高速鐵路運行牽引變電站接地安全測量計算分析

王建國,郭 星,樊亞東,陳 文,溫建民,張華志

(1.武漢大學電氣工程學院,武漢 430072； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

高速鐵路沿線牽引變電站接地網是動車組列車安全運行、電氣設備安全正常工作和人員人身安全的重要設施，研究牽引變電站接地網安全校驗技術具有重要意義。我國鐵路行業相關標準規定，牽引變電站施工完成后須測量變電站接地網的工頻接地阻抗，并規定接地阻抗須低于0.5 Ω[1-2]，沿用于電力系統對變電站接地阻抗的安全限值[3]。

我國高速鐵路在投入運行時會構建綜合接地系統，將高鐵沿線牽引供電回流系統、電力供電系統、信號系統、通信及其他電子信息系統、建筑物、道床、站臺、橋梁、隧道、聲屏障等需要接地的裝置通過貫通地線連成一體，并規定綜合接地系統接地阻抗不大于1 Ω[1]。因此，牽引變電站投入運行后，其接地阻抗低于1 Ω。

高鐵牽引變電站接地網與電力系統變電站接地網有很大不同，首先由于牽引變電站設備數量的局限性，場坪面積規模要小很多，當土壤電阻率偏高時其接地阻抗便很難低于0.5 Ω，只有采用非常規降阻手段，但需花費巨大的經濟和工程代價。其次，高鐵沿線變電站在投入運行時會接入綜合接地系統，是否還有必要繼續沿用對變電站接地阻抗的0.5 Ω限值，有待商榷。

近年來不少文獻致力于研究降低高土壤電阻率地區和高寒凍土地區牽引變電站的接地阻抗。謝暉提出在牽引變電站敷設雙層復合接地網，以解決變電站接地阻抗和地表電位分布等問題[4]。郝帥采用更換土壤并在變電站場坪外敷設相同面積的水平接地網等措施，使接地阻抗達到規范要求[5]。侯峰等提出先校驗牽引變電站的接觸電勢和跨步電勢，反推出滿足規范要求的接地阻抗值，然后在此條件下進行接地網設計[6]。丁峰認為對牽引變電站接地系統的設計，應避免只簡單注重接地電阻值，而忽視對地電位分布的分析[7]。羅欣提出對土壤電阻率偏高地區的牽引變電站，應重點分析計算站內接觸電位差、跨步電位差和轉移電勢，當這些參數均滿足要求時可稍微放寬接地阻抗的限值[8-11]。

我國高速鐵路沿線牽引變電站投入運行時其接地網接入綜合接地系統，變電站的接地拓撲結構實際已發生巨大變化，對牽引變電站的接地安全校驗應結合工程具體情況整體考慮，避免只簡單注重接地阻抗值。總結歸納一套系統合理且切實可行的高鐵牽引變電站接地安全性評估校驗方法，顯得勢在必行[12-15]。

同時我國高速鐵路行業設計規范未給予牽引變電站電力系統電源進線避雷線足夠重視，至今未有標準明確要求牽引變電站電源進線避雷線是否應該與變電站接地網連接，造成高鐵沿線部分牽引變電站接地網連接電源進線避雷線，而部分牽引變電站接地網不連接電源進線避雷線。

當牽引變電站發生接地故障時，入地電流主要通過牽引變電站接地網、綜合接地系統和電力系統電源進線避雷線向大地散流，經變電站接地網向大地散流的電流將在變電站內引起地電位升、接觸電壓和跨步電壓。因此，準確測量得到牽引變電站分流系數對評估變電站的接地安全性至關重要[15-17]。

本文對深茂高鐵江茂段沿線馬踏和合山牽引變電站開展接地安全性現場測量與數值仿真計算分析，以歸納總結一套系統的牽引變電站安全性評估校驗方法，為相關設計標準制定提供參考[20]。其中，馬踏牽引變電站接地網與兩路電源進線避雷線不連接，合山牽引變電站接地網與兩路電源進線避雷線連接。

1 測量與計算方法

馬踏牽引變電站和合山牽引變電站位于廣東深茂高鐵沿線，兩牽引變電所接地網采用相同設計，如圖1所示。地網長74 m、寬60 m，埋深0.8 m，總面積4 440 m2。水平接地體為橫截面150 mm2銅絞線，總長1 170 m。垂直接地極采用φ17.2 mm、長2.5 m純銅棒，共計44根。

在馬踏和合山牽引變電站站址處，采用DET2/2全自動數字式接地電阻測試儀，依據等距Wenner四極法測量變電站站址處土壤結構數據，并在CDEGS中分析實測數據以確定等效水平分層土壤結構。

采用8000型接地裝置特性參數測量系統，在牽引變電站綜合接地箱處注入類工頻電流，采用夾角法布線測量兩牽引變電站的接地阻抗。在CDEGS中搭建牽引變電站接地裝置數值計算模型，結合測量分析的站址土壤分層結構數據，仿真計算兩牽引變電站接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和地電位升等。

在牽引變電站內綜合接地箱處，通過電纜將牽引變電站接地網與貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線連接。馬踏牽引變電站接地網與兩路110 kV電源進線避雷線不連接，通過絕緣子串隔離，如圖2所示。合山牽引變電站接地網與兩路110 kV電源進線避雷線通過電纜連接，如圖3所示。當牽引變電站發生接地故障時，入地電流主要通過牽引變電站接地網、綜合接地系統和電力系統電源進線避雷線向大地散流，其中綜合接地系統主要包括貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線等[18-19]。

