地铁区间牵引混合变电所接地系统分析及施工技术研究

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摘要：本文结合昆明机场地铁线，分析了影响接地系统的各项因素，介绍了区间变电所接地系统设计方案，重点对接地装置材料选择、降低接地电阻方法等措施进行了分析，以满足地铁牵引混合所接地系统的要求。同时，对区间牵引混合变电所接地纳入综合接地系统的工程实施方案、接口方案及牵引混合变电所地网测量技术进行了介绍。

关键词：地铁接地系统区间牵引降压混合变电所施工技术

中图分类号：U231文献标识码： A

1、引言

城市不断的扩大导致交通越来越拥挤，因此近年来各大城市都在不断的改善城市交通环境，除了地面交通以外，各大城市都在不断发展空间的交通，因此轻轨和地铁交通网络在各大城市不断形成，从而缓解城市的交通压力，牵引混合变电所是地铁供电的核心之一，而接地系统是保证牵引混合变电所安全可靠运行和保护人身及设备安全的重要设施。本文以昆明地铁机场线（昆明6号线）区间牵引混合变电所的接地网情况为基础进行研究。

2 、工程概况

昆明地铁机场线是连接市区与长水新国际机场的地铁交通线，起点东部客运汽车站，终点长水国际机场，全长18.18km，由于是郊区地段，因此仅设4个车站，最大区间东部客运汽车站至大板桥站，长度为10.3km，根据直流供电的特点，在区间内设置了4个区间牵引降压混合变电所进行供电，由于当地为卡斯特地貌，溶洞和岩石遍布，因此变电所的地网的接地电阻达到设计要求极为困难，因此我们开始探索在这种情况下的接地系统的分析与施工研究。

3、接地系统概述

所谓“地”，是指大地的导电团，其电位在任何一点都等于零。接地是一种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的某种较大的导电体。接地的目的是使连接到大地的导体具有等于或近似于大地的电位。与大地紧密接触并形成电气接触的一个或一组导电体称为接地极或接地体。

图1接地电流扩散示意图

接地系统设有一金属球，将其一半埋在地下，当电流I通过金属球接地体向大地作半球形散开时，在大地上距球心不同的半径上的各点就有不同的电位φ，如图1所示。随着与球心距离的增大，电位越来越低，这时接地体的电位φ和注入电流I之比，被定义为接地体的接地电阻R＝φ/I。随着与球心距离的增大，电位越来越低，理论上，距球心无限远处为零电位。实际上，电流流过一段距离后，电流密度已经很小，它的电位梯度dφ/dl，可以被认为是0。若注入的电流为直流，便是直流接地电阻，若注入的电流为交流工频电流，便是工频接地电阻，若注入的电流为冲击电流，便是冲击接地电阻。一般用接地电阻测试仪测试的是工频接地电阻。

由于地铁区间短，同时信号采取的是全闭塞电路，因此一个供电臂内行驶的车辆数量多，导致牵引供电系统的负荷大，牵引变压器容量大和短路电流大。因此，牵引变电所接地设计应以接地短路故障时，地电位能满足人身及设备安全要求为设计标准。以下通过分析影响接地系统的各项因素，进一步研究牵引混合变电所接地系统的设计方案，提高接地系统的施工水平，全面提升牵引混合变电所的系统可靠性。

5、影响接地系统的各项因素

（1）土壤电阻率对接地系统的影响

土壤电阻率是接地系统的一个常用参数，土壤电阻率较高将导致变电所接地电阻偏大。降低变电所接地电阻值能够提高变电所防雷水平，满足变电所接地电阻设计要求及运行的安全。土壤电阻率并不是一个恒定的值，它受土壤类型与土壤结构、土壤中导电离子浓度和土壤中的含水量、温度与湿度等的影响而发生较大的改变，同时由于土壤电阻过大，通常采取降阻剂和粒子接地极方式降低电阻。

（2）接地材料对接地系统的影响

铜接地体与热镀锌钢接地体在导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面均有差异。铜的导电率是钢的8倍，其接地体导电性能比钢材料好。接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1／10～1／50，是镀锌钢的耐腐蚀性的3倍以上，而且电气性能稳定。

（3）接地方式对接地系统的影响

牵引混合变电所接地方式有独立接地和综合接地两种方式。独立接地一般在常规牵引混合变电所接地设计中使用，一般接地网电阻均按0．5 Ω设计，综合接地系统以贯通地线、钢轨、接触轨回流线为骨架，通过横向连接线分支接入沿线混凝土钢筋、钢结构等沿线金属体构成的立体接地网络。沿线地铁施工利用等电位原则可靠连接，实现等效低电阻接地的设备及人身安全防护。

6、牵引变电所接地系统设计方案

地铁牵引混合变电所接地设计，要求地电位不应超过1685 V，牵引混合变电所地网电阻不应高于0.105 Ω。传统的接地方式已无法满足人身及设备安全要求，需进行优化。根据上述分析，牵引混合变电所接地系统拟设计如下：

