邢玥，耿占權(quán)

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院；2.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司）

1 概述

集通鐵路為內(nèi)蒙古自治區(qū)的一條重要鐵路干線，西起烏蘭察布市，東至通遼市，正線全長(zhǎng)923km。全線新建曹不罕、商都、化德等共20座牽引變電所，其中賽音呼都格、好魯庫(kù)、蒙根塔拉等8座牽引變電所的所址處于高土壤電阻率地區(qū)，造成接地電阻超標(biāo)。牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的心臟，為電力機(jī)車提供可靠的、不間斷電源。接地系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響變電所設(shè)備的穩(wěn)定性及人身安全。由于牽引變電所受地質(zhì)、地形、高土壤電阻率等條件的影響，使接地系統(tǒng)的接地電阻值必須滿足相關(guān)國(guó)家規(guī)范的要求，在工程設(shè)計(jì)中存在一定困難。

2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境概述

以好魯庫(kù)牽引變電所為例，對(duì)接地網(wǎng)的前期進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)《鐵路工程物理勘探規(guī)范》TB10013—2010規(guī)定，物探所四次從不同方位對(duì)擬建牽引變電所周圍土壤進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算得到表層土壤電阻率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壤采集數(shù)據(jù)

地層表覆第四系全新統(tǒng)沖湖積（Q4eol），巖性為中砂，0m～3m為褐黃色稍密、3m～7m為中密、7m以下為密實(shí)潮濕，成分以石英長(zhǎng)石為主。勘測(cè)期間未見(jiàn)地表水。地下水類型為第四系孔隙水，埋深大于10m。

2.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案根據(jù)TB10009-2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》及IEEE Std 80-2000《交流變電站安全接地導(dǎo)則》等依據(jù)，進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范，電阻的計(jì)算建立在均勻土壤電阻率基礎(chǔ)之上[1]。通過(guò)計(jì)算得到土壤電阻率ρ＞500Ω·m，屬于高電阻率地區(qū)，僅采用復(fù)合接地形式的人工接地網(wǎng)，接地電阻很難達(dá)到規(guī)范要求。在復(fù)合接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用深井接地的方法，達(dá)到接地電阻的要求和分流問(wèn)題。

2.2 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

①接地裝置采用復(fù)合接地形式：水平接地體采用150mm2的銅絞線接地體，埋深1m；垂直接地體采用φ20銅棒，長(zhǎng)4m。當(dāng)接地網(wǎng)與電纜溝交叉時(shí)，接地網(wǎng)應(yīng)在電纜溝底面0.6m下埋設(shè)，禁止從溝內(nèi)穿越。

②該牽引變電所采用深井接地，接地體深入地下水層，有效降低接地網(wǎng)工頻接地電阻，達(dá)到降阻效果，增強(qiáng)了分流效果。

3 高土壤地區(qū)接地電阻的計(jì)算

工程設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A中的人工接地極工頻接地電阻的計(jì)算[2]。

3.1 復(fù)合接地網(wǎng)的水平接地電阻

均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻，計(jì)算如下：

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻；Re為等值（即等水平接地極總長(zhǎng)度）方形接地網(wǎng)的接地電阻；S為接地網(wǎng)的總面積；ρ為土壤電阻率；L0為接地網(wǎng)的外緣邊線總長(zhǎng)度；L為水平接地網(wǎng)導(dǎo)體的總長(zhǎng)度;h為水平接地體的埋設(shè)深度；d為等效水平接地體直徑。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)中室外接地平面布置圖可知，S為6238.75m2；L為2800m；h為1.0m；L0為321m；d為0.01236m；計(jì)算得出Rn為8.72Ω。

3.2 典型雙層土壤垂直接地極的接地電阻

典型雙層土壤中，深埋單根垂直接地極接地電阻RV，計(jì)算如下：

工程設(shè)計(jì)中，選定垂直接地體長(zhǎng)4m的銅棒，根據(jù)物探資料，垂直接地極穿過(guò)雙層土壤，因此選取l＞H的計(jì)算方法：

深埋n根垂直接地極接地電阻Rn，計(jì)算如下：

式中：ρa(bǔ)為等效土壤電阻率；l為垂直接地極的長(zhǎng)度；d為接地極等效直徑；ρ1為上層土壤電阻率；ρ2為下層土壤電阻率；H為上層土壤厚；n為接地極數(shù)量。

3.3 復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻

復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻R i

式中：ηi為計(jì)及各接地極間的相互影響的沖擊利用系數(shù)。

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)面積，任意垂直接地極的間距不小于垂直接地極長(zhǎng)度的2倍，垂直接地極應(yīng)埋設(shè)在水平地網(wǎng)的交點(diǎn)處，可得接地極數(shù)量為80根，經(jīng)過(guò)計(jì)算，復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻為3.92Ω，不滿足國(guó)家規(guī)范[3]的允許接地電阻要求。

3.4 深井接地電阻計(jì)算

根據(jù)物探資料，深井接地采用Φ50鋼管，并放置150mm2銅絞線，水層敷設(shè)長(zhǎng)度不小于10m，降低了接地網(wǎng)的接地電阻。

將ρ2為30Ω·m，H為4m，l為14m，d為0.05m，代入式(5)～(8)中，得到深井接地后接地電阻值為0.41Ω。通過(guò)增加8套深井接地，使0.41Ω＜0.43Ω，滿足國(guó)家規(guī)范。

設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，采用擴(kuò)大地網(wǎng)、加大地表土壤電阻率、深井等降阻措施，進(jìn)行地網(wǎng)敷設(shè)施工后，應(yīng)實(shí)測(cè)接地電阻值，要求不大于允許值，跨步電壓和接觸電壓[4]滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.5 方案比較及選取

從工程成本的角度分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，確定最佳方案。

方案一，采用回填BST-Ш長(zhǎng)效物理防腐回填料加深井接地的措施來(lái)實(shí)施降阻，同時(shí)，每根垂直接地極的埋設(shè)采用了深井接地的辦法施工。建議回填地溝時(shí)采取換土措施，建議水平地溝回填電阻率不大于100Ω·m的土壤20cm。BST型深井接地極牽引變電所預(yù)算如表2所示。

表2 BST型深井接地極牽引變電所預(yù)算

方案二，深井接地采用Φ50鋼管，并放置150mm2銅絞線，深井接地極牽引變電所預(yù)算如表3所示。

表3 深井接地極牽引變電所預(yù)算

通過(guò)表2與表3對(duì)比，工程設(shè)計(jì)選取方案二。方案二滿足接地電阻的要求，同時(shí)節(jié)約投資約4.8萬(wàn)，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以集通鐵路線的好魯庫(kù)牽引變電所為例，結(jié)合工程造價(jià)的因素，對(duì)接地網(wǎng)的前期設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)高土壤電阻率的牽引所接地網(wǎng)進(jìn)行降阻措施，同時(shí)滿足接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的規(guī)范要求，確保人身和設(shè)備安全，并節(jié)約工程成本。