综合接地研究.doc

一、采用综合接地系统的可行性研究
1、国内外接地系统的方案及综合接地系统需重点研究的内容
电气化牵引铁路的接地工程是复杂的系统工程，为防止因电磁感应现象对人员和设备产生的危险采取了一系列的防护措施，从涉及到的专业来看，有信号、通信（有线、无线）、信息、电气化、电力、机械、桥梁、隧道、路基、环评等专业，从接地的种类来看，主要包括建筑物的防雷、强弱电设备系统的工作接地、保护接地、防过电压接地、防静电接地、屏蔽接地等，在目前中国常规铁路的设计中大多采用的是各专业的地线分开设置。
从80年代起，国际、国内的大型公用建筑物和民用建筑物、地铁、轻轨的接地大多采用综合接地，欧洲国家以及韩国的高速铁路也采用了综合接地系统。
在高速铁路中，由于各专业采用的电子设备的增多，地线的种类和数量也大量增加，为减少各专业单设地线对路基的稳定性等造成破坏，如何将各种接地有机、合理的结合起来，又能处理好它们之间的相互影响，保证高速铁路各系统、各设备之间实现等电位连接，减少不同设备、不同系统之间存在的电位差及可能造成的人身和设备的安全隐患（尤其是信号和接触网专业），是综合接地系统需要重点研究和解决的问题。
2、目前中国常规铁路中各专业的地线种类及接地方案
（1）常规铁路中信号专业的地线方案
目前在采用UM系列轨道电路的自动闭塞区段，信号专业沿铁路线敷设了一条截面积为25mm2的铅包铜缆或35mm2的裸铜缆，称为贯通地线，接地电阻要求不大于1Ω。信号专业室外的箱、盒及信号机等所有金属设备的安全地线、防雷地线及电缆的屏蔽地线都与贯通地线可靠连接。同时为了防止雷击及电气化牵引电流的干扰、平衡上、下行线路之间各两根钢轨内的牵引电流，UM系列轨道电路需加装横向等电位线，横向等电位线分为完全等电位线或简单等电位线，完全等电位线所连接的空心线圈直接与信号贯通地线相连，简单横 向连接通过防雷器件与信号综合贯通地线相连。
（2）常规铁路中接触网专业的地线方案
常规铁路中接触网的杆塔地线都是经火花间隙接至钢轨，平常无雷电或接触网回流正常时，是没有电流经过火花间隙流向钢轨，对信号设备无危害；但在雷电、接触网回流故障等情况下，接触网通过火花间隙向单侧钢轨闪络放电，在单侧钢轨中产生的瞬态不平衡电流可达数百安甚至上千安，持续时间虽短，但因瞬态能量极大，可能引起信号设备烧毁，因此随着列车运行速度的提高，为提高信号设备的可靠性、安全性，不允许接触网的杆塔地线经火花间隙接钢轨，要求接触网单设地线。
在电气化铁路区段，由于接触网对临近通信线路、信号设备会产生电磁影响和干扰影响，为降低干扰影响，在供电系统中架设了一条回流线，接触网的回流线除了在两端与牵引变电所的地网相连接外，在区间是通过吸上线与信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点相连接，目的是分流钢轨的回流，降低轨电位；由于接触网中的电流与回流线中的电流方向相反，加强了接触网和回流线之间的互感耦合，大大减少了对通信、信号设备的干扰影响，同时架设回流线后使由钢轨---大地返回牵引变电所的电流，改为由回流线---钢轨---大地三部分返回牵引变电所，改善了牵引供电的回流系统，在直供+回流供电方式下这三部分的电流分配比大致为40%、40%、20%。
为解决接触网支柱的地线问题，在有回流线（或PW线）的区段，接触网把回流线兼作支柱地线，即把保护地和工作地合二为一，对于一些成排无回流线的支柱，接触网单独架设了一条架空地线（架空地线的规格一般为GJ-70），架空地线两端与接地极连接，零散支柱单独设接地极，接地极接地电阻不大于10Ω。
回流线兼作架空地线方案的最大优点就在于节约了一条架空地线，节约工程造价，缺点在于当回流线被偷盗或断裂等情况时，接触网的杆塔就没有安全地，当遇到接触网短路或强大的雷电时，可能会对人身造成伤害。
3）常规铁路中通信的地线种类和技术要求
各处通信站设备合设接地体≤1Ω，电缆屏蔽地线≤1Ω；
各处中间站通信机械室合设接地体≤4Ω，电缆屏蔽地线≤4Ω；
沿长途电缆线路每间隔4km设一处电缆屏蔽地线。
无线中继电台地线≤10Ω，设置地点根据无线中继电台的设置而定。
4）常规铁路中电力的地线种类和技术要求
沿线电力电缆的电缆保护地线≤1Ω；
电力架空线路的接地电阻要求较低（10～30Ω）
电力变压器必须设地线，此地线是将变压器的工作接地和保护接地合二为一，接地电阻≤4Ω。
（3）常规铁路中接触网和信号地线关系的分析
常规铁路中接触网回流线（或PW线）和地线的设计中，回流线（或PW线）是起到回流兼地线的作用，接触网的回流线（或PW线）除了在两端与牵引变电所或AT所的地网相连外，在区间是通过吸上线接到信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点，而信号完全等电位线所连接的空心线圈中点或扼流变压器是与信号贯通地线相连的。实际上在采用UM系列轨道电路的自动闭塞区段，信号贯通地线和接触网的回流线（或PW线）通过完全横向连接中的空芯线圈中点（或扼流变压器的中点），成为等电位连接体。
信号设备地线与接触网的回流线和地线的关系如附图一、二所示。
附图一、直供+回流供电方式下信号设备地线与接触网的回流线和地线的示意图

