復雜艱險山區鐵路牽引變電所接地網設計研究

吳 波

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

我國疆域遼闊，各地地質環境差異較大，全國地勢西高東低，其中西部、南部層巒疊翠，阡陌連綿，山區地形約占我國陸地面積的2/3。隨著我國鐵路建設的飛速發展，山區鐵路項目越來越多[1]，近年來陸續建設了滬昆高鐵、寶蘭高鐵、西成高鐵、成貴高鐵、貴廣高鐵、云桂高鐵等高標準山區高速鐵路，還將建設西延高鐵、延榆高鐵、西渝高鐵、西武高鐵、西寧至成都鐵路、成蘭鐵路以及川藏鐵路、中尼鐵路等復雜艱險山區的高標準電氣化鐵路[2-3]。復雜艱險山區鐵路意味著長大隧道、隧道群、高架橋、溝壑，并伴隨著滑坡、落石、洪水、泥石流等地質災害，給鐵路建設帶來了工程技術上的巨大困難[4-5]。

作為電氣化鐵路的心臟，牽引變電所承擔著為電力機車或動車組提供不間斷可靠電源的重要任務。在復雜艱險山區鐵路牽引變電所設計、施工及運營維護的諸多困難中，接地系統一直是一個困擾工程師們的難題。接地系統的質量直接影響變電站設備的可靠性及人身安全。評估接地系統的指標有接地電阻、接觸電勢、跨步電勢以及接地體的動、熱穩定性等[6]。眾所周知，接地網面積越大，土壤電阻率和接地電阻越小，接地網的質量越好[7]。然而山區鐵路受地形及地質條件的影響，牽引變電所時常面臨空間狹小、落差大、地質條件復雜等多種不利因素，因此接地系統設計與復雜艱險山區地形的矛盾也越來越突出。

2 復雜艱險山區變電所接地面臨的挑戰

根據TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》規定，一般情況下，牽引變電所接地裝置的接地電阻應符合式(1)的要求

(1)

困難情況下，可以提高至5 000/I。公式中R為最大允許的接地電阻，I為流經接地裝置的入地短路電流。通常要求牽引變電所在工程允許的條件下，接地電阻值越小越好。而接地電阻值在工程一旦實施后即已確定，它與土壤電阻率、接地體面積、長度等息息相關。

2.1 選址條件差造成變電所地網面積小

復雜艱險山區鐵路時常伴隨著溝壑縱橫、山高谷深的地質條件，線路橋隧比例高，為牽引變電所的選址帶來極大困難。根據線路標準及設備選型布置的不同，牽引變電所的占地面積也有區別。

GB 50065—2011《交流電氣裝置接地設計規范》中復合式接地網工頻接地電阻的簡易計算式如下

(2)

根據該式，在土壤電阻率ρ不變的情況下，接地電阻R與接地網面積S的平方根成反比。在均勻土壤的環境下，以土壤電阻率100 Ω·m為例，可以近似計算出各類型牽引變電所占地面積和接地電阻估算值，其對照如表1所示。

表1 牽引變電所占地面積與接地電阻對比

通過對比數據可以看出，平原地區和復雜艱險山區的牽引變電所占地面積比最大可以達到1∶0.2，但反之接地電阻比可達1∶2.2。也就是說，在復雜艱險山區，牽引變電所可以通過設備選型、布置形式調整等方式將占地面積減小到平原地區的20%，從而降低土建工程的實施難度，但面臨的問題是接地電阻將增大到2.2倍。

2.2 洪水位高造成變電所高填方

我國西南地區的山脈內水系豐富，群山峻嶺內通常伴隨著溝谷、河流，設置在這些地區的牽引變電所受洪水威脅。雨水季節水位上漲，在峽谷內水位比枯水季節可上升數米之高。為保證所址場坪安全，根據設計規范，牽引變電所場坪高程須在100年洪水位之上，分區所、AT所場坪高程須在50年洪水位之上，造成山區所亭場坪經常采用高填方以滿足洪水位的要求。根據已實施的工程案例，牽引變電所較原始地面的填方最高可達10 m以上。

2.3 填方材料造成土壤電阻率升高

土壤電阻率對牽引變電所的接地電阻有直接的影響，與之成反比。根據DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中提供的土壤電阻率參考值，陶黏土、黑土、田園土等電解質含量高的土壤電阻率最低，砂礫、土夾石較高，巖石最高，如表2所示。

表2 各類土壤電阻率近似值

復雜艱險山區鐵路修建牽引變電所面臨的困難是：取土條件差，表層植被土壤較淺、可取土少；受環保要求，不允許隨便取土，需到指定的取土場；取土場多為砂夾石；運距長，運費高。

在工程實施中，山區牽引變電所的填方料經常采用隧道棄渣加工而成的A、B類填料，即體積較小的碎石，混合一定比例的河沙、泥土。該填料土壤電阻率較高，大都在1 000 Ω·m以上，對接地系統非常不利。

