地铁车站综合接地系统设计探讨及案例分析

郑 悦

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，河南 郑州 450001）

随着城镇化的不断推进，城市轨道交通已经成为大型城市基础建设中不可缺少的部分，地铁车站集供电系统、配电系统、电子信息系统等各类功能系统于一体，各功能系统的正常运行都必须满足其对接地要求，同时要保障地铁车站人员的人身安全和设备正常运行，地铁综合接地设计对整个地铁设计来说尤其重要。以郑州地铁12号线西周站为例，从设计角度对地铁车站综合接地系统进行研究讨论，并对接地装置跨越结构变形缝的处理措施进行分析，提出综合接地设计方案。

1 地铁综合接地的作用

民用建筑的电气设计及低压配电系统中，接地措施必不可少，它是建筑物、设备及人身安全的有力保证。地铁车站是集多种机电系统于一体、设备管线敷设集中的公共建筑，其接地系统尤为综合：有牵引变电所及降压变电所供电系统的工作接地；有为保证人身安全和设备安全的保护接地；有通信信号系统等弱电设备的系统接地、逻辑接地、屏蔽接地；有车站地面结构的防雷接地[1]。

目前地铁工程中普遍采用综合接地的形式，即上述多种接地共用一个接地网。它由接地网、接地引出线、接地端子排等部分组成。综合接地系统在防雷电流、防杂散电流、工作接地等方面均起到重要作用，是地铁工程人身安全、设备安全及运营可靠性的重要保证[2]。

2 地铁综合接地系统的设置原则

（1）综合接地装置的设计需要满足人身安全、设备安全和运营可靠性并兼顾经济性。

（2）综合接地系统应兼顾杂散电流腐蚀防护的要求。在接地安全设计与电流腐蚀防护设计发生矛盾时，优先考虑接地安全设计[3]。

（3）车站室外接地网采用人工接地体及自然接地体相结合的设计，车站设置综合接地网，强电接地、弱电接地共用室外接地网，构成综合接地网。

（4）变电所、动力照明强电系统与通信、信号、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、自动售检票系统（AFC）等弱电系统，共用一组综合接地装置。

（5）接地引入线妥善保管，不得丢失、断裂。强电设备接地母排设置在变电所夹层内，弱电设备接地母排设置于站台板下弱电井附近。接地引入线要考虑引上点位置的防水要求。

（6）接地系统的设计满足强、弱电设备接地、保护接地的要求，综合接地体电阻值应符合其中最小值要求[4]。

3 地铁综合接地系统组成

3.1 自然接地体

根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）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值应能分别测量[5]。

有别于其他民用建筑，在地铁项目中自然接地装置即为车站的主体结构钢筋。对于接地系统，地铁与其他建筑物的主要区别在于地铁的牵引供电系统为750 V或1 500 V的直流供电模式，通过馈电线路送至接触网，机车通过受电弓从机车上方接触网获得电力，通过机车走行轨作为回流线路，将电流引回至牵引变电所从而完成电流的回流[6]。由于走行轨与大地之间无法做到完全绝缘，通过走形轨回流至牵引变电所的电流必有一部分通过大地流回，这就是杂散电流。所以在早期的地铁设计中很大部分接地都只采用人工接地网，未考虑自然接地体。根据新规，并结合杂散电流排流措施，该工程利用自然接地体做综合接地，其中强电接地母排不少于两处与车站结构柱钢筋预埋件可靠焊接，设置的人工接地网与车站主体的结构钢筋网等自然接地体共用接地系统。

3.2 人工接地网

地铁车站综合接地网位于车站主体结构底板垫层的下方或者结构顶板的上方。人工接地网由水平接地体、垂直接地极和接地引出装置等组成。垂直埋设的接地极宜采用圆钢、钢管、角钢等，水平埋设的接地极及其连接导体宜采用扁钢、圆钢等[7]。人工接地网的边缘应采用圆弧转角。接地网需要包含变电所房屋投影区域，接地网的大小直接影响到接地网接地电阻的大小。

