预埋接地装置的混凝土支柱

张世标，刘峰涛

0 概述

《铁路电力牵引供电设计规范》TB10009-2005第5.5.17条规定[1]：“预应力混凝土支柱箍筋的混凝土保护层厚度不得小于20 mm”。对混凝土保护层的要求是考虑“在回流线或保护线不绝缘直接悬挂在支柱上时应能承受接触网短路状态下回流线或保护线小于3 kV对地工频电压”。该规定从设计角度出发，旨在取消双重绝缘以简化安装方式、降低工程造价。

在实际工程中使用的50多万根横腹杆式预应力混凝土支柱和 5万多根环形等径预应力混凝土支柱均是按混凝土支柱产品标准TB/T 2286中关于主筋保护层厚度20 mm设计制造的[2]，箍筋的保护层厚度小于20 mm。这些支柱在多年运行中未出现过问题。

这样就存在了混凝土支柱产品与电力牵引设计规范不一致的问题。实际工程设计中既有双重绝缘安装方式又有单绝缘安装方式，导致电气化铁路的绝缘方式混乱，标准不统一。

经研讨，混凝土结构不宜作为绝缘材料使用。为了取消双重绝缘以简化安装方式，统一支柱的绝缘标准，同时为修改电力牵引设计规范提供支持，故此对预埋接地装置的混凝土支柱进行了研制。

1 混凝土支柱接地系统的演变

1.1 早期电气化铁路

混凝土支柱接地借鉴了前苏联的做法，即支柱内预埋接地钢筋，并通过接地线与接地体或钢轨连接。后来考虑到当时的工艺水平，在混凝土支柱内预埋接地钢筋较难批量生产，在一些线路上采用了将接地钢筋敷设在支柱外的做法，回流线或保护线通过接地线与接地体或钢轨连接。当信号不采用钢轨作为轨道电路时，回流线或保护线可与钢轨直接连接；当信号采用钢轨作为轨道电路时，回流线或保护线不能与钢轨直接连接，宜通过火花间隙或扼流变压器中点与钢轨连接。

1.2 京秦线引进日本技术

在日本信号系统和直流牵引供电系统中要求钢轨绝缘安装，且不能直接接地；如果把支柱接地部分直接同钢轨相连接，会影响信号专业轨道电路的正常工作。因此，在日本电气化铁路中一般采用双重绝缘来限制并疏导闪络短路电流。

京秦线全面引进日本AT供电技术，接触网的保护接地与闪络保护方式采用了双重绝缘方式，双重绝缘是同时具有基本绝缘（主绝缘）和附加绝缘的绝缘方式。

在主绝缘和附加绝缘之间用跳线与 PW 线连通，当主绝缘发生闪络或击穿时，短路电流可直接经PW线（不须经钢轨）回到牵引变电所，使保护装置动作。在直供加回流和BT供电方式中，双重绝缘的做法基本与AT供电方式类似，只是跳线与回流线相连接，并兼有架空地线的作用。

1.3 客运专线铁路

在欧洲和中国客运专线电气化铁路中，普遍采用综合接地系统，它一般采用全线贯通设综合接地线的方式。直接供电方式的回流线和AT供电方式的保护线同综合地线、钢轨进行等电位连接后尽量并联，并且都可以不绝缘安装。

1.4 相关研究

20世纪80年代，中铁电气化勘测设计院制作了不同保护层厚度的混凝土试块，模拟干燥、潮湿、湿润等工作情况，分别测试其击穿电压。研究表明，当混凝土保护层厚度为20 mm时，可承受3 kV的短路电压。

2003年，中铁电气化勘测设计院对接触网架空回流线（保护线）绝缘方式进行了研究。研究结合国内电气化铁路的不同具体条件和不同绝缘方式，分析回流线或保护线和钢轨可能最高电位的变化规律，重点对钢筋混凝土支柱上回流线或保护线取消绝缘的必要条件进行研究。

