yù)留孔的位置位于地面以上的一定高度處。

考慮防盜因素，與接地扁鋼連接用的螺栓或螺母可采用防盜型。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

預(yù)埋接地裝置后，在混凝土支柱上取消雙重絕緣安裝方式，均采用單絕緣安裝方式。上部端子與回流線（保護(hù)線）連接，下部端子與接地扁鋼連接。支柱的其他預(yù)留孔，如腕臂底座預(yù)留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內(nèi)的預(yù)埋管均采用樹(shù)脂絕緣管。2種安裝方式采用的部分零部件及基礎(chǔ)施工方法不盡相同，相應(yīng)的造價(jià)和美觀性有所區(qū)別。

6.1 技術(shù)對(duì)比

雙重絕緣安裝方式采用雙重絕緣式絕緣子，通過(guò)接地跳線與回流線（保護(hù)線）連接，回流線安裝需采用一個(gè)針式絕緣子，接地跳線通過(guò)跳線卡箍連接在絕緣子上。由于連線較多，該安裝方式美觀性相對(duì)較差，而且造價(jià)相對(duì)較高。

單絕緣安裝方式采用普通的棒式絕緣子，絕緣子間無(wú)連接跳線，美觀性相對(duì)較好，造價(jià)相對(duì)較低。

6.2 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

支柱上分別采用雙重絕緣和單絕緣安裝方式，每套裝配所需費(fèi)用分別為280元和96元，即采用單絕緣安裝方式時(shí)，每套裝配可節(jié)省約184元，每百公里（雙線鐵路，4000根支柱）可節(jié)省73.6萬(wàn)元。

7 結(jié)論

混凝土制品本身具有大量孔隙、毛細(xì)孔的材料，在自然環(huán)境中尤其是在雨季、大霧及結(jié)露的情況下，其內(nèi)部存在水分。雖然理論上一定厚度的混凝土保護(hù)層具備一定的絕緣性能，但在混凝土支柱有裂紋、氣孔和潮濕的情況下，是不能依托其作為有一定耐壓的絕緣體。所以鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)中不宜把混凝土支柱作為絕緣材料使用，以免留下安全隱患。

混凝土支柱預(yù)埋接地裝置后，接觸網(wǎng)可取消雙重絕緣安裝方式，采用單絕緣安裝方式。

建議修改電力牽引規(guī)范，將TB 10009-2005中第5.5.17條修改為“預(yù)應(yīng)力混凝土支柱主筋的混凝土保護(hù)層厚度不得小于20 mm”（與德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一致，目前規(guī)定的 4個(gè)速度等級(jí)的設(shè)計(jì)暫行規(guī)定中均無(wú)該條要求）。

[1]TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]TB/T 2286.1-2008 電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土支柱 第1部分：橫腹桿式支柱[S]TB/T 2286.2-2008，第2部分：環(huán)形支柱. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3]GB/T 4623-2006 環(huán)形混凝土電桿[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]DL/T 5154-2002 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[5]JIS A 5309-1992 離心成型預(yù)應(yīng)力混凝土支柱[S].

[6]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京：中國(guó)電力出版社，2004.