集寧至通遼鐵路牽引變電所接地網(wǎng)設計研究

邢玥，耿占權(quán)

（1.中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院；2.中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司）

1 概述

集通鐵路為內(nèi)蒙古自治區(qū)的一條重要鐵路干線，西起烏蘭察布市，東至通遼市，正線全長923km。全線新建曹不罕、商都、化德等共20座牽引變電所，其中賽音呼都格、好魯庫、蒙根塔拉等8座牽引變電所的所址處于高土壤電阻率地區(qū)，造成接地電阻超標。牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的心臟，為電力機車提供可靠的、不間斷電源。接地系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響變電所設備的穩(wěn)定性及人身安全。由于牽引變電所受地質(zhì)、地形、高土壤電阻率等條件的影響，使接地系統(tǒng)的接地電阻值必須滿足相關(guān)國家規(guī)范的要求，在工程設計中存在一定困難。

2 現(xiàn)場環(huán)境概述

以好魯庫牽引變電所為例，對接地網(wǎng)的前期進行設計。

根據(jù)《鐵路工程物理勘探規(guī)范》TB10013—2010規(guī)定，物探所四次從不同方位對擬建牽引變電所周圍土壤進行測試，計算得到表層土壤電阻率的實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壤采集數(shù)據(jù)

地層表覆第四系全新統(tǒng)沖湖積（Q4eol），巖性為中砂，0m～3m為褐黃色稍密、3m～7m為中密、7m以下為密實潮濕，成分以石英長石為主。勘測期間未見地表水。地下水類型為第四系孔隙水，埋深大于10m。

2.1 設計方案

設計方案根據(jù)TB10009-2016《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》，GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》及IEEE Std 80-2000《交流變電站安全接地導則》等依據(jù)，進行計算。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，電阻的計算建立在均勻土壤電阻率基礎(chǔ)之上[1]。通過計算得到土壤電阻率ρ＞500Ω·m，屬于高電阻率地區(qū)，僅采用復合接地形式的人工接地網(wǎng)，接地電阻很難達到規(guī)范要求。在復合接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用深井接地的方法，達到接地電阻的要求和分流問題。

2.2 設計主要內(nèi)容

①接地裝置采用復合接地形式：水平接地體采用150mm2的銅絞線接地體，埋深1m；垂直接地體采用φ20銅棒，長4m。當接地網(wǎng)與電纜溝交叉時，接地網(wǎng)應在電纜溝底面0.6m下埋設，禁止從溝內(nèi)穿越。

②該牽引變電所采用深井接地，接地體深入地下水層，有效降低接地網(wǎng)工頻接地電阻，達到降阻效果，增強了分流效果。

3 高土壤地區(qū)接地電阻的計算

工程設計根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》附錄A中的人工接地極工頻接地電阻的計算[2]。

3.1 復合接地網(wǎng)的水平接地電阻

均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網(wǎng)的接地電阻，計算如下：

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻；Re為等值（即等水平接地極總長度）方形接地網(wǎng)的接地電阻；S為接地網(wǎng)的總面積；ρ為土壤電阻率；L0為接地網(wǎng)的外緣邊線總長度；L為水平接地網(wǎng)導體的總長度;h為水平接地體的埋設深度；d為等效水平接地體直徑。

根據(jù)工程設計中室外接地平面布置圖可知，S為6238.75m2；L為2800m；h為1.0m；L0為321m；d為0.01236m；計算得出Rn為8.72Ω。

3.2 典型雙層土壤垂直接地極的接地電阻

典型雙層土壤中，深埋單根垂直接地極接地電阻RV，計算如下：

工程設計中，選定垂直接地體長4m的銅棒，根據(jù)物探資料，垂直接地極穿過雙層土壤，因此選取l＞H的計算方法：

深埋n根垂直接地極接地電阻Rn，計算如下：

式中：ρa為等效土壤電阻率；l為垂直接地極的長度；d為接地極等效直徑；ρ1為上層土壤電阻率；ρ2為下層土壤電阻率；H為上層土壤厚；n為接地極數(shù)量。

3.3 復合接地網(wǎng)接地電阻

復合接地網(wǎng)接地電阻R i

式中：ηi為計及各接地極間的相互影響的沖擊利用系數(shù)。

根據(jù)實際設計的接地網(wǎng)面積，任意垂直接地極的間距不小于垂直接地極長度的2倍，垂直接地極應埋設在水平地網(wǎng)的交點處，可得接地極數(shù)量為80根，經(jīng)過計算，復合接地網(wǎng)接地電阻為3.92Ω，不滿足國家規(guī)范[3]的允許接地電阻要求。

3.4 深井接地電阻計算

根據(jù)物探資料，深井接地采用Φ50鋼管，并放置150mm2銅絞線，水層敷設長度不小于10m，降低了接地網(wǎng)的接地電阻。

將ρ2為30Ω·m，H為4m，l為14m，d為0.05m，代入式(5)～(8)中，得到深井接地后接地電阻值為0.41Ω。通過增加8套深井接地，使0.41Ω＜0.43Ω，滿足國家規(guī)范。

設計接地網(wǎng)時，采用擴大地網(wǎng)、加大地表土壤電阻率、深井等降阻措施，進行地網(wǎng)敷設施工后，應實測接地電阻值，要求不大于允許值，跨步電壓和接觸電壓[4]滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.5 方案比較及選取

從工程成本的角度分別對兩個方案進行對比，確定最佳方案。

方案一，采用回填BST-Ш長效物理防腐回填料加深井接地的措施來實施降阻，同時，每根垂直接地極的埋設采用了深井接地的辦法施工。建議回填地溝時采取換土措施，建議水平地溝回填電阻率不大于100Ω·m的土壤20cm。BST型深井接地極牽引變電所預算如表2所示。

表2 BST型深井接地極牽引變電所預算

方案二，深井接地采用Φ50鋼管，并放置150mm2銅絞線，深井接地極牽引變電所預算如表3所示。

表3 深井接地極牽引變電所預算

通過表2與表3對比，工程設計選取方案二。方案二滿足接地電阻的要求，同時節(jié)約投資約4.8萬，節(jié)約了經(jīng)濟成本。

4 結(jié)語

本文以集通鐵路線的好魯庫牽引變電所為例，結(jié)合工程造價的因素，對接地網(wǎng)的前期設計進行設計。對高土壤電阻率的牽引所接地網(wǎng)進行降阻措施，同時滿足接觸電勢和跨步電勢的規(guī)范要求，確保人身和設備安全，并節(jié)約工程成本。