地下车站综合接地系统中若干问题探讨

许捷墀

地下车站综合接地系统中若干问题探讨

许捷墀

（中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海//工程师）

讨论了接地电阻取值、人工接地网设置的必要性及合理性、自然接地极与杂散电流辅助收集网的关系等若干问题。阐述了部分解决方案。提供了一种可行的综合接地系统方案，可为人身安全及地铁运营提供有力保障。

地铁车站；综合接地系统；接地电阻；人工接地网；自然接地极

AbstractProblems of the value of grounding resistance，the necessity and rationality of artificial grounding grid,the connection with natural grounding and the auxiliary collection network of the stray current and so on are discussed，some solutions are expounded.On this basis，a feasible plan of the integrated grounding system is proposed，which will ensure personal safety and enhance the rail transit service level.

Key wordsmetro station； integrated grounding system；grounding resistance； artificial grounding grid； natural grounding electrode

Author′s addressChina Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.，200070，Shanghai，China

接地是指在系统、装置或设备的给定点与局部地之间做电连接。GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》第3.1.2条规定：“不同用途和不同额定电压的电气装置或设备应使用一个总的接地网，接地网的接地电阻应符合其中最小值”。

1 综合接地系统的作用及组成

城市轨道交通地下车站的接地包含多种电压等级的保护、工作及防雷接地，以及通信、信号等其他设备系统信号接地、逻辑接地、屏蔽接地等。

综合接地系统的作用就是在遵循规范规定的前提下，采用车站共用接地装置，避免不同接地导体互相耦合和干扰，同时满足等电位联结的要求。

综合接地系统的接地装置由人工接地网和自然接地极组成。

2 综合接地系统接地电阻值的确定

在国内很多城市轨道交通地下车站接地设计中，接地电阻均要求不大于0.5Ω。该取值并非国家相关标准规范规定，而是我国在早期城市轨道交通建设中参考其他国家相关工程经验得来的。

有些说法认为通信及信号等专业的弱电设备系统除了设备外壳和线缆屏蔽层的工作接地，还需要有精密集成电路基准电位的接地，所以接地电阻要求为0.5Ω。

笔者认为这种说法是片面的。首先，地下车站本身就是1个深埋地下的大型接地装置，相比其他地上建筑来说是具有先天优势的接地导体。根据相关地铁车站接地网接地电阻测试结果，结构钢筋作为自然接地极在使用若干年后，其接地电阻可长期稳定在0.5Ω以下；反而人工接地网的接地电阻可能因为降阻剂失效或接地极腐蚀等因素要变大。换而言之，接地电阻不大于0.5Ω并不是刻意要求，而是车站自然接地极本身就能够做到。

在一些土壤条件较差的城市，既然相关规范并未明确规定不大于0.5Ω，则要根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.2.1条的公式进行计算：

IG——计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值，A。

此外，弱电设备基准电位的接地不考虑防雷击电磁冲击和短路接地故障等因素，仅考虑电路内部的高频电流接地。高频电流接地主要取决于该频段的阻抗值，而不是工频电阻值。即使工频接地电阻为0.5Ω，也可能导致弱电设备无法正常运转。弱电设备的高频接地应根据其工作频段选择阻抗合适的接地电缆，采用放射式从各弱电设备接地端子箱连接至人工接地网弱电接地总排（WCE）。

所以，综合接地系统接地电阻取0.5Ω并非强制性的，也无需单纯为了达到0.5Ω而不合理地增加工程造价或被动地增加施工难度。

3 人工接地网

3.1 人工接地网的必要性

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》规定：“变电站接地网除应利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网，埋设深度不宜小于0.8 m；而6 kV和10 kV的变电站采用建筑物的基础作接地极，且接地电阻满足值时，可不另设人工接地”。

有些观点认为：早期国内地铁低压配电采用TN-C（3根相线，1根零线，且中性线与保护线合一）接地型式，其中性保护线（PEN线）内存在交流不平衡电流，对杂散电流的监测结构电位有影响；现在低压配电基本采用TN-S（中性线与保护线分开）接地型式，其中性线（N线）和保护线（PE线）自变压器开始分开，保护线中不存在交流不平衡电流。而且，车站结构钢筋作为自然接地极是非常具有先天优势的接地导体。所以，可以取消人工接地网。

笔者认为，中压供电等级为35 kV，虽根据规范应设人工接地网，但不可否认地铁车站比地上建筑接地效果更好；同时，国外地铁工程中也有不设人工接地网的案例。未来地铁车站的确可考虑取消人工接地网。然而在现阶段，接地设计必须严格执行现行规范的规定。