附图二、AT供电方式下信号地线与接触网的回流线（或PW线）的示意图
通过以上分析，初步认为除另有规定和特殊要求的设备（或系统）地线外（如电力变压器的地线，因流经的电流较大，若都接到一个地网内，容易造成接入点瞬间电压增高，电流反串到接入地网的设备中引起设备损坏等危险考虑单独设置地线，且该地线与信号等弱电设备的工作地还必须有一个保护距离），其余沿着铁路线路两侧不同用途和不同电压的电气化、电力、通信、信号设备及其他金属构筑物的地线，采用总的接地体的方案是现实可行的，所以在客运专线推荐采用综合接地系统。
二、综合接地系统的方案
（1）、接地原则
除另有规定和特殊要求的设备（或系统）地线外，距铁路线路两侧的电气化、电力、通信、信号、车辆等专业的设备及其他金属构筑物的地线，使用一个总的接地体。
（2）、综合接地系统的范围：
a、信号：沿线信号设备的安全地线和屏蔽地线、工作地线均接入综合贯通地线。
b、通信：沿线长途通信电缆地线、电缆槽支架、漏泄电缆悬吊钢索等的屏蔽地线均接入综合贯通地线。对于无线区间设备（含GSM-R基站、光纤直放站、干线放大器、无线中继电台的杆塔等）的地线可以接入综合地线，但由于这些设备一般都设在路堤以下并且接地电阻的要求也不太高（小于4Ω），所以从工程的可实施性和投资上综合比较，推荐单设地线，此地线与综合贯通地线之间的距离应不大于20m。
c、环评：声屏障的金属构件可接入综合贯通地线，声屏障长度500m以下两端各接一处，超过250m，每250m接一处。
d、电力：电力电缆的金属外皮与综合贯通地线相连。电力变压器离线路较远，数量较少，推荐单设地线，此地线与综合贯通地线之间的距离不小于20m。
e、电气化：路基地段接触网的回流线（或PW线）通过吸上线接到信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点，再通过完全横向连接线或扼流变压器的中点接入综合贯通地线。对于桥梁和隧道内，为保证接触网钢支柱的可靠接地，接触网的回流线（或PW线）每隔600m左右需要接地一次，在有回流线（或PW线）区段，接触网的回流线（或PW线）通过吸上线接到信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点，在通过完全横向连接线接入综合贯通地线，无信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点的地方，接触网支柱直接接入综合贯通地线。对于一些零散支柱等需要双接地的设备要求另外单独打接地体。
在普速铁路中，为避免两轨之间形成第三轨，因此规定接触网的相邻吸上线必须间隔两个及以上闭塞分区。在高速铁路中随着牵引电流增大，为降低轨面电压，接触网的回流线每间隔1km~1.2km左右，也就是每个闭塞分区都需要信号扼流变压器相连，如果超过这个距离，轨面电压就将超过欧洲标准。根据法国CHI高速铁路DK1002+000~DK1309+320段工程设计咨询的咨询报告（终稿），轨道电路的参数取道床电阻2Ω·km，分路电阻0.15Ω的情况下，如果接触网的回流线和每个闭塞分区的扼流变压器都相连，有可能在900m的位置轨道电路将失去断轨检查功能，如果将道床电阻提高3Ω·km，分路电阻0.25Ω，这个问题将不存在，就能保证轨道电路的断轨检查。
f、其它：距接触网带电体5m范围内的金属结构（桥梁、隧道、栅栏、车站雨棚等）必须接地，其地线可接入综合贯通地线。
