城市軌道交通地上線路接地體的沖擊接地電阻測試研究

王朝陽，馬九洋，魏志恒，王文斌

（1. 北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100068；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 引言

當(dāng)雷電波擊中桿塔或者避雷線時，大部分雷電流會通過接地裝置流入大地，如果接地電阻過高，雷電流會在塔頂產(chǎn)生極高的電壓，造成絕緣子閃絡(luò)，引起線路跳閘。近年來我國許多地區(qū)連續(xù)發(fā)生因為雷擊造成的停電事故，其大多是由于接地電阻過高造成的，因此準(zhǔn)確評估接地裝置的接地電阻對于合理設(shè)計線路桿塔接地體型式以及降低雷擊損害具有重要的指導(dǎo)意義。

接地體的評判指標(biāo)通常采用接地電阻，接地電阻可分為工頻接地電阻和沖擊接地電阻。當(dāng)前很多工程檢測人員簡單將工頻接地電阻作為沖擊接地電阻進行評判，這樣的做法是錯誤的且存在很大問題。兩種接地電阻分別對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，不可混為一談。雷電等沖擊電流通過接地裝置流向大地的時候，接地裝置所呈現(xiàn)的電阻稱為沖擊接地阻抗，通常習(xí)慣稱為沖擊接地電阻。

沖擊接地電阻阻值是接地體對地沖擊電壓波形幅值與沖擊電流波形幅值之間的比值。為使沖擊接地電阻具有更加明確的含義，取接地體沖擊響應(yīng)電壓最大值與沖擊電流最大值的比值作為沖擊接地電阻。沖擊接地電阻和工頻接地電阻之間的比值稱為沖擊系數(shù)。在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和研究文獻中已經(jīng)給出了部分接地體在不同土壤電阻率下的沖擊系數(shù)，用于將工頻接地電阻轉(zhuǎn)換為沖擊接地電阻。

然而在實測中發(fā)現(xiàn)，利用沖擊系數(shù)和工頻接地電阻獲取沖擊接地電阻數(shù)值時，接地體越大誤差就越大。對于城市軌道交通線路這種狹長分布的大型接地體而言，軌道線路的接地體形狀與當(dāng)前常見地網(wǎng)或接地體的形狀差別甚大，現(xiàn)有的相關(guān)沖擊系數(shù)計算曲線無法適用于城市軌道交通線路的接地體模型，應(yīng)盡可能采用有針對性的實測方法獲取沖擊接地電阻。

2 研究現(xiàn)狀分析

當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于沖擊接地電阻的測試方法有著多種標(biāo)準(zhǔn)要求，但是不同標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用面臨不同的現(xiàn)場可操作性和操作難度問題。而且將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)用于城市軌道交通地上線路接地體的沖擊接地電阻測試時，應(yīng)對方法中的具體參數(shù)設(shè)置進行適當(dāng)優(yōu)化。

2.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系分析

2.1.1 測試方法標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前關(guān)于沖擊接地電阻的主要測試標(biāo)準(zhǔn)有3個，分別為GB/T 17949.1-2000 《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則 第1部分：常規(guī)測量》、DL/T 266-2012 《接地裝置沖擊特性參數(shù)測試導(dǎo)則》和IEEE STD 81-2012《IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System》，其中GB/T 17949.1-2000與IEEE STD 81-2012中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本一致[1-3]。

GB/T 17949.1-2000中測試沖擊接地電阻，要求測試源發(fā)出的沖擊電流波形采用8/20 μs或者是 4/10 μs，電流幅值為1～100 kA[1]。DL/T 266-2012中認(rèn)為對于正在運行中的大型接地裝置，為避免引起地電位升高而危及人員設(shè)備安全，不應(yīng)使用大幅值的沖擊電流。因此DL/T 266-2012要求試驗電源最大輸出電壓為5 000 V，沖擊電壓波頭/波長時間為1～5 μs/50～80 μs，沖擊電流峰值不小于5 A[3]。

2.1.2 限值標(biāo)準(zhǔn)

GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)要求：對于一類防雷建筑物，根據(jù)4.2.1-4.2.4條規(guī)定，獨立接閃桿、架空接閃線或架空接閃網(wǎng)的接地裝置引下線（指用于將雷電流從接閃器傳導(dǎo)至接地裝置的導(dǎo)體）的沖擊接地電阻不宜大于10 Ω，在土壤電阻率高的地區(qū)，可適當(dāng)增大沖擊接地電阻，但在3 000 Ω · m以下的地區(qū)，沖擊接地電阻不應(yīng)大于30 Ω；對于二類防雷建筑物，根據(jù)4.3.6條中規(guī)定，其防雷引下線沖擊接地電阻不宜超過10 Ω，超過的話需要對接地體進行相應(yīng)改造達到標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求[4]。

參考GB 50057-2010中防雷建筑物的分類要求，以及城市軌道交通運營對安全性極高的重視程度，建議城市軌道交通線路的沖擊接地電阻不宜超過10 Ω，現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境極為特殊或土壤電阻率過高的復(fù)雜區(qū)域可適當(dāng)提高限值但不應(yīng)超過30 Ω。

2.2 現(xiàn)有研究文獻分析

沖擊接地電阻的測試分析方法主要包括實測、模擬、計算3方面。其中，文獻[5]給出了常見接地體的工頻接地電阻與沖擊接地電阻的換算系數(shù)[5]。文獻[6]提出了利用沖擊信號傳播時的電感效應(yīng)，在接地網(wǎng)內(nèi)部完成沖擊接地電阻測試的方法[6]。文獻[7]提出了綜合模擬測試和數(shù)值計算的沖擊接地電阻測量方法[5，7]。文獻[8]對桿塔模型的沖擊接地電阻測試提出了仿真分析模型，并分析了沖擊接地電阻的受影響因素[8]。文獻[9]提出了以多頻率組合測量代替標(biāo)準(zhǔn)雷電波形進行沖擊接地電阻測試的方法[9]。

對于沖擊接地電阻測試的影響分析主要包括沖擊信號源、接地體、土壤特性、測試電流極等幾方面。其中，文獻[10]從沖擊信號注入點位置、接地網(wǎng)埋深對測試的影響及接地體有效泄流面積進行了分析[10]。文獻[11]說明了沖擊波形的時間參數(shù)以及正負極性對于測試結(jié)果的影響程度[11]。文獻[12-13]著重分析了接地體形狀、電感效應(yīng)、火花效應(yīng)及土壤特性對于接地體沖擊接地電阻測試的影響；接地體在沖擊電流作用下存在有效面積，單純增大地網(wǎng)面積對沖擊接地電阻的降低作用有限；接地體的沖擊接地電阻主要受到地表淺層30 m深度土壤的影響，評價接地體沖擊接地電阻時，只需要獲取一定深度的土壤電阻率，不必進行大范圍深層土壤電阻率測量[12-13]。文獻[14-15]從測試電流極的形狀、接地電阻角度分析了對沖擊接地電阻測試結(jié)果的影響[14-15]。

2.3 當(dāng)前問題分析

目前關(guān)于接地體沖擊接地電阻測試方面的研究已有很多相關(guān)文獻資料，對于測試過程和測試方法中的影響因素也有較為細致的研究。但是對于城市軌道交通線路這種由垂直接地體、水平接地體等通過串并聯(lián)方式形成的立體狹長形狀的接地系統(tǒng)，還沒有明確的研究成果。

對于城市軌道交通線路接地體應(yīng)該采用何種形式的沖擊信號源、狹長型接地系統(tǒng)的有效泄流范圍、測試電壓幅值及測試電纜擺放方式對測試結(jié)果的影響等實際操作中會遇到的問題，還沒有明確的相關(guān)規(guī)定。

3 測試分析

3.1 沖擊源波形參數(shù)設(shè)置

GB/T 17949.1-2000和DL/T 266-2012分別對沖擊信號發(fā)生器的輸出電流和輸出電壓的波形參數(shù)進行了規(guī)定，這直接影響測試設(shè)備的選取、現(xiàn)場測試難易度及工作量。對于單一接地體而言，由于現(xiàn)場工程對接地體鋪設(shè)以及回填土的填埋、接地體下方的原始土壤地質(zhì)特點和土壤率的影響，小型接地體的沖擊接地電阻很容易達到10 Ω級別。如果按照GB/T 17949.1-2000中的要求，在電流幅值達到1～100 kA情況下，則接地體電位升會達到10～1 000 kV級別。能夠產(chǎn)生如此高幅值沖擊電位的沖擊信號源往往都是實驗室內(nèi)所用的測試設(shè)備，而且此類設(shè)備自身體積和重量十分巨大，進行現(xiàn)場測試時搬運十分困難。

