關于地鐵變電所接地網設置問題的思考

曾之煜

關于地鐵變電所接地網設置問題的思考

曾之煜

（中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都∥工程師）

由于地鐵供電系統供電方式的特殊性，其接地系統的方案一直存在爭議。結合國內規范及國內軌道交通項目的常規做法，從接地網的設置、低壓側的接地、接地電阻值的選取、直流系統的接地等方面進行分析，旨在為以后的地鐵接地系統的設計提供借鑒。

地鐵供電系統；接地網；接地電阻值

目前國內地鐵變電所接地基本按綜合接地概念設計，包括變電所設備的系統接地、保護接地、防雷接地和信息技術接地，共用所在車站結構底板下方的人工接地網，以期使全線形成統一的、高低壓兼容、強弱電合一的接地系統，滿足車站內各類設備的系統接地、保護接地、防雷接地及信息技術接地要求。

由于地鐵列車多采用直流供電方式并利用鋼軌回流，為防止雜散電流通過鋼軌與大地之間的過渡電阻泄露到大地與土壤中金屬管線發生電化學反應，腐蝕各種結構鋼筋及管線，直流設備通常采用絕緣安裝，而保護接地是通過框架保護的分流器接大地。直流負極與大地嚴禁接通，以防為雜散電流提供通路。如何處理接地和雜散電流腐蝕防護之間的關系，成為困擾設計與施工的一大難題，相關規范標準中的規定往往由于工程的特殊性而難以執行。

1 接地網的設置方案

地鐵綜合接地網的設置，目前主要參考《地鐵設計規范》及《交流電氣裝置的接地設計規范》。GB 50157—2013《地鐵設計規范》15.7.12規定“變電所應利用車站結構鋼筋或變電所結構基礎鋼筋等自然接地極作為接地裝置，并宜敷設以水平接地極為主的人工接地網。自然接地裝置和人工接地網間應采用不少于兩根導體在不同地點相連接。自然接地極與人工接地網的接地電阻應能分別測量?！睏l文說明解釋為“當確定采用結構主體鋼筋等自然接地極能夠滿足接地裝置的接地電阻要求時，也可不設置人工接地網。人工接地網應絕緣引入地鐵內，目的為了實現自然接地極與人工接地網能夠分別測量?！盙B 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》4.3.2規定“發電廠和變電站接地網除應利用自然接地極外，應敷設以水平接地極為主的人工接地網……6 kV和10 kV變電站和配電站，當采用建筑物的基礎作接地級，且接地電阻滿足規定值時，可不另設人工接地。”條文說明“引自 DL/T 621—1997：《交流電氣裝置的接地》（已于2015年廢止）的6.2.1?！睆囊陨蟽杀疽幏断嚓P規定可看出，《地鐵設計規范》規定在一定的條件下可不設人工接地網，《交流電氣裝置的接地設計規范》規定35 kV變電所應設接地網，目前國內采用集中供電方式的車站變電所多為35 kV（33 kV）變電所，照此規范規定，應設接地網，但是該條規定的條文解釋引用的是從2015年開始廢止的電力行業規范，該廢止的規范（DL/T 621—1997）中6.2.1條又未見有條文說明。目前國內絕大多數地鐵設置了人工接地網，這一做法在早期尚存爭議，后來出于設計習慣和為穩妥起見，基本照此方案實施。

地鐵變電所接地主要有3種方案：

（1）利用地下結構鋼筋做自然接地體，該自然接地體保證接地電阻在0.5 Ω以下，不再另設人工接地網。北京地鐵1、2號線采用該方式（北京1、2號線為10 kV分散式供電）。

