武广铁路客运专线综合接地标准化设计

2010-01-25刘立峰周南骏

铁道标准设计 2010年1期

刘立峰,周南骏

(中铁二院工程集团有限责任公司通号院,成都 610031)

1 概述

当前,我国铁路客运专线项目建设步伐加快,常规普速铁路接地方式已不能适应客运专线铁路发展的需要。针对我国客运专线的特点,结合“以人为本”的设计理念,将高速铁路沿线各种接地有机、合理地结合起来,保证各系统设备之间实现等电位连接,减少不同系统设备之间存在的电位差及可能造成的人身和设备安全隐患。为此,铁道部在借鉴国外高速铁路综合接地系统工程运用经验基础上,不断总结我国工程实践经验,将铁路综合接地系统作为装备客运专线铁路的关键系统之一。

1.1 综合接地概念

铁路工程是一个分布式多专业协同运行的系统工程,沿线构筑物涉及桥梁、隧道、路基、信号、通信、信息、电气化、电力、机械、环工、给排水等多个专业,电气化、电力、信号、通信等电气和电子系统设施分散设置在铁路沿线,为保证人身安全、设备安全和系统正常运行,各系统均有接地要求。武广铁路客运专线在设计初期引进国外接地理念,结合高密度行车、牵引回流大、接地需求设备多等特点,提出综合接地系统方案,以提高全线接地系统的质量和接地效果。武广铁路客运专线综合接地系统以贯通地线为主干,充分利用沿线桥梁、隧道、路基地段构筑物设施内的接地装置作为接地极,形成低阻等电位综合接地平台,为铁路沿线系统设备、设施提供接地。

1.2 武广铁路客运专线综合接地实施方案研究

武广铁路客运专线综合接地实施方案在研究过程中,对综合接地接入范围、构筑物接地装置等方面进行了专题研究。

1.2.1 综合接地接入范围

综合接地接入范围的研究的主要是针对强、弱电系统接地能否共用接地系统的讨论,即是采用“大综合”还是“小综合”。“小综合”仅是满足通信、信号等弱电系统设备设施的综合接地,“大综合”则是满足电气化、电力等强电系统和通信、信号等弱电系统设备设施及其他金属构件的接地需要。借鉴国内大型建筑接地和国外接地工程建设经验,武广铁路客运专线综合接地系统按照“大综合”的思路设计,综合接地系统平台为沿线强、弱电系统设备、设施提供可靠接地。为防止强电压通过接地网反击低电压设备,应保证具有一定的地中距离，使得沿接地体传播的过电压衰减到不危险的程度,按照目前的国家规范，其地中距离应不小于15 m。

1.2.2 构筑物接地装置

构筑物钢筋接入范围主要是对桥梁、隧道、建筑物接地装置中接地钢筋的设置要求。土建结构物中有预应力钢筋和非预应力钢筋,为了增强钢筋混凝土构件中的钢筋强度,充分利用高强度材料弥补混凝土与钢筋拉应变之间的差距,通常把预应力运用到钢筋混凝土结构中，即在外荷载作用到构件上之前,预先用某种方法,在构件上施加压力,构成预应力钢筋混凝土结构,达到延迟构件裂缝的出现和开展。为了不对土建构筑物结构带来影响,经研究确定构筑物非预应力结构钢筋不接入综合接地系统。另据相关资料,交流电对钢筋的电腐蚀很小,借鉴德国铁路综合接地理念,综合接地应充分利用土建构筑物中的非预应力结构钢筋做接地极,以加强接地效果。

2 实施方案

武广铁路客运专线综合接地系统实施方案通过理论研究,并结合我国第一条无砟轨道试验段遂渝线综合接地试验验证的情况,最终确定了桥梁、隧道、路基、站台、轨道地段综合接地接口工程和综合接地系统平台的构建方案。系统平台主要包括贯通地线及横向连接(平衡两侧电位)、接地装置、接地端子及各部分的等电位连接。该实施方案在铁道部组织编写的《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》(铁建设[2007]39号)中得以借鉴。

2.1 桥梁综合接地

桥梁地段贯通地线敷设在两侧电缆槽内。利用桥墩基础部分非预应力结构钢筋(以下称结构钢筋)做接地极,有效降低桥梁地段综合接地系统的接地电阻；利用桥梁上表层的局部纵向结构钢筋做接触网闪络保护接地装置；在桥墩顶帽及桥梁底部、电缆槽底部、护栏基础上部、防护墙侧面适当位置预置接地端子,并与接地装置钢筋可靠焊接；利用桥梁上表层横向结构钢筋实现两侧贯通地线的横连；通过L形连接器将贯通地线与电缆槽底部接地端子连接,从而实现桥梁接地装置与综合接地系统间的等电位连接。桥梁上有接地需求的设备设施均通过预置的接地端子实现接地连接。图1为箱梁接地装置断面图。