2.4 系統容量大造成短路電流巨大

隨著我國高速鐵路和電力系統的不斷發展，牽引變電所從電力系統引入的電源電壓等級從最初的110 kV上升至目前的220 kV甚至330 kV。高標準鐵路通常要求更高的進線電壓等級，而電壓等級越高，系統容量就越大，短路時產生的故障電流也就越大。以穿越秦嶺山脈的西安至成都高速鐵路為例，陜西省境內的6座牽引變電所均引入330 kV電源，各所2017年短路容量參見表3。

表3 西成高鐵330 kV牽引變電所短路容量

由表3可見，牽引變電所系統容量較以往的電氣化鐵路有了巨大增長。即使考慮架空避雷線對短路電流的分流作用，入地短路電流仍是一個非常大的值。以秦嶺內的佛坪牽引變電所為例計算，如考慮40%的分流系數，則要求接地電阻值在0.138 Ω以下，困難情況下最高不得超過0.34 Ω。在平原地質條件較好的地區要實現這一目標都比較困難，對于復雜艱險山區鐵路則更加困難。

3 艱險山區接地網的設計思路

要使牽引變電所的接地系統滿足規范要求，保證所內發生短路故障時的人身和設備安全，可以從影響接地網性能指標的各種因素中著手考慮。

對于人身安全至關重要的考核指標——接觸電勢和跨步電勢來說，要求土壤電阻率越小越好、表層土壤電阻率越大越好、入地短路電流越小越好、短路持續時間越小越好、接地電阻越小越好、接地體埋深越大越好、接地網孔數越多越好，而與接地網面積關系不大。而對于設備安全最重要的考核指標——接地電阻來說，則要求接地網面積越大越好、土壤電阻率越小越好、接地體長度越大越好，接地體的埋深理論上越大越好，但要視下部土壤的電阻率而定[8]。

對于艱險山區某具體的牽引變電所接地網設計，根據前文所述，其接地網面積、土壤電阻率、短路電流已基本確定，而且均為不利因素。要改善接地網的性能，常規的降阻措施均有一定局限性：換填土在艱險山區不易實施，敷設降阻劑、離子接地極有時效性且性價比低，外引接地受地形條件影響且有將高電位外引的風險[9-11]。其他措施還有：增大分流以減小入地短路電流、加大接地體總長度、加大埋深、增多網孔、加大地表土壤電阻率、加速保護動作等。

為提高設計的準確性和可實施性，對于復雜艱險山區的牽引變電所接地網設計，應針對具體工程的特點進行必要方案比選和仿真計算，選擇經濟技術指標最優的方案。

4 仿真模型建立

為具體分析復雜艱險山區牽引變電所各接地網設計方案的優劣，采用國際通用接地設計仿真軟件CDEGS進行建模仿真計算，對各項指標進行對比分析，旨在找到最適合艱險山區的牽引變電所接地網設計方案。

4.1 土壤模型

根據某工程的實測數據，對于山區采用高填方的牽引變電所土壤結構，采用CDEGS軟件的RESAP模塊對土壤模型分析，牽引變電所附近范圍內可等效為三層土壤，如圖1所示。

圖1 土壤模型示意

其中頂層、中間層、底層的土壤電阻率及厚度分別為1 746 Ω·m(17 cm)、885 Ω·m(960 cm)、74 Ω·m(∞)。等效土壤結構很好地揭示了艱險山區鐵路高填方牽引變電所的特點，該土壤模型將用于后文仿真計算的統一模型。

4.2 電源激勵模型

采用CDEGS軟件的FSDIST模塊對牽引變電所外部電源線路進行模擬，結合系統短路容量，可以計算出牽引變電所發生短路時的入地短路電流。

設定的電源條件為：牽引變電所引入2路相互獨立的330 kV電源進線，線路長度均為56 km，平均檔距400 m。系統變電站接地電阻均按0.5 Ω考慮，系統短路容量10 000 MVA。傳輸線采用LGJ-300/40型雙分裂導線，地線型號分別為JLB40-150。桿塔采用格構式鐵塔，工頻接地電阻范圍10～30 Ω。

牽引變電所接地系統的接觸電勢、跨步電勢以及地電位升(GPR)等數值與通過接地網絡流入土壤的故障電流值成正比。因此，在進行接地系統安全性設計時，必須得到牽引變電所發生短路故障時，流入接地系統的故障電流比例，從而準確得到通過接地系統入地的故障電流數值，為后續設計出安全可靠的接地系統提供數據保障。牽引變電所發生短路時的電流分布如圖2所示。

圖2 短路電流分流示意

根據建模仿真計算結果可知，經架空地線返回遠端的故障電流往往占有較大比例，其分流系數的影響因素很多，系統的運行方式、架空地線與輸電線的阻抗、輸電線路桿塔的接地電阻、短路點位置以及牽引變電所的接地電阻等都對其有所影響。尤其是牽引變電所的接地電阻，其與返回電流比例成反比，如圖3所示。設計時一方面要追求返回電流比例盡可能大，同時又要追求變電所接地電阻盡可能小，形成矛盾。