（2）設置人工接地網，外引接入，即人工接地網與車站結構鋼筋絕緣。

（3）設置人工接地網，人工接地網與車站結構鋼筋連接，該方案也是《地鐵設計規范》的規定。

根據文獻［1］，方案1將車站結構鋼筋按雜散電流腐蝕防護的要求焊接，地鐵車站構成了一個體積約5 000 m3的等電位法拉第籠，該法拉第籠的電阻經現場測試，電阻均小于0.5 Ω。針對方案2，文獻［1］指出，根據北京地鐵1號線現場測試數據，結構鋼筋根本無法做到對地絕緣，車站結構鋼筋和設備基礎槽鋼也不絕緣，說明實際施工過程中接地網很難與結構鋼筋做到絕緣。方案3為《地鐵設計規范》規定方案，其本意是進一步降低接地電阻?，F對比分析3種方案的電路圖（見圖1），RA為結構鋼筋電阻，RB為人工接地網電阻，R過渡為結構鋼筋和地之間的絕緣電阻，為便于分析，略去所內接地電纜和扁鋼的電阻。如采用方案1，若結構鋼筋對地絕緣，則結構鋼筋成為整個車站的地；若結構鋼筋無法做到對地絕緣，則接地電阻R總=RA+R過渡。此方案的安全接地是從等電位的角度考慮，車站整個結構鋼筋電阻能滿足接觸電壓和跨步電壓校驗即可，因此接地電阻阻值的大小的比較意義不大（但考慮泄放雷電電流時應考慮電阻值的大?。?。如采用方案2，若結構鋼筋對地絕緣同時槽鋼對結構鋼筋絕緣，R總=RB；若無法做到結構鋼筋對地絕緣，同時槽鋼對結構鋼筋也不絕緣，則接地故障電流分別由RA支路和RB支路承擔。如采用方案3，若結構鋼筋對地絕緣，接地故障電流通過RB釋放，R總=RB；如結構鋼筋對地不絕緣，則接地故障分別由RA支路和RB支路承擔，R總=RA∥RB。可以看出，結構鋼筋與人工接地網連接后，相當于直接將設備槽鋼和結構鋼筋相連，確實能夠進一步減少接地電阻。方案2及方案3如在土壤電阻率較高的地區實施，為滿足接地電阻值的要求，需大量使用換土、降助劑、接地銅棒、深井接地、離子接地等方法，大大提高施工的復雜程度和工程投資。但是如果采用方案1，理論上雖然方便簡單可行，但實際施工過程中，土建施工單位難以真正控制好鋼筋焊接質量，虛焊漏焊難免發生，同時車站結構鋼筋是否與大地絕緣也和施工水平有關，如果真正做到結構鋼筋和地絕緣，雷電沖擊電流的泄放又是一個問題。至于將車站結構鋼筋和人工接地網連接后，雜散電流是否會腐蝕車站結構鋼筋的問題也不必過分擔心，車站鋼筋和區間隧道鋼筋因為變形縫本身就是斷開的，只需加強車站結構鋼筋和道床結構鋼筋的絕緣，如加強整體道床和結構底板鋼筋的絕緣，并加強監測，就能盡量做到接地和雜散電流腐蝕防護的統一。因此，筆者認為方案3更為合理。

圖1 接地網的設置方案對比

2 低壓側接地方案

地鐵供車站動力照明用的變壓器多為35/0.4 kV配電變壓器，35 kV側的保護接地和0.4 kV側的系統及保護接地共用同一個接地網。出于供電可靠性、人身和設備的安全性以及電磁兼容等方面的要求，目前國內低壓配電基本采用TN-S（三相四線制）系統。當35 kV設備出現單相對殼短路時，低壓設備外殼電壓將由0提升為Uf=IdRB（式中，Uf為預期接觸電壓；Id為故障電流）。35 kV側多采用小電阻接地系統，將單相接地故障電流限制在1 000 A以內，假設Id=600 A，RB=0.5 Ω，則Uf=300 V。據了解，目前車站設備用房，雖然在重要的房間（環控室、0.4 kV開關柜室）做了等電位聯結，如將設備外殼接在房間內沿墻敷設的一圈接地扁鋼上，但又要求扁鋼和結構鋼筋絕緣，故人觸碰外殼時將直接接觸300 V的電壓，產生足以致命的電流，而該電流又非低壓回路產生的接地故障電流，其剩余電流保護無法動作。解決該問題的方案有：①低壓的系統接地采用單獨接地，不和高壓共用，這在地鐵工程中不易實現，基本不予考慮。②低壓側裝設過壓保護，當外殼對地（結構鋼筋）電壓超過一定值時跳閘。該方案可能因為高壓側短暫的可自恢復接地故障造成低壓側誤動作，對運營有較大影響。③在安裝設備前先安裝絕緣墊，絕緣墊外露的寬度大于人的伸臂范圍，人觸碰外殼時只承受電壓而不形成電流通路。該方案仍存在問題，設備外殼承擔的電壓對絕緣墊的絕緣水平是一個考驗，因為相線對地電壓提高到220 V+Uf，絕緣墊絕緣失效后人身安全依然得不到保障。④將接地扁鋼和結構鋼筋聯結，實現真正的等電位聯結。筆者認為方案4更簡單可行。圖2為低壓側接地方案對比示意圖。

