高速铁路综合接地技术

肖苹刘立峰

（1铁道部经济规划研究院 高级工程师，北京 100038；2中铁二院工程集团有限责任公司 工程师，成都 610031）

1 概述

铁路综合接地技术一直是人身安全、设备安全的重要保障措施之一。我国高速铁路工程建设步伐加快，以往分散的接地方式不能适应高速铁路发展的需要。针对我国高速铁路的特点，结合“以人为本”的设计理念，需要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，减少不同设备、不同系统之间存在的电位差及可能造成的人身和设备的安全隐患。经过对国内外接地技术的研究、消化吸收和试验验证，提出高速铁路综合接地总体技术方案，建立了系统标准体系，并将其确定为装备我国高速铁路的重要系统之一。

2 实施综合接地技术的重要意义

2.1 国外高速铁路综合接地技术

高速铁路一般采用电力牵引供电，牵引回流和短路电流经过钢轨并在钢轨和与之相连的设施上产生对地电位差，当该电位差达到一定数量级时，将对人身和设备安全构成威胁。国外高速铁路国家根据自身铁路建设和技术发展的特点对铁路接地方式进行了全面的系统研究，形成了目前以法国（贯通地线、接地极、接地端子及接地连接线等构成，利用桥梁、隧道等土建结构钢筋做接地极）、德国（信号系统传输采用电缆方式，是以钢轨作为接地连接线，将沿线设备、设施及接地装置等电位连接）为代表的综合接地方式，建立了EN50122铁路接地安全评价体系，采用等电位连接方式，在铁路沿线形成面积非常大的综合接地体，增强接地效果。

2.2 我国高速铁路实施综合接地的重要性和必要性

我国电气化普速铁路的接地系统设计一直沿用前苏联模式，采用的是各系统的接地线分别设置、相互隔离的方式。随着提速、重载和高速铁路的建设，铁路系统大量运用各种电子设备。由于耐过压能力低，雷电高电压和雷电电磁脉冲侵入及接触网25 kV高压线、回流线所产生的电磁效应、热效应都会对系统设备造成干扰或永久性损失。在现场已暴露出分散接地体系由于缺乏统筹考虑，不仅成本高、接地效果差、相互干扰，而且长大桥梁、隧道及石质路基地段现场施工十分困难。

列车速度提高，钢轨电流增大，大幅值、强波动的牵引回流在钢轨中流动将产生钢轨电位，对人身安全、信号系统等的正常工作和设备安全，乃至于对行车安全构成非常大的影响。铁路线路的桥、隧比重加大，必须采取特殊的措施对设备及人员进行安全防护。经过国内外接地技术的调研及现场试验研究，采用综合接地系统将各专业、各类型的地线均接入此系统，在满足各系统设备防雷、接地及等电位连接要求的同时，可有效降低干扰，优化牵引回流系统。

2.3 综合接地系统的优势

1）铁路综合接地充分利用沿线设施，可有效降低钢轨电位，保证人身和设备安全，降低铁路各子系统单独接地所需的工程投资。

2）对于场坪面积条件有限或高土壤电阻率地区，采用综合接地优势特别突出，尤其是长大桥梁、隧道地段。

3）铁路各子系统接地纳入综合接地系统后，在大大降低各子系统独立进行接地处理的实施难度的同时，可有效克服各系统设备之间的电位差。

3 我国高速铁路综合接地技术发展历程

为适应我国铁路客运专线的建设，铁路综合接地技术经过了引进、消化、吸收、再创新的过程。

3.1 综合接地技术的探索和研究

1999年8 月，秦沈客运专线借鉴法国高速铁路（地中海线）有成熟应用经验的综合接地、防雷系统建设经验，第一次沿全线铺设了一条贯通地线，彻底解决了困扰多年的室外信号设备接地困难问题。

2006年，铁道部科技司立项《客运专线综合接地系统的研究》项目，组织全路技术力量对国内外接地技术进行研究，该项研究成果在京津城际、武广、郑西、合宁、合武等客运专线建设上得以应用，为技术标准的制定提供了依据。

2006年12月11 日，在总结京津城际、合宁、合武、石太客专等铁路综合接地系统实施过程中取得的经验基础上，参照国外相关技术规范，颁布《客运专线综合接地技术实施办法（暂行）》，以指导客专铁路综合接地系统设计、施工。

2007年4 月，为规范铁路综合接地系统的设计分工，避免设计上差、错、漏、碰的发生，印发了《铁路防雷、接地工程设计专业分及文件编制研讨会议纪要》（铁道部鉴信[2007]96号）。

3.2 综合接地工程试验验证

2007年1 月—2008年12月，在我国首条无砟轨道试验段遂渝线，第一条200～250 km/h有砟轨道铁路合宁线和第一条300～350 km/h无砟轨道铁路京津城际轨道交通工程中，开展了针对不同工程特点、不同地域新建铁路综合接地系统的大规模现场测试工作，并取得大量的第一手资料和成果，对综合接地系统对设备保护的效果进行了测试验证。