3.2 人工接地网的组成

地下车站人工接地网一般设置在车站结构底板和基坑垫层下方。人工接地网由水平接地极、垂直接地极和接地引出装置等组成（见图1）。人工接地网距结构底板0.8 m，由于埋设深度的确定主要考虑温度对土壤电阻率的影响，而地下车站埋深较深，所以在岩石低层较浅的城市可考虑适当减小人工接地网埋设深度。这样也可减少车站接地装置的开挖量和施工难度。

水平接地极一般采用50 mm×5 mm的紫铜排，并在车站变电所投影区域下方设置。紫铜排采用边缘闭合的圆角矩形。接地网的接地电阻可采用式（1）进行计算：

而复合接地极的形状系数

则

式中：

Rn——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

Re——等值方形接地网的接地电阻，Ω；

S——接地网的总面积，m2；

d——水平接地极的等效直径，m；

h——水平接地极的埋设深度，m；

L0——接地网的外缘边线长度，m；

L——水平接地极的总长度，m；

ρ——土壤电阻率。

垂直接地极一般采用φ50 mm×5 mm紫铜管，并通过放热焊的形式与水平接地极连接。垂直接地极的位置需避开车站结构桩基。

图1 人工接地网示意图

接地绝缘引出装置采用非磁性钢管内套扁铜。钢管与扁铜中间用硅橡胶或环氧树脂绝缘，并在结构底板中预埋止水环和绝缘固定环。其施工关键就是引出装置与结构钢筋绝缘，并防止渗水。引出装置通常在站台板下夹层内电缆井附近或站台层强电及弱电设备用房下电缆夹层内边缘处引出，并避开桩基、轨底风道、结构墙及轨道等。一般车站共引出6处，变电所设备接地引出线1组（如图1中的P1～P3），弱电设备接地引出线1组（如图1中的P4～P6）。每组接地引变电所设备接地引出线和弱电设备引出线的距离应不小于20 m。

3.3 设置接地绝缘引出装置的原因

在我国城市轨道交通建设早期，既无法判断地下车站作为自然接地极的接地电阻值，也无法判断自然接地极和人工接地网连接对杂散电流检测的影响，故当时采用了“外引接地体，绝缘引入”的做法。

“外引接地体，绝缘引入”的做法在全国地铁建设中沿用至今。但是否要设置接地绝缘引出装置的问题却在近年来争论不断。

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》规定：“变电所应利用车站结构钢筋等自然接地极作为接地装置，并宜敷设以水平接地极为主的人工接地网”。自然接地装置和人工接地网间采用不少于2根导体在不同地点相连接。而自然接地极与人工接地网的接地电阻值应能分别测量。故若要满足规范规定的分别测量功能，则接地绝缘引出装置是必须要设置的。图2为接地绝缘引出装置示意图。

图2 接地绝缘引出装置示意图

3.4 结构顶板上方人工接地网方案的合理性

首先，结构顶板上方设人工接地网方案可在车站维护结构顶板浇筑完成后实施。顶板以上部分不会拆除，顶板以上的覆土可弃用原开挖土而直接回填低电阻率的土壤。而结构地板下方设人工接地网方案，车站主体基坑开挖量大，开挖深度大。由于大量换土会直接影响工程投资，故一般很少换土。所以在不增加工程投资的情况下，结构顶板上方设人工接地网方案的接地效果更好。

其次，接地绝缘引出装置可通过车站附属风井等处引出，而不从车站顶板绝缘引出。这样更满足车站的防水要求，风井处本来就配有集水泵也可将渗漏水及时排出。

再者，接地绝缘引出装置敷设至变电所夹层内强电接地总排（PCE）和WCE的连接扁钢对工程投资影响有限。

最后，结构顶板上方的人工接地网方案无需底板浇筑前完成，也不会因为分段实施和接地电阻测量影响结构专业施工进度，其施工接口界面简单。后期接地网的更换也比结构底板下方设人工接地网方案更为便利。

需注意的是，结构顶板上方设人工接地网方案应考虑车站埋深。当车站上方覆土深度不满足垂直接地极长度要求和覆土距结构顶板不小于0.8 m要求时，结构顶板上方设人工接地网方案无法实施。

4 自然接地极

4.1 自然接地极的组成

自然接地极是与大地有良好接触的各种金属构件、金属管道、钢筋混凝土和设施等的统称，其具有兼作接地功能，但并非为接地而专门设置。车站中的自然接地极就是由以车站结构钢筋、屏蔽门、电扶梯等为主的金属物连接而成。

4.2 自然接地极与杂散电流收集

GB 50157—2013《地铁设计规范》规定：“不应利用结构钢筋作为排流网”。然而，地铁道床内的主要杂散电流收集网在长期使用之后会腐蚀失效。此时，若非全线停运以更换杂散电网收集网，则结构钢筋势必被迫参与杂散电流的收集。