測量變電站分流系數時，仍采用8000型接地裝置特性參數測量系統，并結合4023耦合變壓器、4024大功率信號源、可調頻率萬用表和柔性ROGOWSKI線圈等，測量變電站接地網、鐵路貫通地線、鋼軌回流線、架空回流線以及電力系統電源進線避雷線對應的電流分流，計算分析得到各部分對應的分流系數。

圖1 馬踏和合山牽引變電站接地網設置(單位：m)

圖2 馬踏牽引變電站接地網不連接電源進線避雷線

圖3 合山牽引變電站接地網連接電源進線避雷線

2 測量與計算結果

馬踏和合山牽引變電站站址處土壤結構測量及分析結果見表1，馬踏牽引變電站處土壤結構等效為水平五層分層結構，合山牽引變電站處土壤結構等效為水平三層分層結構。

表1 牽引變電站土壤結構測量分析結果

馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測量和仿真數值計算結果見表2。馬踏牽引變電站接地阻抗的測量值和數值計算值分別為1.885 Ω和1.903 Ω，合山牽引變電站接地阻抗的測量值和數值計算值分別為1.835 Ω和1.845 Ω。牽引變電站工頻接地阻抗均遠大于0.5 Ω，不滿足標準限值。同時由測量計算可知，馬踏和合山牽引變電站接地阻抗非常相近，分別為1.885 Ω和1.835 Ω。

表2 馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測量和計算結果

兩牽引變電站選址和施工非常相近，均位于兩個被削平的山頭上方，站址處以沙土礫石為主，變電站站址處土壤電阻率明顯偏高，同時兩變電站接地網未采用額外降阻措施，導致兩變電站接地阻抗顯著高于標準限值。

馬踏和合山牽引變電站分流系數現場測量結果見表3。馬踏牽引變電站接地網分流系數為32.33%，綜合接地系統分流系數為70.08%，其中貫通地線、架空回流線和鋼軌回流線分別為21.18%、22.88%和26.02%。合山牽引變電站接地網分流系數為14.33%，綜合接地系統為66.24%，電力系統電源進線避雷線為21.56%，電源進線避雷線分流系數高于變電站接地網分流系數。

表3 馬踏和合山牽引變電站分流系數測量結果

馬踏和合山兩牽引變電站接地阻抗非常相近，分析比較分流系數測量結果可知：牽引變電站接地網與電源進線避雷線連接與否對變電站接地網分流系數影響巨大，對綜合接地系統分流系數影響比較小。變電站接地網連接電源進線避雷線后，變電站接地網分流系數顯著下降，馬踏和合山牽引變電站接地網分流系數分別為32.33%和14.33%，相差18.00%。

3 牽引變電站接地安全分析校驗

馬踏和合山牽引變電站接地網分流系數分別為32.33%和14.33%，當牽引變電站內入地短路為7 000 A時，經變電站接地網向大地散流的電流分別為2 263.1 A和1 003.1 A。在CDEGS中建立牽引變電站接地網數值計算模型，仿真計算牽引變電站發生接地故障時，變電站內地電位升、接觸電壓和跨步電壓分布分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 馬踏和合山牽引變電站地電位升分布

圖5 馬踏和合山牽引變電站接觸電壓分布

圖6 馬踏和合山牽引變電站跨步電壓分布

牽引變電站內最大地電位升和網內電勢差統計見表4。合山牽引變電站最大地電位升為1 840.1 V，低于2 000 V。馬踏牽引變電站最大地電位升為4 245.2 V，高于2 000 V但低于5 000 V：根據GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》，當變電站接地網電位升高于2 kV但低于5 kV時，應進一步校驗變電站內接觸電壓和跨步電壓，確保低于安全限值，以保證人身和設備安全[3]。此外，馬踏和合山牽引變電站接地網內最大電勢差分別為1.81 V和0.78 V。因此，牽引變電站接地網連接電源進線避雷線后，站內最大地電位升和接地網內最大電勢差均顯著下降，降幅分別高達56.65%和56.91%。

表4 牽引變電站接地網地電位升仿真計算結果

在馬踏和合山牽引變電站院內，設置瀝青高阻層，厚20 cm，電阻率為5 000 Ω·m。兩牽引變電站發生接地短路故障時，短路電流最大持續時間為0.1 s。由以上可計算得到馬踏和合山牽引變電站接觸電壓和跨步電壓的安全限值，見表5[2，21]。變電站接地網邊角處和短路電流入地處附近最大接觸電壓和最大跨步電壓統計值見表6。

馬踏牽引變電站內接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為2 826.5 V和602.4 V，合山牽引變電站內接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為1 375.9 V和316.7 V。馬踏和合山站內接觸電壓和跨步電壓均低于標準安全限值。比較可知，牽引變電站接地網連接電源進線避雷線可顯著降低站內最大接觸電壓和最大跨步電壓，降幅分別為51.32%和47.43%。

由以上分析可知，馬踏和合山牽引變電站內的接觸電壓、跨步電壓和地電位升等接地安全指標均滿足設計標準要求。在完成以上接地安全性校驗之后兩變電站已經投入運行，深茂高鐵江茂段現已通車運營。

表5 牽引變電站接觸電壓和跨步電壓安全限值 V

表6 牽引變電站不同位置接觸電壓和跨步電壓最大值

4 結論

(1)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗應結合工程具體情況整體考慮，避免只簡單注重接地阻抗值是否低于0.5 Ω。

(2)高速鐵路牽引變電站接地網應與電力系統電源進線避雷線連接，此舉將顯著降低變電站接地網分流系數以及站內接觸電壓、跨步電壓和地電位升，降幅分別為51.32%，47.43%和56.65%。

(3)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗，建議遵循以下步驟方法：在準確測量變電站場址土壤結構和變電站分流系數的基礎上，借助數值仿真分析軟件，來評估校驗變電站接地安全性。