3.3 车站等电位联结

3.3.1 弱电设备接地

地铁车站其他设备专业房间如AFC控制室、综合监控设备室、车控室、通号电缆间、通信电源室、信号设备室等设备房内均应设置弱电接地端子箱，端子箱的具体规格以及设置数量、位置均由各设备专业自行设计，各设备专业房间内弱电接地端子排引出的接地线由各设备专业自行设计实施。接地干线采用电缆以手拉手方式将各设备房屋内的弱电端子箱相连，并接入弱电总接线端子排。

3.3.2 局部等电位联结

在电气设计中非常重视等电位联结，通过等电位联结可以消除设备超额的电位差，它对用电安全、人身安全、防雷击侵害、机电设备以及弱电设备的正常工作和安全使用，都是十分有效的保障措施。

地铁车站面积大、设备房屋多，在各设备房屋以及卫生间、水泵房内都要设置局部等电位的预埋，局部等电位端子预埋件通常设置在结构柱上，预埋件与结构柱内两根主钢筋可靠联结。房间内的金属设备外壳等可导电部分就近与局部等电位联结。

4 接地电阻值的确定

国内很多地铁车站接地设计中，接地电阻均要求不大于0.5 Ω。该取值并没有相关标准或规范作为依据，只是地铁建设早期参照其他国家的做法。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0.5 Ω[8]。

弱电设备基准电位的接地主要是指电路内部的高频电流接地，而非防雷击电磁冲击和短路接地。电路内部的高频电流接地的电阻值与工频接地电阻不同，一味地降低工频阻值对提高弱电设备工作接地效果意义不大。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通过接入弱电接地母排（WCE）来实现接地。因此无需单纯为了达到更低的阻值而牺牲工程的经济性或因此而无谓地增加施工难度。

根据《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019）规定：建筑物各电气系统的接地，除另有规定外，应采用同一接地装置，接地装置的接地电阻应符合其中最小值的要求。各系统不能确定接地电阻值时，接地电阻不应大于1 Ω。研究认为地铁车站接地电阻值按不大于1 Ω设计更为合理。

5 郑州地铁12号线车站综合接地系统设计方案

5.1 车站概况

西周站是本线路第4 座车站，地下三层岛式车站，车站设1个出入口，2个风道，整个车站建筑面积约18 900 m2。车站设一座0.4 kV 降压变电所和一座牵引变电所。在设备层两端分别设置了环控电控室，在站厅、设备层、站台的两端分别设置了照明配电室。办公用房有吊顶，弱电设备机房有防静电地板。站厅层公共区有吊顶，吊顶下净空3.5 m，站厅层地面垫层厚0.15 m。站台层公共区有吊顶，吊顶下净空3.2 m，站台层地面垫层厚0.1 m。

5.2 综合接地网设计

西周站综合接地装置由人工接地体（水平接地极和垂直接地极组成，水平接地极采用50 mm×5 mm 扁铜）及自然接地体（车站构筑物内不小于Φ16钢筋）组成。综合接地装置埋设时躲过地下车站的基础梁的位置，设置在结构底板垫层以下800 mm处，并可根据结构基础情况进行相应调整。水平接地极之间设均压带，均压带采用50 mm×5 mm扁铜，铜的材料选用紫铜。接地网外缘各转角均设置成圆弧状，这样环内的电位会更平、均压效果更好、环内被保护物体越安全。车站综合接地系统设计方案如图1所示。

图1 车站综合接地系统设计方案

5.3 系统设备构成

5.3.1 接地引入线的设置

在地铁接地设计中综合接地网与接地母排之间采用接地引入线进行联结。本项目的强、弱电接地系统独立设置接地引入线，并且强、弱电引入线需要间距至少20 m。每组接地引入线引出3 条端子，其中1条备用，故本次设计共设置6组接地引入线。为便于设备接入，弱电接地母排WCE设置在距离弱电井较近的3、4 轴之间，同时引入线位置设置在WCE附近；强电接地母排PCE设置在11、12轴之间牵引变电所夹层内且就近与结构柱钢筋联结，引入线位置设置在PCE附近。