（1）降低接地电阻措施

首先由于接地体的接地电阻R与土壤电阻率成反比，可以考虑更换土壤，即采用电阻率较低的土壤替换原土壤，以达到降低电阻率的目的。但这种方法施工费用较高，所需回填土按变电所常规面积计算至少要3600 ;其次适当增加接地体长度和体积或者将接地体深埋到土壤电阻率较低的土壤中；另外可以采取物理降阻的方式，在接地极周围敷设降阻剂，也可以增大接地极外形尺寸，降低与其周围大地介质之间的接触电阻，从而在一定程度上降低接地极的接地电阻， 降阻系数一般为1.5，增加粒子接地极也可降低接地电阻。

（2）接地装置材料选择

牵引变电所接地系统长期安全可靠运行的关键在于采用品质好的接地材料，目前通用的接地装置是采用铜材料和粒子接地极。地铁牵引混合变电所接地系统接地体材料尽量采用铜材，以保证接地系统长期安全可靠运行；铜接地体施工方便。由于铜绞线柔性好，允许的弯度半径小，所以拐弯方便，穿管容易，水平主网推荐采用铜绞线。铜线的高机械强度，使其能够成卷供货，便于机械化施工。搭接处采用放热焊接，操作方便，施工进度快，节省人工费用，简化施工工艺，更重要的是保证了铜接地网的连接质量。推荐垂直地网采用镀铜钢接地棒，由于接地棒截面远小于角钢， 在做垂直接地施工时工作量减少，并能垂直深入土壤，使通过加大垂直接地深度来降低接地电阻成为一种可能。

（3）不等间距布置

在常规的接地网设计中，一般按等间距布置均压带，但由于端部和邻近效应，接地网边角处泄漏电流远大于中心处，导致接地网电位分布很不均匀，而采用不等距方式布置接地体，可以有效地改善接地网的泄漏电流密度分布，使接地网各处的泄漏电流密度基本一样，从而使接地网的地电位分布变得均匀，并且接地网中心的接地体能充分发挥散流的作用；其次采用不等间距布置可以降低接地网最大接触电势，从而提高接地网的安全可靠性，同时不等距接地网比等间距地网还可节约20％~30％接地材料。

（4）接地方式的选择

地铁接地应该纳入综合接地系统，减小等效接地电阻。采用综合接地后，牵引混合变电所接地电阻应计算整个综合接地系统的等效电阻，如不能满足要求时，可通过在综合接地系统内增加接地极的方案，改善等效电阻。该方案远比牵引混合变电所采取加密垂直接地极、外引接地、移土填沟、降阻剂等“独立接地”的设计方法易于实现而且经济。设置综合接地后，沿线的牵引变电所地网、信号设备地网、钢轨回流、接触轨支架、地铁电力设备接地等均与综合地线相连，以达到等效接地电阻非常小的目的。

（5）其他辅助措施

为确保人身和设备安全，还可设置以下辅助措施：

(1)设置可靠的继电保护装置，尽快切除短路电流；

(2)接地电位线尽量平缓；

(3)采取安全运行措施，如规定运行人员操作和巡视时穿戴绝缘靴或绝缘手套，以及铺设电阻率高的路面等。

总之，接地的实质是控制变电所发生接地短路时，故障点地电位的升高。因此接地主要是为了设备及人身的安全，起作用的是电位而不是电阻，接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数，但不是唯一的参数。重要的衡量指标是故障时的地电位。高速铁路短路电流大，牵引变电所采用“独立接地”已无法满足故障时人身及设备安全要求。牵引变电所接地必须纳入综合接地系统，并对短路故障时地电位进行校核。

7、地铁牵引混合变电所地网测量技术

（1）牵引变电所接地测量方案

1）测量方法

地铁牵引混合变电所接地测量一般采用用地阻仪测接地电阻进行测试。

图 2用地阻仪测接地电阻（直线布极）

地阻仪进行接地电阻值测量时，应将地阻仪平放，调整G的指针至零位。然后将倍率调整旋钮S放在较高挡位，慢摇发电机GR，同时转动测量度盘C，使指针至零时测量度盘C示数乘以倍率调整旋钮倍数即为接地电阻值。若C转至读数最小而指针不为零，这时应将倍率调整旋钮S换到较小倍率档后继续调整测量度盘C直至指针正好为零，这时测量度盘C示数乘以倍率调整旋钮倍数即为接地电阻值。

2）测量注意事项

接地装置的工频特性参数尽量在干燥季节时测量，而不应在雨后立即测量。

当被测接地装置的面积较大而土壤电阻率不均匀时，为了得到较可信的测试结果，可把电流极离被测接地装置的距离增大，具体参数可结合工程具体情况确定；同时，电压极离被测接地装置的距离也相应地增大。

在工程设计的前期，必须有一个整体的牵引变电所接地纳入综合接地系统的工程方案系统规划，做好预留预埋等工作，以避免后期引起土建工程变更。

地网测量也是牵引混合变电所接地系统的一个重要组成部分，在综合接地系统完成后，必须对地网进行测量。如不能满足要求，应通过在综合接地系统内增加接地极的方案，改善等效接地电阻。

8、结束语

近年来，我国地铁事业正处于快速发展阶段，地铁的发展对牵引混合变电所接地系统提出了更高的要求。接地是一项系统性的工程，接地系统也是工程设计的难题之一，需要进一步加强相关专业的研究，提高地铁接地系统的性能，从而确保地铁安全性和可靠性。