一方面，在城市軌道交通線路建成投入運營之后，相關(guān)電氣電子設(shè)備均處于正常工作，或與線路間正常電氣連接的狀態(tài)，因此對于處于工作狀態(tài)的城市軌道交通線路接地體，應(yīng)避免使用大幅值的沖擊電流，以免出現(xiàn)引起地電位抬升過高而危及人員、設(shè)備安全的情況。另一方面，從國家標(biāo)準(zhǔn)體系分類角度，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)，而且更具有針對性。

因此對于城市軌道交通線路的沖擊接地電阻測試方法推薦參考DL/T 266-2012中的相關(guān)要求。建議沖擊信號源的輸出電壓不宜低于2 000 V；對于桿塔等小型獨立接地體，輸出電壓不宜低于500 V；輸出的浪涌波形應(yīng)滿足沖擊電壓波頭/波長時間在1～5 μs/50～80 μs內(nèi)。沖擊信號源發(fā)出的某種標(biāo)準(zhǔn)浪涌信號波形如圖1所示。

圖1 典型沖擊源發(fā)出的浪涌波形圖

圖中的浪涌波形中，波頭時間為1.2 μs，波長時間為50 μs。在測試過程中，可根據(jù)測試中得到的接地體對地電位波形，對沖擊源發(fā)出的浪涌波形參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整范圍滿足波頭時間在1～5 μs內(nèi)，波長時間在50～80 μs內(nèi)即可。測試時可采用不同充電電壓量級依次進行3～5次測量，然后取平均值作為測試結(jié)果。

3.2 地上線路接地體的有效泄流范圍

接地體在經(jīng)受沖擊電流時所體現(xiàn)出來的散流特性決定了接地體受沖擊電流引起的電位抬升水平與雷擊防護水平。

由于沖擊電流含有較高的高頻分量，因此除接地體自身電阻特性外，接地體的電感和電容分布參數(shù)也會受到非常明顯的影響。其影響程度，一方面與接地體的形狀設(shè)定有關(guān)，另一方面還和沖擊電流的波形、幅值以及土壤電阻率相關(guān)。

由于接地體自身電感對沖擊電流形成的阻礙效應(yīng)，沖擊電流難以從注入點流向大型接地體的遠端，進而難以充分利用全部接地體進行電流泄散。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，地網(wǎng)的沖擊接地電阻數(shù)值在一定范圍內(nèi)會隨著地網(wǎng)面積的增大而逐漸減小，但是到達與沖擊波形、地網(wǎng)自身參數(shù)和土壤電阻率相關(guān)的某個臨界值之后，就不會再與地網(wǎng)面積出現(xiàn)相關(guān)性，沖擊接地電阻的數(shù)值也近似穩(wěn)定。

沖擊電流在線路上向下泄散過程中，會引起線路方向不同程度的地電位抬升。通過線路上不同位置處地電位抬升的測試可以明確沖擊電流在城市軌道交通線路上的有效泄流范圍。測試注入點和注入點一側(cè)距離50 m、100 m處的地電位抬升情況，測點選擇在鋼支柱的接地引線處，沖擊電流的回流極選擇在線路上行側(cè)130 m處，地電位測點的零電位參考點選擇在線路下行側(cè)30 m處。測試過程中，相關(guān)測試線纜離地平均高度0.5 m。測試結(jié)果如表1所示。

表1 地電位抬升測試數(shù)據(jù)表

通過測試數(shù)據(jù)可知，50 m位置處接地體上的沖擊電位衰減降低至注入點地電位抬升量的10%；100 m處降低至注入點的3%左右。不同位置接地體沖擊電位分布圖如圖2所示，根據(jù)地電位抬升的分布規(guī)律，可以認(rèn)為沖擊電流在城市軌道交通線路上的有效泄散范圍不超過 100 m。