圖2 低壓側接地方案對比示意圖

類似地，當區間風機房設跟隨式變電所時，如果區間不設接地網，如圖2所示，當35 kV側發生單相碰殼故障時，區間變電所內低壓設備外殼將產生接觸電壓Uf，雖然設置了等電位聯結的接地干線扁鋼，但又要求結構鋼筋和接地扁鋼絕緣，因此人身安全也存在隱患。因為區間跟隨所具備單獨設置接地網的條件，故筆者認為帶跟隨所的區間風井均應單獨設置接地網，使0.4 kV側系統接地和35 kV保護接地分開，使中壓側的故障電壓不會傳導至低壓側。又如車場鋼軌電位裝置、單導裝置的低壓交流接地，為避免出現電源側故障電壓在PE線上傳導至室外設備外殼，這些室外設備不應采用TN-S系統而應采用TT系統，即就地打一接地網，設備PE端子就近和接地網連接，既節省了動輒數百米的PE線，又提高了人身安全。

3 接地電阻的取值

根據《交流電氣裝置的接地設計規范》，小電阻接地系統的接地電阻值應滿足R≤2 000/Ig（式中，Ig為最大接地故障不對稱電流有效值）。目前地鐵綜合接地網取值通常按不大于0.5 Ω考慮，土壤電阻率較高的地方可以放寬到不大于1 Ω，目前的解釋是為了滿足電子信息設備的需要。另外如果只考慮變電所接地，接地電阻阻值通常放寬到不大于4 Ω，防雷接地電阻一般為不大于10 Ω。文獻［2］指出，在高頻環境下，必須計及線纜的感抗和容抗，此時應要求接地阻抗而非接地電阻。例如，在工作頻率為10 MHz的弱電系統中，假設接地線長10 m，則該接地線接地阻抗可達628 Ω，因此對于某些施工難度較大的工程，過于追求不大于1 Ω的做法耗費資源而又達不到預期效果。飛機的接地電阻為無窮大，而打雷時機上的乘客不會觸電，機上的信息技術設備正常運行，根本在于機身利用自身金屬做了等電位聯結和屏蔽，并利用自帶的放電器將靜電及雷電電荷釋放到大氣中。前面已提到對于地鐵常用的TN-S系統，不做等電位聯結時，當發生單相對地短路時，Uf=Id（Zpe+Zab）（式中，Zpe為保護導體阻抗，Zab為相線阻抗），該電壓可高達110 V，對人身安全也是不利的；做了等電位聯結（局部等電位聯結）時，Uf=IdZab，該電壓可限制在安全電壓50 V（干燥環境）以下。因此，文獻［2］指出，IEC標準并不給出具體的接地電阻值要求，而國外有的發達國家一般取值為不大于2 Ω。筆者認為文獻［2］的解釋比較合理，但是據了解，不大于1 Ω的要求出自于弱電系統相關規范，目前階段也只能照此執行，但是就算滿足了不大于1 Ω的條件也不能說萬事大吉，為了確保人身安全，等電位的聯結是最重要和最易實施的措施。

4 結語

地鐵接地系統因為交、直流需隔離以防雜散電流腐蝕而具有特殊性。筆者認為，應盡可能地利用自然結構鋼筋做為交流系統的系統接地和保護接地，利用鋼軌作為直流系統的系統接地，并做到兩個“地”之間相互隔離。同時，應利用自然結構鋼筋做等電位聯結，而不再一味追求低電阻值。因為筆者在實際設計工作中發現，人工接地網一般由土建單位實施，電氣專業人員對該接地網的施工、阻值的測試往往缺乏監督，得到的報告的可信性需打折扣。另外，對于弱電設備，應該優化地線走線路徑，減小高頻接地阻抗。筆者通過本文只求拋磚引玉，為以后地鐵接地系統的設計提供一些思路。

［1］ 黃德勝，張巍.地下鐵道供電［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 王厚余.建筑物電氣裝置600問［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013［S］．北京：中國建筑工業出版社，2013．

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.交流電氣裝置的接地設計規范：GB 50065—2011［S］．北京：中國計劃出版社，2011．

［5］ 中鐵二院工程集團有限責任公司.貴陽市軌道交通S2線一期北段工程初步設計 第十篇 供電［R］.成都：中鐵二院工程集團有限責任公司，2017．

［6］ 李鵬.地鐵換乘站接地網電阻值計算與優化方案［J］.城市軌道交通研究，2016（11）：103.

Reflection on Subway Substation Grounding Grid

ZENG Zhiyu

Due to the particular features of subway power supply mode，the scheme of grounding system has been controversial.In this paper,combined with the conventional practice of norms and rail transit projects in China，the subway grounding setting，low side grounding，transformer grounding resistance selection and DC system grounding are analyzed，in order to provide some references on the subway grounding system design for future projects.

metro power supply system；grounding grid；grounding resistance value

U231.8；U224.2+5

10.16037/j.1007-869x.2017.11.014

Author′s address China Railway Eryuan engineering Refco Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

2017-02-25）