关于地铁变电所接地网设置问题的思考

曾之煜

关于地铁变电所接地网设置问题的思考

曾之煜

（中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都∥工程师）

由于地铁供电系统供电方式的特殊性，其接地系统的方案一直存在争议。结合国内规范及国内轨道交通项目的常规做法，从接地网的设置、低压侧的接地、接地电阻值的选取、直流系统的接地等方面进行分析，旨在为以后的地铁接地系统的设计提供借鉴。

地铁供电系统；接地网；接地电阻值

目前国内地铁变电所接地基本按综合接地概念设计，包括变电所设备的系统接地、保护接地、防雷接地和信息技术接地，共用所在车站结构底板下方的人工接地网，以期使全线形成统一的、高低压兼容、强弱电合一的接地系统，满足车站内各类设备的系统接地、保护接地、防雷接地及信息技术接地要求。

由于地铁列车多采用直流供电方式并利用钢轨回流，为防止杂散电流通过钢轨与大地之间的过渡电阻泄露到大地与土壤中金属管线发生电化学反应，腐蚀各种结构钢筋及管线，直流设备通常采用绝缘安装，而保护接地是通过框架保护的分流器接大地。直流负极与大地严禁接通，以防为杂散电流提供通路。如何处理接地和杂散电流腐蚀防护之间的关系，成为困扰设计与施工的一大难题，相关规范标准中的规定往往由于工程的特殊性而难以执行。

1 接地网的设置方案

地铁综合接地网的设置，目前主要参考《地铁设计规范》及《交流电气装置的接地设计规范》。GB 50157—2013《地铁设计规范》15.7.12规定“变电所应利用车站结构钢筋或变电所结构基础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应采用不少于两根导体在不同地点相连接。自然接地极与人工接地网的接地电阻应能分别测量。”条文说明解释为“当确定采用结构主体钢筋等自然接地极能够满足接地装置的接地电阻要求时，也可不设置人工接地网。人工接地网应绝缘引入地铁内，目的为了实现自然接地极与人工接地网能够分别测量。”GB 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》4.3.2规定“发电厂和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……6 kV和10 kV变电站和配电站，当采用建筑物的基础作接地级，且接地电阻满足规定值时，可不另设人工接地。”条文说明“引自 DL/T 621—1997：《交流电气装置的接地》（已于2015年废止）的6.2.1。”从以上两本规范相关规定可看出，《地铁设计规范》规定在一定的条件下可不设人工接地网，《交流电气装置的接地设计规范》规定35 kV变电所应设接地网，目前国内采用集中供电方式的车站变电所多为35 kV（33 kV）变电所，照此规范规定，应设接地网，但是该条规定的条文解释引用的是从2015年开始废止的电力行业规范，该废止的规范（DL/T 621—1997）中6.2.1条又未见有条文说明。目前国内绝大多数地铁设置了人工接地网，这一做法在早期尚存争议，后来出于设计习惯和为稳妥起见，基本照此方案实施。

地铁变电所接地主要有3种方案：

（1）利用地下结构钢筋做自然接地体，该自然接地体保证接地电阻在0.5 Ω以下，不再另设人工接地网。北京地铁1、2号线采用该方式（北京1、2号线为10 kV分散式供电）。