通过分析和试验研究，当支柱箍筋的混凝土保护层厚度大于20 mm、接触网短路时回流线（保护线）的对地工频电压小于3 kV和接触网短路时间小于0.5 s时，回流线（保护线）可直接悬挂在混凝土支柱上。

根据以上研究，电力牵引设计规范 TB10009-2005中规定了预应力混凝土支柱箍筋的混凝土保护层厚度不得小于20 mm。

2 国内外关于保护层厚度的规定

根据多年的研制和运行经验，预应力混凝土支柱类产品标准中的规定是综合考虑了支柱的强度、抗裂性和耐久性后确定的。

混凝土支柱属长细杆件，容量大、挠度要求严，并且还要克服各种裂纹，设计条件比较苛刻。所以国家标准GB/T 4623《环形混凝土电杆》中规定：“纵向受力钢筋的净保护层厚度不得小于15 mm”。根据国家标准规定，电力行业标准DL/T 5154《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中规定：“预应力钢筋的混凝土净保护层厚度不小于15 mm”。在制订TB/T 2286-2003《电气化铁道横腹杆式预应力混凝土支柱》、TB/T 2287-2005《电气化铁道接触网环形预应力混凝土支柱》行业标准时，为进一步提高混凝土支柱的使用寿命，规定：“预应力主筋的混凝土保护层厚度不应小于20 mm”。

日本JIS A 5309-1992《离心成型预应力混凝土电杆》规定：“箍筋的混凝土保护层厚度大于9 mm，且应大于预应力钢筋的直径”。据《电气化铁道接触网》手册P 282，德国电气化铁道接触网钢筋混凝土支柱规定：“螺纹钢筋上方的混凝土覆盖层应至少为15 mm，而预应力钢筋上方的混凝土覆盖层应为20 mm”。

可见，国家标准规定预应力主筋保护层不小于15 mm；行业标准规定预应力主筋保护层不小于15～20 mm；发达国家的相关标准，如日本规定箍筋的混凝土保护层为9 mm；德国规定主筋保护层为20 mm。

各国标准汇总对比情况参见表1。

3 预埋接地装置混凝土支柱的基本原理

当接触网支柱利用回流线或保护线兼作闪络保护地线时，对于在正常运行和短路故障情况下的钢轨电位和回流线（保护线）电位的最大值，无论是带回流线的直接供电方式还是AT供电方式，除在短路故障情况下的钢轨最大电位基本与回流线（保护线）的接地电阻值和接地线间距无关外，它们的值均比回流线（保护线）只接钢轨的情形明显降低，减小回流线（保护线）的接地电阻值和接地线间距对降低其电位最大值是有益的，这正是利用了混凝土支柱内预埋接地钢筋与基础接地扁钢连接后可取消接触网双重绝缘的基本原理。

表1 国内外关于保护层厚度的相关规定一览表

4 混凝土支柱接地的对策措施

鉴于预应力混凝土支柱的现状情况，其箍筋的混凝土保护层厚度达不到20 mm的要求，而且混凝土制品不宜作为绝缘体使用，因此在支柱内埋设接地装置，以解决接地问题。

在支柱内埋设钢筋，上下部适当位置预留连接端子。上端与腕臂底座及回流线（保护线）相连，下端与埋设在土壤内的接地扁钢相连，上下端均采用螺栓连接。端子的型式开始考虑采用有内螺纹的钢管，但螺纹内易被混凝土堵塞，后改为无螺纹的钢管，为保证外部连接螺栓与接地端子的可靠连接，在钢管两端设置圆钢板，考虑防腐要求，接地端子（钢管及钢板）应进行热浸镀锌。

混凝土支柱内钢筋很多，应采取可靠工艺措施保证钢管准确定位，同时不影响结构钢筋的布置和混凝土的灌注。

混凝土支柱内预埋接地装置后，其基础施工时，应根据不同的基础类型埋设接地扁钢。直埋式支柱其接地扁钢的埋设如图1所示，首先将接地扁钢连接在支柱上，再将支柱放入基坑内。