图1 箱梁接地装置断面

2.2 隧道综合接地

隧道地段贯通地线敷设在两侧电缆槽内。利用隧道初期支护锚杆或底板基础结构钢筋做接地极,有效降低隧道内综合接地系统的接地电阻,接地极以台车位的长度为单元施作,可有效控制工程质量；利用隧道二次衬砌内及电缆槽侧壁的结构钢筋做接触网闪络保护接地装置,以确保接触网断线故障情况下,隧道内的人员及系统设备安全；在电缆槽底部、侧壁及隧道洞室内适当位置预置接地端子,并与接地装置的钢筋可靠焊接；通过L形连接器将贯通地线与电缆槽底部接地端子连接,从而实现隧道接地装置与综合接地系统间的等电位连接；通过接地装置内的环向接地钢筋实现两侧贯通地线的横向连接。隧道内有接地需求的设备设施均通过预置的接地端子实现接地连接。图2为隧道初期支护接地极断面图。

图2 隧道初期支护接地极断面

2.3 路基综合接地

路基地段的贯通地线埋设在电缆槽下方,每隔500 m将两侧贯通地线横向连接1次。利用接触网支柱钻孔桩基础结构钢筋做接地极,有效降低路基段综合接地系统的接地电阻；通过接地分支引接线将接地极与贯通地线可靠连接。支柱基础侧面预置的接地端子供轨旁设备设施接地连接使用。接触网H型钢柱及无砟轨道的接地均采用不锈钢连接线与基础轨道侧的接地端子在外部进行连接。信号等弱电轨旁设备的接地采用接地连接线与基础电缆槽侧面的接地端子连接。当有信号设备接地时,该处的接触网H型钢柱则不再与基础接地端子连接,避免了强、弱电接地点同位置的情况,防止了强电流通过钢柱接地连接对弱电设备造成反击损坏的隐患发生。

2.4 站台范围综合接地

站台区人员流动较大,设备相对集中。鉴于高速铁路牵引电流大(25 kA以上)的特点,必须采取必要的措施,保障人身安全和设备安全。接地需求主要包括：为解决跨步电压对人身安全的危害,要求站台墙上表面靠线路侧60 cm范围内的结构钢筋均需接地；站台区域长度超过2 m的金属构件均需接地；站房等建筑物共用接地系统与综合接地系统等电位连接。

按照上述接地需求,对站台区域接地装置设备作出规定。站台墙接地装置：在站台墙内利用局部结构钢筋构成接地装置,在站台墙下部侧面预置接地端子与贯通地线连接。雨棚柱等金属构件的接地方案：利用雨棚网架各金属构件及金属柱作防雷接闪器及引下线,利用各柱基础承台内主钢筋作接地装置,雨棚接地体与站房接地网连接。建筑物防雷接地：按照相关防雷接地设计规范的要求,设计建筑物共用接地系统,接地网在两端与贯通地线进行等电位连接。

2.5 无砟轨道综合接地

无砟轨道接地装置是为接触网闪络保护的接地措施。参照国外经验,利用无砟轨道板上层局部纵向结构钢筋,每百米构成一个接地装置,并与综合接地系统等电位连接1次,实现对轨旁人员及设备设施的安全防护。桥梁地段的无砟轨道接地连接至防护墙侧面的接地端子,隧道地段的无砟轨道接地连接至电缆槽侧壁的接地端子,路基地段无砟轨道连接至接触网支柱基础侧面的接地端子。在站内道岔区转辙机安装位置的无砟轨道处预置接地端子,供转辙机接地连接；到发线无砟轨道接地装置与正线无砟轨道接地装置间进行等电位连接,线间其他金属构件可就近与无砟轨道接地端子连接,实现与综合接地系统的连接。

2.6 过渡段接地装置连接

在路基与桥梁、隧道过渡段的综合接地系统衔接方面,细化贯通地线接续实施方案。由于路基地段贯通地线埋设在电缆槽下方,桥梁、隧道地段贯通地线敷设在电缆槽内,为便于现场施工和工程质量控制,采用通过接地端子在电缆槽内过渡连接的方式实现。即在过渡段电缆井内预置接地端子,端子尾端与贯通地线压接,桥梁或隧道电缆槽内贯通地线沿电缆槽引至接地端子处并与之连接,从而实现不同地段综合接地系统的等电位接地连接。

3 标准化设计

3.1 编制通用参考图

通过专业间的沟通和对实施方案的理解细化,完成桥梁、隧道、路基、站台综合接地通用参考图的设计。其中,在桥梁综合接地参考图中,结合桥梁地段的具体工点完成明挖基础和桩基础桥墩接地极设计图、箱梁及跨线桥综合接地等设计图；在隧道综合接地参考图中,结合隧道具体工点完成Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道接地极及接触网闪络保护接地装置设计图；在路基综合接地参考图中完成路堤、路堑地段贯通地线敷设、接触网支柱基础接地极、电缆槽接地端子设置设计图等；结合站台类型,完成带边沟站台和不带边沟站台接地装置设计图。