圖2 接地體沖擊電位分布圖

3.3 測試電壓幅值的影響

使用不同幅值沖擊電壓分別進行沖擊接地電阻測試，測試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)測試結(jié)果，較大沖擊電壓或是沖擊電流對應(yīng)的接地體沖擊接地電阻，比低幅值沖擊信號所得到的數(shù)值要小。這是因為當(dāng)雷電流經(jīng)過接地體泄放的時候，由于接地體周邊土壤中的電場強度較強，超過2.5～3 kV/cm時，容易出現(xiàn)局部放電的情況，由于局部放電擊穿了一定區(qū)域內(nèi)的土壤，從而降低了沖擊接地電阻。根據(jù)表2中的測試數(shù)據(jù)繪制出的圖形如圖3所示。

表2 沖擊接地電阻測試數(shù)據(jù)表

由圖3可以看出，沖擊接地電壓幅值與接地體對地沖擊電位之間是線性關(guān)系。沖擊接地電阻測試結(jié)果與沖擊電壓幅值之間是非線性關(guān)系，這是由于接地體進行沖擊電流測試時，土壤中產(chǎn)生火花放電效應(yīng)所導(dǎo)致?；鸹ǚ烹娦?yīng)類似于減少土壤電阻率或增加接地體導(dǎo)體直徑所起到的效果。出現(xiàn)土壤擊穿的區(qū)域越多，沖擊接地電阻的降低幅度越大。

圖3 沖擊電壓幅值對測試的影響分析圖

3.4 測試電纜離地高度的影響

將測試線纜通過絕緣支架懸掛于距離地面一定高度，由于線纜的弧垂效應(yīng)，因此實際上的電纜離地高度是變化的，分布范圍在0.4～1 m之間，平均高度經(jīng)過現(xiàn)場測量和計算，取值0.6 m。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試線纜離地高度的影響分析圖

由于受到測試線纜對地電容、電感分布參數(shù)影響，導(dǎo)致測試結(jié)果受到測試電纜離地高度的明顯影響，線纜平鋪于地表與離地平均高度0.6 m時相比，測試結(jié)果平均提高20%左右。因此在沖擊接地電阻測試中，應(yīng)盡可能采用絕緣支架將測試線纜架起一定高度，降低線纜對地參數(shù)的干擾影響。

4 結(jié)論

（1）對城市軌道交通地上線路接地體進行沖擊接地電阻測試時，為避免影響處于運行狀態(tài)的設(shè)備安全，可參考DL/T 266-2012中的相關(guān)要求，設(shè)置沖擊信號源的輸出電壓不宜低于2 000 V，輸出的浪涌波形應(yīng)滿足沖擊電壓波頭/波長時間在1～5 μs/50～80 μs內(nèi)。

（2）由于沖擊電流在泄放過程中，受到電感效應(yīng)影響，接地體的泄流范圍受到限制，根據(jù)實測結(jié)果，城市軌道交通地上線路接地體的泄流范圍在100 m之內(nèi)。

（3）沖擊電壓會對沖擊接地電阻的測試結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，且呈現(xiàn)非線性對應(yīng)關(guān)系，這是由于隨著沖擊電壓幅值的升高，土壤中出現(xiàn)火花放電效應(yīng)導(dǎo)致。

（4）測試電纜距離地面的高度會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)盡可能采用絕緣材料將測試線纜保持一定的離地高度；同時線纜之間成一定角度的分離狀態(tài)，減小線纜之間的電磁耦合對測試結(jié)果的影響。

在實測過程中發(fā)現(xiàn)，城市環(huán)境中的軌道交通線路周邊往往很難找到理想的空曠測試環(huán)境，當(dāng)線路周邊存在大型建筑物時，沖擊接地電阻測試結(jié)果很容易受到周邊建筑物的接地體干擾影響。因此可繼續(xù)展開相關(guān)研究，避免線路周邊建筑物對測試結(jié)果造成的干擾影響，得出在城市環(huán)境中的測試方法。

為制定城市軌道交通的防雷沖擊接地電阻相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，仍需進一步對城市軌道交通線路沖擊接地電阻展開實測研究，統(tǒng)計更多測試樣本，加深理論分析深度，總結(jié)出針對城市軌道交通的測試方法和測試限值要求。