接地引入线需要穿越车站的结构底板，因此引入线必须要做好绝缘、防水、防腐。工程综合接地装置的接地引入采用成套装置，在穿越结构底板时，要求做防水和绝缘处理，具体做法如图2所示。

图2 接地引入线大样图

5.3.2 局部等电位的设置

车站的照明配电间、环控电控室、污水泵房、环控机房、冷冻机房、淋浴间设置在地下二层设备层；废水泵房、照明配电室等设置在地下三层站台层，在以上房屋内均设置局部等电位联结箱，局部等电位联结箱应与房间内预留接地预埋件联结。可采用明装或暗装的安装方式，底边距建筑地面0.3 m。局部等电位联结预埋件做法如图3所示。

图3 局部等电位联结预埋件做法大样图

本项目弱电设备接地设计为各弱电专业在本设备房屋内自设接地箱，动照专业采用1X95燃烧性能等级为B1 级的低烟无卤阻燃电缆连接各接地箱。各设备专业接地箱位置参见各专业布置图。在实际设计工作中对于有特殊需求的专业，动照专业会在其设备房内多预留10 m 接地电缆供其使用。接地干线采用环形接线（手拉手），将各设备房接地箱接入弱电总接地端子箱。弱电接地系统干线图详见图4。

图4 弱电接地系统干线图

5.4 车站变形缝等电位的设置

地铁车站从结构上划分为车站主体结构和车站附属结构，其中附属结构又分为出入口附属、风道风亭附属。由于主体结构与各个附属结构间的沉降程度、施工时间以及施工工艺的不同，在主体结构与各个附属结构之间会设置有结构变形缝。结构变形缝的设置相当于将主体结构与附属结构分割开来，形成了独立的结构体。

由于车站出入口用电设备较为集中，一般都会有电扶梯、局部水泵、出入口卷帘门等设备，因此出入口附属也应敷设有接地装置并且该接地体应与主体接地体形成等电位。目前普遍的做法是在出入口吊顶内设置一根通长的镀锌扁钢并引至各设备及配电箱处进行接地。

车站综合接地网设置于主体结构投影面积内，出入口设备一般位于附属且远离车站主体的车站入口附近，为了使出入口设备与车站主体接地良好接通形成等电位，仅仅是通过扁钢联结两个结构间的接地体是不够的，需要加强此处的等电位可靠性。本站在出入口变形缝两端设置两处等电位预埋件，具体做法为在变形缝两侧距顶板下500 mm处设置两处总等电位预埋件，动照专业采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢电气联结，并在变形缝两侧与总等电位预埋件联结。这样在确保2个结构体接地等电位可靠联结的同时，也可以进一步加强接地装置应对结构间沉降差异的能力，有效提高出入口设备的接地安全。

5.5 接地电阻计算

综合接地网工频接地电阻取值应满足综合接地系统中各设备要求接地电阻之中的最小值。根据国内地铁项目经验，在既保证车站使用安全又兼顾节约投资、节省资源的前提下，本项目的做法是接地电阻取值不大于1 Ω。

地铁综合接地网的接地电阻值受接地体接地极材料、接地体布置情况、接地体附近土壤电阻率、接地网联结方式等情况影响计算复杂，在工程设计上参照《交流电气装置的接地设计规范》[9]（GB/T 50065—2011）中的简化公式计算。

式中：ρ为接地体所处土壤电阻率，Ω·m；S为闭合接地网的面积，m2（须大于100 m2）。

该车站底板埋深深度约为28 m，根据地勘资料此处地质土层为粉质黏土，土壤电阻率取值65.1 Ω，闭合接地网设置于车站投影面积内，设计面积为2 920 m2，经计算本项目接地网工频接地电阻值约为0.6 Ω，满足设计要求。

6 结语

地铁已成为大多数大中型城市的主要交通工具，地铁车站接地系统的安全可靠直接影响地铁内人员的人身安全以及设备的正常运行。文章对地铁车站综合接地系统做了全面详细的论述。通过工程实例给出一整套设计方案，并对接地装置跨越结构变形缝的处理措施提出了改进措施，为地铁综合接地系统设计的进一步研究与优化提供参考。