圖3 架空地線-桿塔接地系統分流示意

根據前文設定的系統條件，進線桿塔接地電阻取最不利的30 Ω，經計算，牽引變電所接地電阻值采用0.45 Ω時，經濟技術最優，此時入地短路電流為9 604 A，接地電阻目標上限值為0.52 Ω。此電流作為后文接地仿真計算的電源激勵。

4.3 地網模型4.3.1 常規模型

牽引變電所設置以水平接地網為主的人工復合接地網，埋深為填方后地面以下0.8 m，交叉點設置長2.5 m的垂直接地棒。接地材料均采用純銅材質。

4.3.2 深井接地模型

在常規模型的基礎上，選擇接地網邊緣、中心若干點采用鉆機打孔設置直徑20 cm深井，其內敷設垂直接地棒或離子接地極，數量及深度可調整。

4.3.3 外引接地模型

在常規模型的基礎上，選擇接地網邊緣、中心若干點采用鉆機打孔設置直徑20 cm深井，其內敷設垂直接地棒或離子接地極，數量及深度可調整。

4.3.4 雙層地網模型

根據土壤結構特點，筆者提出雙層接地網結構，在常規接地網下方設置另一層地網，埋深在原始地層以下，采用網孔結構，上、下層地網用若干接地線連接，下層地網大小可調整[12-15]。

各類型地網模型示意對照如表4所示。

表4 各類接地網模型示意對照

5 仿真計算考核

5.1 考核指標

采用CDEGS軟件的MALZ模塊，對上述各接地網模型結合既定的土壤模型、電源激勵模型進行了仿真計算。在各種接地裝置的考核指標中，最重要的指標為接地電阻和接觸電勢。其中接地電阻值如前文所述，上限值取0.52 Ω，最優值取0.45 Ω。

接觸電勢關系人身安全，在進行人體參數選擇時，參照國外標準(IEEE80-2013)以人體質量50 kg、人體電阻1 000 Ω取值，表層土壤電阻率取2 000 Ω·m，短路持續時間取0.4 s，則計算得出接觸電勢的安全閥值為908 V。

5.2 接地電阻及經濟指標考核

仿真計算結果顯示，在復雜艱險山區的土壤及接地網模型條件下，常規接地網模型接地電阻無法達到0.52 Ω的要求。其余3種模型在增加工程量后，接地電阻可以達到低于0.52 Ω的要求，但工程量有差別。

各接地網接地電阻及經濟指標對比見表5。

表5 各類型接地網接地電阻及經濟指標

可以看出，在都滿足接地電阻的最低要求條件下，雙層地網的經濟技術指標最優，深井接地最差。

5.3 接觸電勢校驗

經仿真計算，常規模型的接地網接觸電勢校核不滿足要求，其余各類接地網模型各有優劣，校核結果如下。

5.3.1 常規接地網模型

如圖4所示，接地網范圍內最低接觸電勢為3 260 V，最高超20 000 V，遠大于安全閥值908 V，校驗不合格。

圖4 常規接地網模型接觸電勢二維色塊

5.3.2 深井接地模型

如圖5所示，接地網范圍內接觸電勢均小于安全閥值908 V，校驗合格。

圖5 深井接地模型接觸電勢二維色塊

5.3.3 外引接地模型

如圖6所示，接地網范圍部分區域接觸電勢小于安全閥值908 V，但部分區域最高超過2 000 V，校核不合格。

圖6 外引接地模型接觸電勢二維色塊

5.3.4 雙層接地模型

如圖7所示，接地網(圍墻)范圍內接觸電勢全部小于安全閥值908V，校驗合格。

圖7 雙層地網模型接觸電勢二維色塊

綜上，在接觸電勢校驗中，常規接地網模型指標最差，完全不滿足安全閥值的要求；外引接地次之，不完全滿足；深井接地和雙層接地最好，完全滿足。

結合經濟技術指標綜合考慮，在復雜艱險山區牽引變電所的各類接地網模型中，雙層地網是指標最優的，工程造價也最低。

6 結論

2017年底開通的西安至成都高速鐵路為我國第一條穿越秦嶺的高速鐵路，越嶺地段地質構造復雜，具有典型的復雜艱險山區鐵路特點。其中秦嶺內的佛坪牽引變電所填方高度達到8 m，其接地網就采用了雙層地網結構[16]。根據西成高鐵驗收實測數據，佛坪牽引變電所接地電阻為0.42 Ω，與仿真計算結果基本吻合，驗證了雙層地網結構在實際應用中的有效性。在開通1年以后運營單位對佛坪牽引變電所接地電阻進行了復測，其值基本無變化，驗證了雙層地網結構性能的持久性。

一般情況下下層土壤對變電所地網的影響更大。

針對復雜艱險山區的高填方牽引變電所，雙層地網結構的設計有效利用了電阻率更低的底層土壤，打通了短路電流擴散至大地的路徑，并且將變電站接地體形狀由平面的 “網”狀變為立體的“籠”狀，對整個接地系統的性能改善非常有利，還很好地適應了地形受限的環境特點。由于雙層接地網是從接地網結構、形狀上對接地系統進行改善，因此其效果是最直接也是最持久的，其造價較低，工程實施難度小，效果明顯，非常適合在有高填方工程的牽引變電所推廣采用。