武广铁路客运专线综合接地通用参考图为桥梁、隧道、路基、无砟轨道等工点设计图中的接地设计提供了依据,并为铁路工程建设通用参考图《铁路综合接地系统》(通号(2009)9301)的编制提供了经验和设计基础。

3.2 工艺要求

等电位连接作为综合接地系统设计最重要的基本要素之一,沿线各地段的接地装置间的等电位连接是构成综合接地系统平台的纽带和关键。因此,必须在施工工艺上要求高可靠性和可实施性强。

桥梁、隧道、路基、站台区接地装置内的接地钢筋必须可靠连接,参考国际国内相关标准,要求单边焊长度不小于100 mm,双边焊长度不小于55 mm,焊厚不小于4 mm。桥墩与桥梁接地装置间、无砟轨道与接地端子间均采用不锈钢丝绳等电位连接。桥梁、隧道接地装置在电缆槽内预置接地端子,采用专用的L形连接器与贯通地线等电位连接。路基地段的接触网支柱基础接地极通过分支引接线与贯通地线等电位连接。沿线各系统设备及金属构件等的接地均通过综合接地系统预留的接地端子连接。图3为接地端子与接地引接线、贯通地线等电位连接示意。

图3 接地端子及接地连接

4 界面划分

铁路综合接地工程是一项多专业综合建设、多专业综合使用的系统工程。在整个工程建设过程中,存在着设计分工界面、工程建设界面、系统接口界面,这几个界面如何划分是需要研究和明确的。

4.1 设计分工

设计是工程建设的先头兵,因此必须先要明确设计分工,确保工程无缝衔接,不遗漏。针对设计界面的不统一问题,铁道部工程设计鉴定中心组织召开了铁路综合接地设计研讨会,并形成会议纪要明确了设计分工,分工原则是由信号、电气化专业牵头完成综合接地总体设计,桥梁、隧道、路基、轨道、站场、结构等专业按照总体设计要求完成各工点接地装置设计。具体内容可详见“关于印发《铁路防雷、接地工程设计专业分工及文件编制研讨会议纪要》的通知”(铁道部鉴信[2007]96号)。

4.2 工程接口界面

综合接地系统涉及专业众多,系统建设贯穿武广铁路客运专线工程建设的全过程,系统平台构建涉及到前期的桥梁、隧道、路基、轨道、站场、房建等土建工程,后期系统设备接地接入涉及到通信、信号、信息、电力、电气化等众多专业。综合接地系统工程的实施可以说是一个接口工程的实施,接地系统平台的建设多为隐蔽性工程,接地钢筋的焊接和接地装置间的等电位连接质量都需要严格控制,界面划分不清直接制约着工程质量。

为建设一个高可靠的接地系统,武广铁路客运专线参照“关于印发《200～250 km/h客运专线综合接地实施方案专题工作会议纪要》的通知”(铁道部工管[2006]103号)中有关综合接地施工组织界面及责任范围的规定及相关规范标准,要求涉及土建施工的接地装置(主要包括接地极、接地端子等)随土建工程同步实施；贯通地线作为桥梁、隧道、路基、站场地段接地装置等电位连接的载体,由电务部门统一实施；各个环节严格把关,尤其是隐蔽工程中的接地钢筋可靠连接方面,要求严格按照施工工艺要求实施。并制订了桥梁、隧道、路基综合接地接口施工手册,在武汉试验段进行示范性工程试点,做到全线规范化施工。

4.3 系统接口界面

系统接口界面是指各系统设备设施接地与综合接地系统的接口,武广铁路客运专线参考设计分工和工程界面划分原则,将综合接地系统预留的接地端子作为综合接地系统与有接地需求的系统设备的接地接口界面。综合接地系统确保每个接地端子处的接地电阻不大于1 Ω,各系统设备在与接地端子连接时应对接入点的接地电阻进行复测。

5 经验及建议

5.1 经验

武广铁路客运专线在设计咨询中,将接口设计视为各铁路系统有机结合、安全运行的关键。尤其在综合接地设计中,将专业间互提资料提高到了工程接口的高度,专业间除了要提出明确的要求外,还应通过设计需求确认的方式,确保土建接口工程设计满足综合接地要求。在设计和工程配合过程中与土建工程设计、施工加强沟通,在理解设计意图的前提下完成接口工程设计和施工。对于参考图中未包括的典型工点,参考类似的典型工点综合接地设计图会审确定,设计方案应注意等电位连接和接地极的设置方案。