基于钳表法的铁路通信机房接地电阻在线监测系统应用

摘要：接地电阻的测量方法有三极法、钳表法等，铁路通信机房的接地电阻测量通常采用三极法，但三极法存在测量场地受限、不能对接地电阻进行实时监测等问题，本文将基于钳表法的接地电阻在线监测系统应用于铁路通信机房接地电阻的实时测量，并对影响接地电阻测量值的因素进行了分析，提出了相应的应对措施。

关键词：铁路；通信；接地电阻；钳表法

一、引言

铁路通信机房内设置有无线基站、传输设备、接入网设备、有线调度交换机等通信设备，其承载有行车指挥等重要业务，一旦通信设备受到严重的破坏，可能会打乱列车正常运行秩序，将对社会秩序和公共利益造成严重损害。为了保证铁路通信机房内通信设备的安全和正常运行，铁路通信机房需进行防雷接地设计。铁路通信机房采用共用接地方式，即机房的保护接地、屏蔽体接地、防静电接地、工作接地和建筑防雷接地等连接在一起构成共用接地系统。根据《铁路通信设计规范》（TB 10006-2016）要求，通信机房所属的建筑物的接地体接地电阻不应大于1Ω[1]。由于通信机房接地电阻会随着接地装置周围地理环境的变化而变化，而且接地装置本身也会由于接触不良等因素造成接地电阻发生变化，当机房接地电阻过大时，将不能正常对地放电，会导致机房内通信设备损坏，影响铁路行车安全。所以对铁路通信机房接地电阻的实时测量是非常必要的，传统的摇表测量方法无法实现对接地电阻的实时测量，且存在测量场地受限等问题，而應用接地电阻在线监测系统能够实现在机房内对机房接地电阻的实时监测，且不存在测量场地受限等问题。

二、钳表法接地电阻测量原理

接地电阻的测量方法有三极法和钳表法等，本文选用基于钳表法的接地电阻在线监测系统对机房接地电阻进行测量。钳表法的测量原理为磁场耦合原理，钳头主要由电压线圈和检流计构成。当钳头钳在被测接地电阻回路上时，恒定的交流电源在电压线圈上产生一个交变磁场，根据法拉第电磁感应定理，在闭合的接地回路上将产生感应电压U，同时根据欧姆定律，感应电压在闭合的接地回路上产生一个电流，检流计检测出接地回路上的感应电流I，则接地回路的电阻为R=U/I，通信机房接地网可看作是由被测接地电阻Re和并联的各支路电阻构成，各支路的并联接地电阻值为R=R1//R2//R3…Rn，所以实际测量电阻值为Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，当支路的数量较多时，Ra≈Re[2]。对于单点接地的接地系统，则不能用钳表法进行测量，若确需采用钳表法测量时，可通过增加辅助接地极使接地系统构成测试回路，但接地电阻的测量值中必须减去辅助接地极的电阻，钳表法测量原理如图1所示。

三、接地电阻在线监测系统的组成

（一）系统组成及功能

基于钳表法的铁路通信机房接地电阻在线监测系统由监测中心、监测终端、采集单元和数据传输网络四部分构成，系统构成如图2所示。

接地电阻在线监测系统各部分主要功能如下：

①监测中心由应用服务器、数据库服务器和接口服务器和交换机构成，根据实际接入的采集单元数量，应用服务器、数据库服务器和接口服务器可以合并为一台服务器。服务器宜设置在监控中心机房，采用机架式安装，管辖本企业的所有监测单元。服务器采用Windows操作系统，安装有应用软件、Mysql数据库软件和杀毒软件。接地电阻在线监测系统采用C/S架构，应用软件采用Java语言开发。服务器与前端数据采集单元、监控终端通过TCP/IP协议通信。数据处理服务器支持最多255个接地点的接入，间隔记录时间为1～200小时，服务器根据客户端软件的设置，自动从前端数据采集单元接收数据并存储至数据库。

②监测终端采用普通的PC机，PC机上安装接地电阻在线监测系统客户端软件，客户端软件具备授权登录、监测数据显示、线路信息显示、查询和分析预警等功能，还可以设置报警临界值，具有声光报警指示等功能。监测终端主要设置在相关维护管理机构。