g、车站信号楼、GSM-R基站以及通信信号中继站的地网可与综合贯通地线直接连接，综合贯通地线与车站共用接地网的连接不超过4处；牵引变电所、电力变电所和配电所的地网以及动车运用段、所的地网如果和综合贯通地线之间的距离如果能间隔20m以上，根据综合贯通地线不是为了综合而综合，考虑方便接，就近接的原则，则不接入综合贯通地线，否则则必须和综合贯通地线连接，同时为防止电磁干扰，距牵引变电所200m半径范围内的综合贯通地线均应采取阻燃UPVC塑料套管绝缘措施防护，并且和弱电系统接入综合贯通地线的接入点的间距不小于20m。
综合接地系统示意图如附图三：
附 图 三：综合接地系统示意图
（3）、综合贯通地线的材质
贯通地线的材质应考虑以下几个因素：
a、要有良好的导电性能；
b、要满足电缆可靠性和安全性要求，电缆外护层必须有较好的防腐、防水、防氧化、防污染及防电化学腐蚀等性能；
c、电缆由于敷设在铁路边，运行在有剧烈的振动环境下，因此电缆必须有较高的机械性能及抗冲击能力；
d、为便于施工，电缆必须有一定的柔软性。
根据上述要求，我们对铜、铅的金属性能进行对比分析：
铜：铜在潮湿空气中，表面易生成有毒的铜绿；大气中含有二氧化硫、硝酸、氨、硫化氢等气体，会引起强烈的腐蚀，导致铜的强度下降，电阻显著增加，并且裸铜缆在现场施工中容易被偷盗。
铅：耐腐蚀性好，能抗碱、酸、氨、氢氟酸以及一些有机化合物的腐蚀；作为电缆护层，密封性好，且不透潮，不透气，且柔软，延展性好，熔点低，易于挤制，却存在铅流失到大地后对环境造成污染等问题。国家现已严格控制铅、汞等重金属的使用。
（4）、综合贯通地线的规格
1）、综合贯通地线的截面积必须满足流过导线电流的需要
根据电化局设计院在京沪高速铁路前期研究过程中的计算和仿真模拟结果，在高速铁路中，在列车正常运行情况下，接触网的回流电流在单根综合接地线中的分配值平均约为270A，按此需选择截面为70~95mm2的铜导线才满足导线电流的需要。
2）、综合贯通地线的截面积必须满足当接触网回流不畅、故障，或瞬间造受强雷击时，抗击瞬间短路电流的冲击要求。
根据目前所收集到的资料，采用直供+回流供电方式，当接触网回流不畅或故障，或瞬间造受强雷击时，瞬间短路（时间按100ms考虑）电流不超过15KA。对于客运专线，因采用AT供电方式，而且列车的密度更大，速度更快，因此当接触网回流不畅或故障，或瞬间造受强雷击时，瞬间短路电流可能更大，根据目前收集及计算的资料，可暂按（时间按100ms考虑）电流不超过25KA考虑。
3)咨询报告
根据法国CHI高速铁路DK1002+000~DK1309+320段工程设计咨询的咨询报告（终稿），当12KA的线路在100ms内短路时，可确定铜缆线的截面为26mm2；当15KA的线路在100ms内短路时，可确定铜缆线的截面为33mm2。
4）贯通地线的截面积必须满足接地电阻要求≤1Ω的需要
决定接地电阻值大小的主要因素有：土壤电阻率和接地体长度。
土壤电阻率主要取决于较大深度内的地质构造和地下水的情况，对同一地质情况，它与季节和气候变化有一定的关系，对同一地质构造，土壤电阻率随年降雨量和地下水位的不同，会在一定范围内变化。因此土壤电阻率是一个概略值。客运专线将全线大量使用无碴轨道，在无碴轨道区段，距路基面0.4m内为级配碎石，级配碎石下1.7m~2.2m内均换填A、B组填料 (A、B组填料是由细粒土、粗粒土、和碎石类组成)，由于路基内填料的压实度都很高，而且较干燥，因此土壤电阻率会很高，甚至更高，但在接地电阻的计算中，水平接地体的长度也是不可忽略的一个因素，当L足够长时，土壤电阻率的大小对接地电阻值的影响是不大的。
以上的计算结果归纳为下表：

