复杂艰险山区铁路牵引变电所接地网设计研究

吴 波

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

我国疆域辽阔，各地地质环境差异较大，全国地势西高东低，其中西部、南部层峦叠翠，阡陌连绵，山区地形约占我国陆地面积的2/3。随着我国铁路建设的飞速发展，山区铁路项目越来越多[1]，近年来陆续建设了沪昆高铁、宝兰高铁、西成高铁、成贵高铁、贵广高铁、云桂高铁等高标准山区高速铁路，还将建设西延高铁、延榆高铁、西渝高铁、西武高铁、西宁至成都铁路、成兰铁路以及川藏铁路、中尼铁路等复杂艰险山区的高标准电气化铁路[2-3]。复杂艰险山区铁路意味着长大隧道、隧道群、高架桥、沟壑，并伴随着滑坡、落石、洪水、泥石流等地质灾害，给铁路建设带来了工程技术上的巨大困难[4-5]。

作为电气化铁路的心脏，牵引变电所承担着为电力机车或动车组提供不间断可靠电源的重要任务。在复杂艰险山区铁路牵引变电所设计、施工及运营维护的诸多困难中，接地系统一直是一个困扰工程师们的难题。接地系统的质量直接影响变电站设备的可靠性及人身安全。评估接地系统的指标有接地电阻、接触电势、跨步电势以及接地体的动、热稳定性等[6]。众所周知，接地网面积越大，土壤电阻率和接地电阻越小，接地网的质量越好[7]。然而山区铁路受地形及地质条件的影响，牵引变电所时常面临空间狭小、落差大、地质条件复杂等多种不利因素，因此接地系统设计与复杂艰险山区地形的矛盾也越来越突出。

2 复杂艰险山区变电所接地面临的挑战

根据TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》规定，一般情况下，牵引变电所接地装置的接地电阻应符合式(1)的要求

(1)

困难情况下，可以提高至5 000/I。公式中R为最大允许的接地电阻，I为流经接地装置的入地短路电流。通常要求牵引变电所在工程允许的条件下，接地电阻值越小越好。而接地电阻值在工程一旦实施后即已确定，它与土壤电阻率、接地体面积、长度等息息相关。

2.1 选址条件差造成变电所地网面积小

复杂艰险山区铁路时常伴随着沟壑纵横、山高谷深的地质条件，线路桥隧比例高，为牵引变电所的选址带来极大困难。根据线路标准及设备选型布置的不同，牵引变电所的占地面积也有区别。

GB 50065—2011《交流电气装置接地设计规范》中复合式接地网工频接地电阻的简易计算式如下

(2)

根据该式，在土壤电阻率ρ不变的情况下，接地电阻R与接地网面积S的平方根成反比。在均匀土壤的环境下，以土壤电阻率100 Ω·m为例，可以近似计算出各类型牵引变电所占地面积和接地电阻估算值，其对照如表1所示。

表1 牵引变电所占地面积与接地电阻对比

通过对比数据可以看出，平原地区和复杂艰险山区的牵引变电所占地面积比最大可以达到1∶0.2，但反之接地电阻比可达1∶2.2。也就是说，在复杂艰险山区，牵引变电所可以通过设备选型、布置形式调整等方式将占地面积减小到平原地区的20%，从而降低土建工程的实施难度，但面临的问题是接地电阻将增大到2.2倍。

2.2 洪水位高造成变电所高填方

我国西南地区的山脉内水系丰富，群山峻岭内通常伴随着沟谷、河流，设置在这些地区的牵引变电所受洪水威胁。雨水季节水位上涨，在峡谷内水位比枯水季节可上升数米之高。为保证所址场坪安全，根据设计规范，牵引变电所场坪高程须在100年洪水位之上，分区所、AT所场坪高程须在50年洪水位之上，造成山区所亭场坪经常采用高填方以满足洪水位的要求。根据已实施的工程案例，牵引变电所较原始地面的填方最高可达10 m以上。

2.3 填方材料造成土壤电阻率升高

土壤电阻率对牵引变电所的接地电阻有直接的影响，与之成反比。根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》中提供的土壤电阻率参考值，陶黏土、黑土、田园土等电解质含量高的土壤电阻率最低，砂砾、土夹石较高，岩石最高，如表2所示。

表2 各类土壤电阻率近似值

复杂艰险山区铁路修建牵引变电所面临的困难是：取土条件差，表层植被土壤较浅、可取土少；受环保要求，不允许随便取土，需到指定的取土场；取土场多为砂夹石；运距长，运费高。

在工程实施中，山区牵引变电所的填方料经常采用隧道弃渣加工而成的A、B类填料，即体积较小的碎石，混合一定比例的河沙、泥土。该填料土壤电阻率较高，大都在1 000 Ω·m以上，对接地系统非常不利。