3.3 综合接地技术标准化建设

2007年3 月，颁布铁路行业标准《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），系统总结了我国铁路防雷、电磁兼容及接地工程建设经验，借鉴了国外有关标准和规定，并因地制宜地结合我国铁路建设的国情和具体的工程情况，规范了铁路防雷的设计和运用管理。

2009年2 月，为规范铁路综合接地系统的设计与施工，发布铁路工程建设通用参考图《铁路综合接地系统》（通号[2009]9301），以指导高速铁路综合接地系统的建设。

2009年12 月，颁布铁路行业标准《高速铁路设计规范（试行）》（TB 10621—2009），将综合接地作为独立篇章重点描述，并将其确定为装备我国高速铁路的重要系统之一。规范对高速铁路综合接地系统的总体设计、实施方案及工艺要求等做出了明确规定，对综合接地系统工程的建设起到了规范化、标准化作用。

4 综合接地系统构成及设计原则

4.1 综合接地系统构成

铁路工程本身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、设备安全和正常运行，各系统均有接地要求。综合接地系统以沿线路两侧敷设的贯通地线为主干，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体，形成低阻等电位综合接地平台，并将铁路沿线各专业电气和电子系统设备、构筑物内部结构钢筋、长大金属件等以等电位连接方式连接成一体的多专业分布式集成接地系统。

4.2 综合接地系统设计原则

4.2.1 距接触网带电体5 m范围以内的金属结构和设备应接入综合接地系统

造成接触网及其组成部分故障的原因极其离散，没有规律可循。据有关资料实例分析表明：在客观条件下，因接触网设计缺陷造成的故障约占已统计接触网故障率的3%～5%。外来物体对接触网的冲击影响是造成接触网故障的主要原因，诸如受电弓故障、货物超限界、建筑施工、气候原因（冰冻、雪灾等）及铁路犯罪等引起的故障。这些故障是无法预测的，需要在工程上采取有效的接地保护措施，使其在故障时尽快短路跳闸，缩小故障范围，以降低接触网故障带来的损失。

4.2.2 距铁路两侧20 m范围以内的铁路设备房屋的接地装置应接入综合接地系统

参照相关实验资料及工程上普遍认同的观点，两个接地体间的间距大于20 m时，其间的互阻为零。为了消除20 m范围内接地体间的互阻和电位差给人身和设备造成的安全隐患，综合接地工程要求距线路两侧20 m范围以内的铁路设备房屋等接地装置应接入综合接地系统。

4.2.3 在综合接地系统中，建筑物、构筑物及设备在贯通地线接入处的接地电阻不应大于1Ω

接入铁路综合接地系统的电气和电子设备较多，各专业接地要求不尽相同，接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。参照《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116—1998）5.7.1.2规定，共用接地系统接地电阻值不应大于1Ω。目前已建成或在建工程的铁路综合接地系统均要求接地电阻不大于1Ω。

4.2.4 综合接地系统应利用桥梁、隧道、接触网支柱基础结构物内的非预应力结构钢筋作为接地钢筋

综合接地系统利用建（构）筑物内钢筋作为自然接地体及引下线，避免了单独设置人工接地装置需要较大场地的限制，节省投资，且金属受混凝土保护，不易腐蚀。

4.2.5 不便于铁路综合接地系统等电位连接的第三方设施（如路外公共建筑物、金属管线等）必须采取可靠的隔离或绝缘等措施

在电气化铁路沿线，由于接地系统之间有电位转移的危险，所以铁路附近的第三方接地设施原则上不能与铁路接地系统相连接。为此，通常要求从外面进入或通过的管道应该由非导电材料制成，或在铁路外围被截断，代之以绝缘段。

5 总体技术方案

5.1 方案制定的关键

综合接地系统设计时，需要综合考虑接地电阻、等电位连接、钢轨电位、接触电压和跨步电压、系统安全、电流腐蚀等基本要素，用以指导技术方案的合理制定。

综合接地系统能否达到预期的效果，关键在于等电位连接和接地电阻，一个重要的指标就是“任意接入点的接地电阻不大于1Ω”。在综合接地总体技术方案的制定中充分反映了这两点。贯通地线是实现全线各地段接地装置、接地设备及设施等电位连接的重要载体；桥梁、隧道、路基地段接地极的设置则是有效降低接地电阻的重要保障。因此，等电位连接和接地极的设计、施工、验收等成为综合接地系统工程建设的关键。

5.2 桥梁地段综合接地

桥梁地段的综合接地包括三个方面的内容，一是敷设在两侧电缆槽内的贯通地线，主要作用是保证桥梁地段接地装置、设备及设施的等电位连接；二是桥梁接地装置，主要作用是每片梁上设备及设施的接地连接及接触网的闪落保护接地；三是桥墩接地装置，主要作用是利用基础钢筋做接地极，以降低接地电阻及加强接地效果。接地装置均利用梁体及桥墩的非预应力结构钢筋（以下称结构钢筋）。两侧贯通地线的横向连接通过梁体上表层横向结构钢筋实现。贯通地线与电缆槽底部接地端子的连接通过专用连接器件连接，以保证可靠接地。桥梁上有接地需求的设备及设施均通过预置的接地端子实现接地连接。