（2）设置人工接地网，外引接入，即人工接地网与车站结构钢筋绝缘。

（3）设置人工接地网，人工接地网与车站结构钢筋连接，该方案也是《地铁设计规范》的规定。

根据文献［1］，方案1将车站结构钢筋按杂散电流腐蚀防护的要求焊接，地铁车站构成了一个体积约5 000 m3的等电位法拉第笼，该法拉第笼的电阻经现场测试，电阻均小于0.5 Ω。针对方案2，文献［1］指出，根据北京地铁1号线现场测试数据，结构钢筋根本无法做到对地绝缘，车站结构钢筋和设备基础槽钢也不绝缘，说明实际施工过程中接地网很难与结构钢筋做到绝缘。方案3为《地铁设计规范》规定方案，其本意是进一步降低接地电阻。现对比分析3种方案的电路图（见图1），RA为结构钢筋电阻，RB为人工接地网电阻，R过渡为结构钢筋和地之间的绝缘电阻，为便于分析，略去所内接地电缆和扁钢的电阻。如采用方案1，若结构钢筋对地绝缘，则结构钢筋成为整个车站的地；若结构钢筋无法做到对地绝缘，则接地电阻R总=RA+R过渡。此方案的安全接地是从等电位的角度考虑，车站整个结构钢筋电阻能满足接触电压和跨步电压校验即可，因此接地电阻阻值的大小的比较意义不大（但考虑泄放雷电电流时应考虑电阻值的大小）。如采用方案2，若结构钢筋对地绝缘同时槽钢对结构钢筋绝缘，R总=RB；若无法做到结构钢筋对地绝缘，同时槽钢对结构钢筋也不绝缘，则接地故障电流分别由RA支路和RB支路承担。如采用方案3，若结构钢筋对地绝缘，接地故障电流通过RB释放，R总=RB；如结构钢筋对地不绝缘，则接地故障分别由RA支路和RB支路承担，R总=RA∥RB。可以看出，结构钢筋与人工接地网连接后，相当于直接将设备槽钢和结构钢筋相连，确实能够进一步减少接地电阻。方案2及方案3如在土壤电阻率较高的地区实施，为满足接地电阻值的要求，需大量使用换土、降助剂、接地铜棒、深井接地、离子接地等方法，大大提高施工的复杂程度和工程投资。但是如果采用方案1，理论上虽然方便简单可行，但实际施工过程中，土建施工单位难以真正控制好钢筋焊接质量，虚焊漏焊难免发生，同时车站结构钢筋是否与大地绝缘也和施工水平有关，如果真正做到结构钢筋和地绝缘，雷电冲击电流的泄放又是一个问题。至于将车站结构钢筋和人工接地网连接后，杂散电流是否会腐蚀车站结构钢筋的问题也不必过分担心，车站钢筋和区间隧道钢筋因为变形缝本身就是断开的，只需加强车站结构钢筋和道床结构钢筋的绝缘，如加强整体道床和结构底板钢筋的绝缘，并加强监测，就能尽量做到接地和杂散电流腐蚀防护的统一。因此，笔者认为方案3更为合理。

图1 接地网的设置方案对比

2 低压侧接地方案

地铁供车站动力照明用的变压器多为35/0.4 kV配电变压器，35 kV侧的保护接地和0.4 kV侧的系统及保护接地共用同一个接地网。出于供电可靠性、人身和设备的安全性以及电磁兼容等方面的要求，目前国内低压配电基本采用TN-S（三相四线制）系统。当35 kV设备出现单相对壳短路时，低压设备外壳电压将由0提升为Uf=IdRB（式中，Uf为预期接触电压；Id为故障电流）。35 kV侧多采用小电阻接地系统，将单相接地故障电流限制在1 000 A以内，假设Id=600 A，RB=0.5 Ω，则Uf=300 V。据了解，目前车站设备用房，虽然在重要的房间（环控室、0.4 kV开关柜室）做了等电位联结，如将设备外壳接在房间内沿墙敷设的一圈接地扁钢上，但又要求扁钢和结构钢筋绝缘，故人触碰外壳时将直接接触300 V的电压，产生足以致命的电流，而该电流又非低压回路产生的接地故障电流，其剩余电流保护无法动作。解决该问题的方案有：①低压的系统接地采用单独接地，不和高压共用，这在地铁工程中不易实现，基本不予考虑。②低压侧装设过压保护，当外壳对地（结构钢筋）电压超过一定值时跳闸。该方案可能因为高压侧短暂的可自恢复接地故障造成低压侧误动作，对运营有较大影响。③在安装设备前先安装绝缘垫，绝缘垫外露的宽度大于人的伸臂范围，人触碰外壳时只承受电压而不形成电流通路。该方案仍存在问题，设备外壳承担的电压对绝缘垫的绝缘水平是一个考验，因为相线对地电压提高到220 V+Uf，绝缘垫绝缘失效后人身安全依然得不到保障。④将接地扁钢和结构钢筋联结，实现真正的等电位联结。笔者认为方案4更简单可行。图2为低压侧接地方案对比示意图。