2.4 系统容量大造成短路电流巨大

随着我国高速铁路和电力系统的不断发展，牵引变电所从电力系统引入的电源电压等级从最初的110 kV上升至目前的220 kV甚至330 kV。高标准铁路通常要求更高的进线电压等级，而电压等级越高，系统容量就越大，短路时产生的故障电流也就越大。以穿越秦岭山脉的西安至成都高速铁路为例，陕西省境内的6座牵引变电所均引入330 kV电源，各所2017年短路容量参见表3。

表3 西成高铁330 kV牵引变电所短路容量

由表3可见，牵引变电所系统容量较以往的电气化铁路有了巨大增长。即使考虑架空避雷线对短路电流的分流作用，入地短路电流仍是一个非常大的值。以秦岭内的佛坪牵引变电所为例计算，如考虑40%的分流系数，则要求接地电阻值在0.138 Ω以下，困难情况下最高不得超过0.34 Ω。在平原地质条件较好的地区要实现这一目标都比较困难，对于复杂艰险山区铁路则更加困难。

3 艰险山区接地网的设计思路

要使牵引变电所的接地系统满足规范要求，保证所内发生短路故障时的人身和设备安全，可以从影响接地网性能指标的各种因素中着手考虑。

对于人身安全至关重要的考核指标——接触电势和跨步电势来说，要求土壤电阻率越小越好、表层土壤电阻率越大越好、入地短路电流越小越好、短路持续时间越小越好、接地电阻越小越好、接地体埋深越大越好、接地网孔数越多越好，而与接地网面积关系不大。而对于设备安全最重要的考核指标——接地电阻来说，则要求接地网面积越大越好、土壤电阻率越小越好、接地体长度越大越好，接地体的埋深理论上越大越好，但要视下部土壤的电阻率而定[8]。

对于艰险山区某具体的牵引变电所接地网设计，根据前文所述，其接地网面积、土壤电阻率、短路电流已基本确定，而且均为不利因素。要改善接地网的性能，常规的降阻措施均有一定局限性：换填土在艰险山区不易实施，敷设降阻剂、离子接地极有时效性且性价比低，外引接地受地形条件影响且有将高电位外引的风险[9-11]。其他措施还有：增大分流以减小入地短路电流、加大接地体总长度、加大埋深、增多网孔、加大地表土壤电阻率、加速保护动作等。

为提高设计的准确性和可实施性，对于复杂艰险山区的牵引变电所接地网设计，应针对具体工程的特点进行必要方案比选和仿真计算，选择经济技术指标最优的方案。

4 仿真模型建立

为具体分析复杂艰险山区牵引变电所各接地网设计方案的优劣，采用国际通用接地设计仿真软件CDEGS进行建模仿真计算，对各项指标进行对比分析，旨在找到最适合艰险山区的牵引变电所接地网设计方案。

4.1 土壤模型

根据某工程的实测数据，对于山区采用高填方的牵引变电所土壤结构，采用CDEGS软件的RESAP模块对土壤模型分析，牵引变电所附近范围内可等效为三层土壤，如图1所示。

图1 土壤模型示意

其中顶层、中间层、底层的土壤电阻率及厚度分别为1 746 Ω·m(17 cm)、885 Ω·m(960 cm)、74 Ω·m(∞)。等效土壤结构很好地揭示了艰险山区铁路高填方牵引变电所的特点，该土壤模型将用于后文仿真计算的统一模型。

4.2 电源激励模型

采用CDEGS软件的FSDIST模块对牵引变电所外部电源线路进行模拟，结合系统短路容量，可以计算出牵引变电所发生短路时的入地短路电流。

设定的电源条件为：牵引变电所引入2路相互独立的330 kV电源进线，线路长度均为56 km，平均档距400 m。系统变电站接地电阻均按0.5 Ω考虑，系统短路容量10 000 MVA。传输线采用LGJ-300/40型双分裂导线，地线型号分别为JLB40-150。杆塔采用格构式铁塔，工频接地电阻范围10～30 Ω。

牵引变电所接地系统的接触电势、跨步电势以及地电位升(GPR)等数值与通过接地网络流入土壤的故障电流值成正比。因此，在进行接地系统安全性设计时，必须得到牵引变电所发生短路故障时，流入接地系统的故障电流比例，从而准确得到通过接地系统入地的故障电流数值，为后续设计出安全可靠的接地系统提供数据保障。牵引变电所发生短路时的电流分布如图2所示。

图2 短路电流分流示意

根据建模仿真计算结果可知，经架空地线返回远端的故障电流往往占有较大比例，其分流系数的影响因素很多，系统的运行方式、架空地线与输电线的阻抗、输电线路杆塔的接地电阻、短路点位置以及牵引变电所的接地电阻等都对其有所影响。尤其是牵引变电所的接地电阻，其与返回电流比例成反比，如图3所示。设计时一方面要追求返回电流比例尽可能大，同时又要追求变电所接地电阻尽可能小，形成矛盾。