有些观点认为结构钢筋同时用作自然接地极和杂散电流的收集是相互矛盾的。而笔者认为杂散电流腐蚀防护与接地之间不存在矛盾。

在地铁建成运营初期，钢轨对整体道床绝缘较好，牵引供电的回流几乎全部由钢轨回流，整体道床内的钢筋（作为杂散电流的主要收集网）和车站结构钢筋（作为杂散电流的辅助收集网）内的杂散电流非常少。此时，杂散电流的极化电压正向偏移平均值和结构钢筋中泄漏电流密度肯定在规范允许范围内，可以认为杂散电流对钢轨和道床内钢筋的影响以钝化为主，在可控范围内，结构钢筋内的杂散电流泄漏量非常有限。

在地铁运营过程中，车站及区间内环境日趋复杂，轨行区可能常年积水，道床不洁，钢轨年久失修，存在电气导通断点或者钢轨对道床绝缘遭到破坏的问题。此时，在结构钢筋中就存在杂散电流。但是运营人员可根据杂散电流监测系统的结果，及时排除积水、清扫道床、排查钢轨电气断点、更换钢轨的绝缘套管、绝缘扣件和绝缘垫；并选择是否采取强制排流的措施，将原先预留在变电所内的排流柜开启，采用回流电缆和均流电缆协助钢轨进行牵引供电回流，以尽量减少结构钢筋中的杂散电流。

在发生短路故障时，结构钢筋对地存在电位差。一部分短路故障电流会从车站结构钢筋流回变压器中性点。但此时配电系统中的开关会迅速跳闸，某个尖峰电位也不会影响在杂散电流实时监测中极化电位的长期监测结果。

5 综合接地系统设计方案

综合接地系统示意图如图3所示。

综上所述，车站纵向和横向主钢筋互相焊接后，可与屏蔽门、电扶梯及电缆桥架等金属物连接，从而形成自然接地极。在车站结构底板下方设置人工接地网，并采用相对结构底板绝缘的方式引出至PCE和WCE。自然接地极和人工接地网分别施工。自然接地极设置若干接地钢板预埋件，预留可通过接地电缆将PCE和结构钢筋相连或分离的条件。这样既可在运营中分别测量接地电阻，也可根据杂散电流的监测情况将自然接地极和人工接地网分开或联结。

在环控电控室、配电间、环控专业机房、给排水专业泵房、卫生间、开水间、风井及其他配电箱集中处设置局部等电位端子箱（LEB），通过等电位联结预埋件连接至自然接地极（车站结构钢筋）。

在专用通信、公安通信、民用通信、信号、综合监控、火灾报警及设备监控、气体灭火、屏蔽门、自动售检票等专业的弱电系统设备用房内，设置弱电接地端子箱（WEB）。WCE通过接地电缆采用放射式连接至各弱电接地端子箱。

图3 综合接地系统示意图

变电所内各设备外壳、变压器中心点等通过电缆或接地扁钢与PCE连接。

6 结论

（1）综合接地系统的接地电阻取值应根据最大接地故障不对称电流计算，并考虑车站周边条件的实际情况调整。

（2）在车站埋深满足要求的前提下，推荐采用结构顶板上方设人工接地网方案，直接采用低电阻率的土壤，提升接地效果。

（3）预留人工接地网和自然接地极的连接和分离条件，根据杂散电流监测系统的监测结果判断是否需将自然接地极和人工接地网连接或分开。

（4）运用合理的综合接地系统方案，全面考虑人身安全、变电所、弱电以及金属设备外壳的接地。

综上所述，相比地上建筑，地铁地下车站虽然有多种电压等级的交、直流电源，也存在牵引供电及不规则回流的杂散电流，但是其本身就是一个导电性能良好的自然接地极。地铁车站作为人员密集场所，人身安全的重要性要远远大于杂散电流的防护。倘若参考地上建筑的接地方案采用总等电位联结，可大大降低短路接地故障电压，为地铁的安全运营和乘客的人身安全提供有力的保障。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范：GB 50157—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014：156-157.

［2］中华人民共和国电力工业部.交流电气装置的接地设计规范：GB/T 50065—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011：5-7.

［3］于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］.成都：西南交通大学出版社，2008：277-279.

［4］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2005：895.

［5］黄德胜.关于地铁接地问题的探讨［J］.地铁与轻轨，1998（2）：31-44.

［6］黄德胜.再谈地铁接地问题［J］.都市快轨交通，2006（3）：43-45.

［7］王立天.关于地铁系统地网接地电阻值的分析［J］.电气化铁道，2002（2）：42-44.

Discussion on the Integrated Grounding System for Underground Subway Station

XU Jiechi

TU96+3：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.09.031

2016-12-01）