95mm2裸铜缆
35mm2裸铜缆或（25mm2铅包铜）
水平接地电阻(埋设深度0.9m)
0.655Ω
0.670Ω
水平接地电阻(埋设深度0.4m)
0.678Ω
0.695Ω
4）结论
综合以上理论计算和咨询报告以及工程的实际情况，对于列车运行速度为300~350km/h的客运专线，在采用单根接地线的情况下，综合贯通地线的截面积至少应为70mm2，考虑到综合接地线的基础设施地位及其重要作用和周围环境腐蚀等因素的影响，其导线截面最好选取95mm2；对于列车运行速度为200~250km/h的客运专线，考虑到系统负荷电流和短路电流均有一定程度的下降，综合贯通地线的导线截面最好选取35mm2~50 mm2。
根据调查资料，韩国高速铁路一期，只在线路一侧铺设了一根截面积为70mm2的综合贯通地线，在二期工程中，考虑到桥、隧在客运专线中的比重较大，为便于铁路沿线设备及器材的就近接入综合贯通地线，采用的是线路两侧各铺设一根截面积为70mm2的综合贯通地线。意大利的高速铁路中是线路两侧各铺设一根截面积为95mm2的综合贯通地线。
为便于铁路沿线设备及器材的就近接入综合贯通地线，在高速铁路推荐沿铁路全线上下行铺设两根综合贯通地线方式。根据以上分析，两根综合贯通地线可以采取以下几种组合方式：
a、 两根95mm2
b、 一根95mm2另一根35mm2
c、 一根70mm2另一根70mm2
d、 两根35mm2
考虑到以上几种组合的投资相差不大，而且中国暂无综合贯通地线的使用经验，比照国外使用情况，地下基础设施按远景考虑，建议对于列车运行速度为300~350km/h的客运专线，可暂按采用沿线路两侧各铺设一根截面积为95mm2的综合贯通地线的方式；对于列车运行速度为200~250km/h的客运专线，暂按采用沿线路两侧各铺设一根截面积为35mm2的综合贯通地线的方式。同时线路两侧的接地缆每间隔500m用同材质、同规格的贯通线连接一次，综合贯通地线在部分地段如需打接地极，接地极的位置、数量及工艺以满足综合贯通地线上的接地电阻≤1Ω为原则。
三、综合贯通地线的埋设方式
1、路基地段
（1）、综合贯通地线在路基地段的埋设方式
如果将贯通地线埋设于距路基面不小于1.0m深度，并且每隔一定距离将引出分支铜缆引出至信号电缆槽，在站前施工中为保证路基的压实度，只有将分支铜缆预留足够长，甩到路基边坡以外，待路基压实后再顺边坡进信号电缆槽。另外在站前的施工中，由于各段路基的地质条件不一样，因此各段的施工进度也不同，如果将贯通地线埋设于距路基面不小于1.0m深度，必然会大量增加综合贯通地线的接头点，降低综合接地系统的稳定性和安全性。鉴于以上原因分析，建议综合贯通地线在路基地段的埋设方式可以采用以下两种方式：
方案I：
将综合贯通地线埋设于路基边坡以外，由综合贯通地线的施工单位自行挖沟埋设，在预留接地极的地方，将分支铜缆（加钢管防护）沿路基边坡引入通信、信号电缆槽内。
（2）、路基地段接地体的设置方式：
为便于维修管理，同时考虑到如果与综合贯通地线的分支铜缆引接点太多，会降低综合接地系统的可靠性，因此对于路基地段接地体的设置可以采用以下方式：沿线路纵向每间隔一定距离（具体位置待施工设计时由各专业具体提出接地体的位置确定）用分支地线，一侧与综合贯通地线进行T型（或π型）连接并防护，所以综合贯通地线的另一侧向通信、信号电缆槽内引出一接线端子，露出电缆槽部分不小于300mm，该接线端子与电缆槽内的引接线端子排相连，引接线端子排（采用防锈、防松螺栓）在施工完后进行封装处理，力求做到无维护、免维修，各种接地可以通过该引接线端子排就近接入贯通地线。为防止强电与弱电专业共用接地极对弱电设备造成危害，建议强电专业和弱电专业分用不同的接地端子排，强电专业和弱电专业的接地母排引接点间应满足地中距离大于15~20米。
对于列车运行速度为300~350km/h的客运专线，分支地线采用截面为35mm2的多股铜缆；分支地线采用截面为25mm2的多股铜缆。
路基地段综合贯通地线如下图所示：
引接线端子排