③采集单元由通信模块、上位机和电阻测量仪三部分组成。通信模块为上位机提供以太网接入功能，上位机接收服务器的控制命令，并将电阻测量仪的测量数据上传给数据处理服务器。上位机和服务器之间具有重传机制，在网络由于故障断联恢复时，可以重传未发送的数据。同时上位机配置有LCD屏，可以直接显示被测电阻值，方便现场人员调试和校准。测量仪主要由电压线圈和检流计组成，具有接收上位机的命令完成测量，并向上位机返回测试数据的功能。前端数据采集单元宜在每个通信机房设置一套，采用机架式安装。

④监测系统数据传输网络可采用有线和无线方式，数据处理服务器和前端数据采集单元之间通过有线方式进行连接，设备支持的接口类型为RJ45接口，电阻测量仪和通信模块之间采用有线网络RS232、RS485或无线网络GSM通信等。

（二）系统性能

接地电阻在线监测系统的软硬件采用模块化设计，具有较好的可扩展性，可以通过增加模块来扩充系统的容量和功能，软件的数据管理功能具备平滑升级的能力，系统具有安全防范措施，对所有操作人员按其工作性质设置不同的操作权限，并具有密码管理功能，系统的主要性能指标如表1所示。

（三）测量要求

根据钳表法的测量原理以及接地电阻在线监测系统的安装要求，一是需要通信机房接地装置构成回路，且机房内地线线径满足钳形探头的穿孔要求。二是需要为前端数据采集单元和数据处理服务器之间提供以太网链路，监测系统组网可采用星型或总线型等组网方式，端对端通道带宽不小于1Mbit/s。三是需要为测量单元和通信模块提供1路220V交流电源或1路12V直流电源，并为后端服务器提供1路220V交流电源。

四、接地电阻在线监测系统在铁路中的适用性分析

铁路通信机房一般设置于车站信号楼内，车站信号楼采用联合接地方式，信号楼四周设置有环形地网，环形地网与信号楼基础内的钢筋焊接连通，接地体埋设于地面以下。

采用常用的三极法测量机房接地电阻时，有三角形法和直线法两种接线方式，为了避免场地不够的情况，一般选用三角形法进行测量。测量时需在室外打两处接地极（电流极C、电压极P），电压极和电流极距离信号楼地网边缘的距离需相等，且电压极和电流极距离地网边缘的距离应大于等于地网最大对角线长度的两倍，电压极和电流极引线的夹角应为30°[3]。根据目前铁路车站建设标准，信号楼室外四周场坪通常全部硬化，不具备打接地极的条件，机房进线孔也进行了防火封堵，布放引线困难，而且测量时如果接地极位于砂石区域，则存在接地极与土壤接触不良的问题，或接地极测量范围的地下存在金属物体或其他地网，都会对接地电阻的测量值产生一定的误差。

若采用钳表法测量，只需要机房接地网构成测试回路，即可满足测试条件。在机房内接地端子处设置1处钳形探头，地线穿心通过钳形探头，实现非接触测量，不会影响机房的防雷接地效果和设备的正常运行。钳表法相比三极法具有安装方便、占用空间少、不影响设备的正常运行等优势。下面从铁路机房接地装置、铁路数据传输网络和接地电阻监测系统设备供电三个方面分析接地电阻在线监测系统在铁路通信机房接地电阻测量中的适用性。

（一）机房接地装置

铁路通信机房所在的信号楼采用联合接地方式，信号楼四周布设有垂直接地极，其通过室外水平埋设的扁钢连接，构成室外环型接地装置，环型接地装置与信号楼四角的基础接地钢筋连接，同时每隔5～10m与信号楼基础接地钢筋连接，共同构成信号楼接地网，网格尺寸不大于5m[4]。信號楼内通信机房等电位连接采用星—网混合型等电位连接方式，较大的通信站采用环形接地汇集线连接方式，机房内设置有防雷接地、工作接地和保护接地等接地端子，接地端子间通过铜线或铜排连接。铁路通信机房接地装置属于采用多点接地的接地装置，且能够构成测试回路，满足钳表法的接地电阻测量条件。