图2 低压侧接地方案对比示意图

类似地，当区间风机房设跟随式变电所时，如果区间不设接地网，如图2所示，当35 kV侧发生单相碰壳故障时，区间变电所内低压设备外壳将产生接触电压Uf，虽然设置了等电位联结的接地干线扁钢，但又要求结构钢筋和接地扁钢绝缘，因此人身安全也存在隐患。因为区间跟随所具备单独设置接地网的条件，故笔者认为带跟随所的区间风井均应单独设置接地网，使0.4 kV侧系统接地和35 kV保护接地分开，使中压侧的故障电压不会传导至低压侧。又如车场钢轨电位装置、单导装置的低压交流接地，为避免出现电源侧故障电压在PE线上传导至室外设备外壳，这些室外设备不应采用TN-S系统而应采用TT系统，即就地打一接地网，设备PE端子就近和接地网连接，既节省了动辄数百米的PE线，又提高了人身安全。

3 接地电阻的取值

根据《交流电气装置的接地设计规范》，小电阻接地系统的接地电阻值应满足R≤2 000/Ig（式中，Ig为最大接地故障不对称电流有效值）。目前地铁综合接地网取值通常按不大于0.5 Ω考虑，土壤电阻率较高的地方可以放宽到不大于1 Ω，目前的解释是为了满足电子信息设备的需要。另外如果只考虑变电所接地，接地电阻阻值通常放宽到不大于4 Ω，防雷接地电阻一般为不大于10 Ω。文献［2］指出，在高频环境下，必须计及线缆的感抗和容抗，此时应要求接地阻抗而非接地电阻。例如，在工作频率为10 MHz的弱电系统中，假设接地线长10 m，则该接地线接地阻抗可达628 Ω，因此对于某些施工难度较大的工程，过于追求不大于1 Ω的做法耗费资源而又达不到预期效果。飞机的接地电阻为无穷大，而打雷时机上的乘客不会触电，机上的信息技术设备正常运行，根本在于机身利用自身金属做了等电位联结和屏蔽，并利用自带的放电器将静电及雷电电荷释放到大气中。前面已提到对于地铁常用的TN-S系统，不做等电位联结时，当发生单相对地短路时，Uf=Id（Zpe+Zab）（式中，Zpe为保护导体阻抗，Zab为相线阻抗），该电压可高达110 V，对人身安全也是不利的；做了等电位联结（局部等电位联结）时，Uf=IdZab，该电压可限制在安全电压50 V（干燥环境）以下。因此，文献［2］指出，IEC标准并不给出具体的接地电阻值要求，而国外有的发达国家一般取值为不大于2 Ω。笔者认为文献［2］的解释比较合理，但是据了解，不大于1 Ω的要求出自于弱电系统相关规范，目前阶段也只能照此执行，但是就算满足了不大于1 Ω的条件也不能说万事大吉，为了确保人身安全，等电位的联结是最重要和最易实施的措施。

4 结语

地铁接地系统因为交、直流需隔离以防杂散电流腐蚀而具有特殊性。笔者认为，应尽可能地利用自然结构钢筋做为交流系统的系统接地和保护接地，利用钢轨作为直流系统的系统接地，并做到两个“地”之间相互隔离。同时，应利用自然结构钢筋做等电位联结，而不再一味追求低电阻值。因为笔者在实际设计工作中发现，人工接地网一般由土建单位实施，电气专业人员对该接地网的施工、阻值的测试往往缺乏监督，得到的报告的可信性需打折扣。另外，对于弱电设备，应该优化地线走线路径，减小高频接地阻抗。笔者通过本文只求抛砖引玉，为以后地铁接地系统的设计提供一些思路。

［1］ 黄德胜，张巍.地下铁道供电［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ 王厚余.建筑物电气装置600问［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013［S］．北京：中国建筑工业出版社，2013．

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.交流电气装置的接地设计规范：GB 50065—2011［S］．北京：中国计划出版社，2011．

［5］ 中铁二院工程集团有限责任公司.贵阳市轨道交通S2线一期北段工程初步设计 第十篇 供电［R］.成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2017．

［6］ 李鹏.地铁换乘站接地网电阻值计算与优化方案［J］.城市轨道交通研究，2016（11）：103.

Reflection on Subway Substation Grounding Grid

ZENG Zhiyu

Due to the particular features of subway power supply mode，the scheme of grounding system has been controversial.In this paper,combined with the conventional practice of norms and rail transit projects in China，the subway grounding setting，low side grounding，transformer grounding resistance selection and DC system grounding are analyzed，in order to provide some references on the subway grounding system design for future projects.

metro power supply system；grounding grid；grounding resistance value

U231.8；U224.2+5

10.16037/j.1007-869x.2017.11.014

Author′s address China Railway Eryuan engineering Refco Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

2017-02-25）