每500米一处过道钢管

400mm

引接线
引接线

接地横向连接铜缆

贯通地线
贯通地线

路基地段埋设综合贯通地线示意图
五、综合贯通地线的检验验收
对于接地端子必须进行检测是否与综合贯通地线可靠连接；
通过接地端子排测试综合贯通地线上的接地电阻均满足接地电阻≤1Ω。
六、需进一步重点研究的内容
根据德国的规范规定，各种类型的轨道板内必须有一根纵向钢筋要求全线贯通，并且每隔一定距离引出引接线端子和综合贯通地线相连。经与德国专家咨询，德国铁路主要基于以下原因考虑：
随着装备现代化和速度的提高，在外界条件变化的条件下，轨道电路信号设备、道床结构、牵引电流分布可能发生了很大的变化，如果不采取措施防护结构混凝土内部的预应力钢筋、增加钢轨接地或设法降低漏泄阻抗，当接触网27.5kv的高压线故障时，可能会因为轨道板产生的感应产生很高的跨步电压而威胁人生安全。
但根据目前所掌握的资料看，日本没有以上接地要求。同时，由于中国的轨道电路需通过钢轨传输，如果在轨道板内有一根纵向钢筋要求全线贯通，并且每隔一定距离引出引接线端子和综合贯通地线相连势必会影响轨道电路的传输，这点已在遂渝线无碴轨道试验段内得到验证。
因此对于中国客运专线综合接地系统中轨道板内钢筋的接地问题，还需进一步研究确定。