（二）数据传输网络

铁路各类业务的承载网主要为数据网、传输网、铁路数字移动通信系统GSM-R（Global System for Mobile Communications – Railway）。铁路数据网由路由器和交换机构成，主要承载视频监控、会议电视和电源及设备房屋环境监控系统等业务，数据网采用MPLS VPN技术实现各种业务系统的共网承载、转发与业务隔离。车站接入节点通常设置有路由器和交换机，路由器之间通过千兆或万兆光接口互联，车站交换机以双归属方式上联车站接入层路由器，交换机可提供FE电接口/光接口，GE电接口/光接口等接口类型。

铁路传输网主要采用光传送网OTN（Optical Transmission Net）技术和多业务传送平台MSTP（Multi- Service Transport Platform）技术，其具有低时延，网络安全性高等优势，主要承载铁路行车指挥类重要业务，可为所承载业务提供主用和迂回保护通道，支持多业务和多速率接入，传输带宽为2Mbit/s～100Gbit/s。接入节点通常设置于车站、区间及站内通信机房，传输设备可提供2.5Gbit/s、622Mbit/s、FE电接口/光接口、GE电接口/光接口等丰富的接口类型，支持透传和以太网等业务。综上所述，铁路有线承载网络可以满足接地电阻在线监测系统的数据传输要求。

（三）监测设备供电

铁路通信机房内根据通信设备用电需求，通常设置有交流不间断电源（UPS）和高频开关电源，可以为通信机房内设备提供稳定、可靠的交流电源和直流电源，且通信机房设置有电磁屏蔽措施，可以避免外界对机房内设备的电磁干扰，满足在线监测系统设备的供电及使用需要。

五、接地电阻在线监测系统在铁路中的应用

在已开通运营的乌将铁路部署接地电阻在线监测系统进行功能验证，乌将铁路是双线电气化铁路，线路全长257.035km，沿线约10km～20km设置有1处车站，5～8km设置有1处通信区间基站，车站和区间基站内均设置有通信机房，全线建设有数据网、传输网和GSM-R系统。车站信号楼机房采用共用接地方式，通信机房内设置有接地端子，接地端子间通过30mm×3mm铜排连接。

在乌将铁路的米泉车站通信机房部署1套接地电阻在线监测系统采集单元，采集单元包括钳形探头、上位机和通信模块，钳形探头安装在机房内接地端子附近，地线穿过钳形探头，如图3所示。上位机和通信模块安装在机柜内，由机柜内PDU提供220V交流电源。在乌鲁木齐通信段传输室机房设置1套数据处理服务器，进行机房接地电阻测量数据的采集，在网管室设置1套监测终端。传输网配置1个米泉站至乌鲁木齐通信段带宽为2Mbit/s的电路，通信段和车站通信机房传输设备分别提供1个FE电接口，为前端设备和后端服务器之间提供数据传输通道，监测终端与服务器之间通过本地局域网连接。

通信车间的运维人员在试验期间，采用传统的三极法对米泉站的机房接地电阻进行测量，表2为三极法和钳表法两种测量方法的相关数据对比[5]。

采用传统的三极法测量接地电阻时需要至少2人配合，完成打接地极、布放引线等工作。而采用基于钳表法的接地电阻在线监测系统在一次性部署完成后，测量时无需人工参与，通过监测终端的客户端软件设置采集间隔后，服务器自动根据设置的采集间隔接收数据，用户可以通过客户端软件查询监测数据并生成接地电阻测量数据报表。

六、接地电阻测量值影响因素分析及应对措施

采用基于钳表法的接地电阻在线监测系统进行铁路通信机房接地电阻测量时，有诸多因素会影响接地电阻测量值的准确性，主要包括测量设备和接地装置自身的影响、气候条件变化的影响、机房接地装置的影响、外界杂散电流和电磁干扰等几个方面：

（一）测量设备自身的影响

钳形表安装时未进行机械调零，会造成测量的接地电阻值偏大，或钳口接触平面被污染，未闭合紧密，导致测量结果不准。而且采用钳表法进行接地电阻测量时本身也存在原理性误差，测量电阻值为Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，通常是忽略R1//R2//R3…Rn部分，但当信号楼接地引下线数量较少时，R1//R2//R3…Rn部分不可忽略[6]，存在一个增加量，安装前需要通过三极法对钳表法测量结果进行校准，而且当通信机房由于改造而造成接地装置的回路发生变化时，也需要重新使用三极法对测量结果进行校准。