5.3 隧道地段综合接地

隧道地段的综合接地同样包括三个方面的内容，一是敷设在两侧电缆槽内的贯通地线，主要作用是保证隧道内接地装置、设备及设施的等电位连接；二是隧道接触网闪络保护接地装置，主要是利用隧道二次衬砌及电缆槽外缘等处的表层内的部分结构钢筋实现，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；三是隧道接地极，主要是利用隧道初期支护内的锚杆或底板结构钢筋构成大面积的接地钢筋网络，接地极以台车位的长度为单元施做，以便于工程质量的控制。两侧贯通地线的横向连接通过隧道衬砌内的环向接地钢筋实现。贯通地线与电缆槽底部接地端子的连接通过专用连接器件连接。隧道内有接地需求的设备及设施均通过预置的接地端子实现接地连接。

5.4 路基地段综合接地

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一次。利用接触网支柱的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。在电缆槽内及接触网支柱基础侧面预置接地端子，为轨旁设备及设施提供接地连接使用。同时要求强、弱电设备及设施的接地连接端子间距不小于15 m，以避免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。

5.5 站台范围综合接地

由于高速铁路牵引电流大，对人身安全防护的重点区域就是车站范围的站台区域。车站站台区人员流动较大，设备相对集中，必须采取必要的措施，保障人身安全和设备安全。结合站台区域的特点，对站台区域综合接地制定技术方案：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。

5.6 无砟轨道综合接地

无砟轨道接地装置是针对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横向结构钢筋，每百米构成一个接地装置，并与综合接地系统单点等电位连接一次，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。

5.7 工艺要求

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。桥梁、隧道、路基、站台区及无砟轨道接地装置内的接地钢筋必须电气可靠连接。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预留的接地端子接入综合接地系统。

6 工程应用及取得的成效

6.1 工程试验

在遂渝线无砟轨道试验段、合宁客专和京津城际铁路工程中，开展的综合接地试验测试结果表明：综合接地系统对降低钢轨电位、提高人身和设备安全性具有明显效果；从保证人身和设备安全、提高客运专线各系统电磁兼容性角度，高速铁路采用综合接地系统是必要的；贯通地线的主要作用不在分流，而在降低牵引回流网络的综合对地漏泄电阻；综合接地系统的接地电阻满足不大于1Ω的要求；钢轨电流不平衡度，满足规范≤5%的要求。

6.2 武广、郑西客专综合接地工程

结合武广、郑西客专等工程的综合接地系统实施情况，根据铁路不同地段分类编制综合接地系统典型工点示意图，主要包括桥梁、隧道、路基、站台区、无砟轨道、声屏障等典型工点的综合接地系统图。通过与外方咨询人员的技术交流和专业间的沟通，对实施方案进一步理解细化和完善，完成桥梁、隧道、路基、站台综合接地通用参考图的设计。在此基础上，铁道部组织相关部门总结经验，编制完成铁路工程建设通用参考图《铁路综合接地系统》，为其他高速铁路综合接地系统的标准化建设奠定了基础。

6.3 综合接地技术在山区困难地段的应用建议

在山区困难铁路地段，受场地和地质条件限制，可借鉴综合接地系统接地极的设置方案，提高接地系统的质量和接地效果；也可局部地段实施综合接地，以提高人身、设备安全，节约能源。

7 进一步的技术创新思路和建议

上述实施方案，桥梁、隧道地段的贯通地线敷设在电缆槽内，且桥梁、隧道地段综合接地系统的接地装置中均设有纵向的接地钢筋，并与贯通地线可靠连接。试验测试结果表明正常情况下的贯通地线主要是为实现等电位均衡接地连接的作用，就电气连接来看利用接地钢筋实现等电位均衡接地值得进一步研究。即桥梁、隧道地段取消贯通地线，代之以构筑物内的纵向接地钢筋的创新方案。该方案可降低工程造价，节约能源，但须考虑接触网短时短路电流的泄流问题，以及大电流泄流不畅给桥梁、隧道土建结构钢筋带来的危害等。目前该方案正在积极组织专家论证，相关的试验验证工作正在安排。

[1]中华人民共和国铁道部.铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定[S].北京：中国铁道出版社,2007

[2]中华人民共和国铁道部.铁路工程建设通用参考图《铁路综合接地系统》（通号（2009）9301）.北京:铁道部经济规划研究院,2009

[3]铁道部工程设计鉴定中心.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M].北京:中国铁道出版社,2009

[4]刘立峰,周南骏.武广铁路客运专线综合接地标准化设计[J].铁道标准设计,2010(1)