图1 直埋式支柱接地扁钢埋设示意图

采用杯形基础的混凝土支柱其接地扁钢的埋设见图2，浇筑基础时将接地扁钢埋设在基础侧面或基础内部，待支柱放入杯口后将其与支柱下部的接地端子进行连接。

图2 采用杯形基础支柱接地扁钢埋设示意图

法兰型支柱其接地扁钢的埋设见图3，浇筑基础时将接地扁钢埋设在基础侧面或基础内部，待支柱安装后将其与支柱下部的接地端子进行连接。

图3 法兰型支柱接地扁钢埋设示意图

5 预埋接地装置的混凝土支柱技术条件

支柱采用单绝缘方式，支柱内应预埋接地钢筋，钢筋上下两端焊接钢管（热浸镀锌防腐）。接地装置上端与腕臂底座及回流线（保护线）连接，下端与接地扁钢连接。腕臂底座预留孔、下锚安装孔和横承力索安装孔内预埋管均采用树脂绝缘管。

支柱内预埋直径12 mm钢筋作为接地线，上下两端焊接内径为20 mm的钢管，钢管两端焊接直径为40 mm的圆钢板（钢板的外露面应与所在支柱的外表面形状一致并齐平，即在横腹杆式支柱中为平面，在环形混凝土支柱中为圆柱面）。对于腕臂柱，上部预留孔位于上腕臂（平腕臂）底座之下350 mm处，软横跨支柱的上部预留孔位置距地面的高度可参照腕臂柱进行设置。下部预留孔的位置位于地面以上的一定高度处。

考虑防盗因素，与接地扁钢连接用的螺栓或螺母可采用防盗型。

6 技术经济分析

预埋接地装置后，在混凝土支柱上取消双重绝缘安装方式，均采用单绝缘安装方式。上部端子与回流线（保护线）连接，下部端子与接地扁钢连接。支柱的其他预留孔，如腕臂底座预留孔、下锚安装孔和横承力索安装孔内的预埋管均采用树脂绝缘管。2种安装方式采用的部分零部件及基础施工方法不尽相同，相应的造价和美观性有所区别。

6.1 技术对比

双重绝缘安装方式采用双重绝缘式绝缘子，通过接地跳线与回流线（保护线）连接，回流线安装需采用一个针式绝缘子，接地跳线通过跳线卡箍连接在绝缘子上。由于连线较多，该安装方式美观性相对较差，而且造价相对较高。

单绝缘安装方式采用普通的棒式绝缘子，绝缘子间无连接跳线，美观性相对较好，造价相对较低。

6.2 经济对比

支柱上分别采用双重绝缘和单绝缘安装方式，每套装配所需费用分别为280元和96元，即采用单绝缘安装方式时，每套装配可节省约184元，每百公里（双线铁路，4000根支柱）可节省73.6万元。

7 结论

混凝土制品本身具有大量孔隙、毛细孔的材料，在自然环境中尤其是在雨季、大雾及结露的情况下，其内部存在水分。虽然理论上一定厚度的混凝土保护层具备一定的绝缘性能，但在混凝土支柱有裂纹、气孔和潮湿的情况下，是不能依托其作为有一定耐压的绝缘体。所以铁路电力牵引供电设计中不宜把混凝土支柱作为绝缘材料使用，以免留下安全隐患。

混凝土支柱预埋接地装置后，接触网可取消双重绝缘安装方式，采用单绝缘安装方式。

建议修改电力牵引规范，将TB 10009-2005中第5.5.17条修改为“预应力混凝土支柱主筋的混凝土保护层厚度不得小于20 mm”（与德国标准一致，目前规定的 4个速度等级的设计暂行规定中均无该条要求）。

[1]TB 10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]TB/T 2286.1-2008 电气化铁路接触网预应力混凝土支柱 第1部分：横腹杆式支柱[S]TB/T 2286.2-2008，第2部分：环形支柱. 北京：中国铁道出版社，2008.

[3]GB/T 4623-2006 环形混凝土电杆[S].北京：中国标准出版社，2006.

[4]DL/T 5154-2002 架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].

[5]JIS A 5309-1992 离心成型预应力混凝土支柱[S].

[6]Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.