（二）接地装置自身的影响

当机房内的接地引线、均压带、接地排的连接螺丝松动，不能够构成接地回路时，也会影响接地电阻的测量值。在接地电阻测量装置安装时要首先检查机房接地装置的完整性，排除由于接触不良而造成误差的因素。

（三）气候条件变化的影响

铁路通信机房所在地区的气候条件会导致接地电阻测量值有较大的波动。例如下雨会使土壤湿润，土壤的电阻率下降，测得的接地电阻值较小。戈壁沙漠地区土壤电阻率较大，则测出的接地电阻值较大。冬季气温下降会使土壤冻结，土壤电阻率增大，则测出的接地电阻值较大[7]。

（四）接地装置周围土壤的影响

在含有酸、碱、盐等成分的土地会严重的腐蚀接地极，造成室外垂直接地极与水平接地极之间，以及环型地网与建筑物基础接地钢筋的连接处会出现断裂或脱离，导致接地装置接触不良，影响测量的接地电阻值。在接地极选择时应选用耐腐蚀的材质，焊接处应涂刷防锈漆，并采用混凝土包封，降低接地装置的腐蚀率。

（五）外界杂散电流的影响

在电气化铁路中，当列车通过机房接地装置附近时，接触网的电流经钢轨回流，一部分杂散电流会流入大地，当杂散电流流入至机房接地装置附近时会对接地电阻的测量值产生影响[8]。所以在安装钳形表前，应先测试接地线缆上的电流，只有在地线上电流为零时才可以进一步测量接地电阻。也可以根据多次的测量值绘制接地电阻变化曲线，进而分析出准确的接地电阻值。

（六）外界电磁干扰的影响

当机房附近或机房内存在大功率无线信号发射设备时，会产生电磁场，而钳表法本身也采用磁场耦合原理，所以干扰信号也可能影响测量值的准确性。当外界的干扰较强时，可以给钳表安装一个金属屏蔽罩壳，以提高钳表抗电磁干扰的能力。

七、结束语

通过将基于钳表法的接地电阻在线监测系统在铁路通信机房进行应用测试，可以看出接地电阻在线监测系统适用于铁路通信机房接地电阻监测，且具有不受测量场地限制、测量方便等优势，极大地减少了铁路通信运维人员的工作量，同时在接地电阻在线监测系统使用过程中需要注意设备自身因素和外界因素对接地电阻在线监测系统电阻测量值的影响，提高测量的准确性。

在铁路中批量应用时，区间及站内接入节点可采用传输设备为数据采集单元提供接入，采用总线型组网，区间及站内接入节点数据在车站汇聚后统一接入车站数据网，后纳入通信段监控中心进行管理，实现全线机房接地电阻监测。结合运维单位的使用场景，也可将接地电阻在线监测系统纳入铁路电源及设备房屋环境监控系统进行统一管理，进一步提高维护工作效率。也可通过电信运营商网络进行测量数据的传输，进一步扩展接地电阻在线监测系统的应用场景。

作者单位：魏雄    新疆铁道勘察设计院有限公司

参考文献

[1] TB 10006-2016，铁路通信设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[2] 王勇，刘泽西，谢新萍，等. 钳表法测量接地电阻[J]. 电气技术，2010（11）：73-75.

[3] GB 50689-2011，通信局（站）防雷与接地工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[4] 林明嘉. 铁路区间四电综合场坪防雷接地系统集约化设计实践[J]. 铁道标准设计，2014（11）：135-138，139.

[5] 付龙海，吴广宁，王颢，等. 青藏铁路接地网接地电阻测量装置[J]. 西南交通大学学报，2006，41（4）：456-459.

[6] 张雨，苏玉玲. 三极法与钳表法在接地电阻测量中的对比分析研究[J]. 仪器仪表用户，2019，26（12）：1-3.

[7] 韋泰奎，阮小飞，徐金鹏. 铁路通信机房防雷接地电阻实时监测方法及影响因素分析[J]. 铁道通信信号，2018，54（01）：93-95.

[8] 窦小晶，安翠翠，朱海涛，等. 电气化铁路沿线通信机房接地电阻在线监测系统的研究[J]. 电瓷避雷器，2009（01）：42-46.

魏雄（1995.08-），男，汉族，甘肃张掖，本科，助理工程师，研究方向：铁路通信工程设计。