图3 架空地线-杆塔接地系统分流示意

根据前文设定的系统条件，进线杆塔接地电阻取最不利的30 Ω，经计算，牵引变电所接地电阻值采用0.45 Ω时，经济技术最优，此时入地短路电流为9 604 A，接地电阻目标上限值为0.52 Ω。此电流作为后文接地仿真计算的电源激励。

4.3 地网模型4.3.1 常规模型

牵引变电所设置以水平接地网为主的人工复合接地网，埋深为填方后地面以下0.8 m，交叉点设置长2.5 m的垂直接地棒。接地材料均采用纯铜材质。

4.3.2 深井接地模型

在常规模型的基础上，选择接地网边缘、中心若干点采用钻机打孔设置直径20 cm深井，其内敷设垂直接地棒或离子接地极，数量及深度可调整。

4.3.3 外引接地模型

在常规模型的基础上，选择接地网边缘、中心若干点采用钻机打孔设置直径20 cm深井，其内敷设垂直接地棒或离子接地极，数量及深度可调整。

4.3.4 双层地网模型

根据土壤结构特点，笔者提出双层接地网结构，在常规接地网下方设置另一层地网，埋深在原始地层以下，采用网孔结构，上、下层地网用若干接地线连接，下层地网大小可调整[12-15]。

各类型地网模型示意对照如表4所示。

表4 各类接地网模型示意对照

5 仿真计算考核

5.1 考核指标

采用CDEGS软件的MALZ模块，对上述各接地网模型结合既定的土壤模型、电源激励模型进行了仿真计算。在各种接地装置的考核指标中，最重要的指标为接地电阻和接触电势。其中接地电阻值如前文所述，上限值取0.52 Ω，最优值取0.45 Ω。

接触电势关系人身安全，在进行人体参数选择时，参照国外标准(IEEE80-2013)以人体质量50 kg、人体电阻1 000 Ω取值，表层土壤电阻率取2 000 Ω·m，短路持续时间取0.4 s，则计算得出接触电势的安全阀值为908 V。

5.2 接地电阻及经济指标考核

仿真计算结果显示，在复杂艰险山区的土壤及接地网模型条件下，常规接地网模型接地电阻无法达到0.52 Ω的要求。其余3种模型在增加工程量后，接地电阻可以达到低于0.52 Ω的要求，但工程量有差别。

各接地网接地电阻及经济指标对比见表5。

表5 各类型接地网接地电阻及经济指标

可以看出，在都满足接地电阻的最低要求条件下，双层地网的经济技术指标最优，深井接地最差。

5.3 接触电势校验

经仿真计算，常规模型的接地网接触电势校核不满足要求，其余各类接地网模型各有优劣，校核结果如下。

5.3.1 常规接地网模型

如图4所示，接地网范围内最低接触电势为3 260 V，最高超20 000 V，远大于安全阀值908 V，校验不合格。

图4 常规接地网模型接触电势二维色块

5.3.2 深井接地模型

如图5所示，接地网范围内接触电势均小于安全阀值908 V，校验合格。

图5 深井接地模型接触电势二维色块

5.3.3 外引接地模型

如图6所示，接地网范围部分区域接触电势小于安全阀值908 V，但部分区域最高超过2 000 V，校核不合格。

图6 外引接地模型接触电势二维色块

5.3.4 双层接地模型

如图7所示，接地网(围墙)范围内接触电势全部小于安全阀值908V，校验合格。

图7 双层地网模型接触电势二维色块

综上，在接触电势校验中，常规接地网模型指标最差，完全不满足安全阀值的要求；外引接地次之，不完全满足；深井接地和双层接地最好，完全满足。

结合经济技术指标综合考虑，在复杂艰险山区牵引变电所的各类接地网模型中，双层地网是指标最优的，工程造价也最低。

6 结论

2017年底开通的西安至成都高速铁路为我国第一条穿越秦岭的高速铁路，越岭地段地质构造复杂，具有典型的复杂艰险山区铁路特点。其中秦岭内的佛坪牵引变电所填方高度达到8 m，其接地网就采用了双层地网结构[16]。根据西成高铁验收实测数据，佛坪牵引变电所接地电阻为0.42 Ω，与仿真计算结果基本吻合，验证了双层地网结构在实际应用中的有效性。在开通1年以后运营单位对佛坪牵引变电所接地电阻进行了复测，其值基本无变化，验证了双层地网结构性能的持久性。

一般情况下下层土壤对变电所地网的影响更大。

针对复杂艰险山区的高填方牵引变电所，双层地网结构的设计有效利用了电阻率更低的底层土壤，打通了短路电流扩散至大地的路径，并且将变电站接地体形状由平面的 “网”状变为立体的“笼”状，对整个接地系统的性能改善非常有利，还很好地适应了地形受限的环境特点。由于双层接地网是从接地网结构、形状上对接地系统进行改善，因此其效果是最直接也是最持久的，其造价较低，工程实施难度小，效果明显，非常适合在有高填方工程的牵引变电所推广采用。