預埋接地裝置的混凝土支柱

張世標，劉峰濤

0 概述

《鐵路電力牽引供電設計規范》TB10009-2005第5.5.17條規定[1]：“預應力混凝土支柱箍筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm”。對混凝土保護層的要求是考慮“在回流線或保護線不絕緣直接懸掛在支柱上時應能承受接觸網短路狀態下回流線或保護線小于3 kV對地工頻電壓”。該規定從設計角度出發，旨在取消雙重絕緣以簡化安裝方式、降低工程造價。

在實際工程中使用的50多萬根橫腹桿式預應力混凝土支柱和 5萬多根環形等徑預應力混凝土支柱均是按混凝土支柱產品標準TB/T 2286中關于主筋保護層厚度20 mm設計制造的[2]，箍筋的保護層厚度小于20 mm。這些支柱在多年運行中未出現過問題。

這樣就存在了混凝土支柱產品與電力牽引設計規范不一致的問題。實際工程設計中既有雙重絕緣安裝方式又有單絕緣安裝方式，導致電氣化鐵路的絕緣方式混亂，標準不統一。

經研討，混凝土結構不宜作為絕緣材料使用。為了取消雙重絕緣以簡化安裝方式，統一支柱的絕緣標準，同時為修改電力牽引設計規范提供支持，故此對預埋接地裝置的混凝土支柱進行了研制。

1 混凝土支柱接地系統的演變

1.1 早期電氣化鐵路

混凝土支柱接地借鑒了前蘇聯的做法，即支柱內預埋接地鋼筋，并通過接地線與接地體或鋼軌連接。后來考慮到當時的工藝水平，在混凝土支柱內預埋接地鋼筋較難批量生產，在一些線路上采用了將接地鋼筋敷設在支柱外的做法，回流線或保護線通過接地線與接地體或鋼軌連接。當信號不采用鋼軌作為軌道電路時，回流線或保護線可與鋼軌直接連接；當信號采用鋼軌作為軌道電路時，回流線或保護線不能與鋼軌直接連接，宜通過火花間隙或扼流變壓器中點與鋼軌連接。

1.2 京秦線引進日本技術

在日本信號系統和直流牽引供電系統中要求鋼軌絕緣安裝，且不能直接接地；如果把支柱接地部分直接同鋼軌相連接，會影響信號專業軌道電路的正常工作。因此，在日本電氣化鐵路中一般采用雙重絕緣來限制并疏導閃絡短路電流。

京秦線全面引進日本AT供電技術，接觸網的保護接地與閃絡保護方式采用了雙重絕緣方式，雙重絕緣是同時具有基本絕緣（主絕緣）和附加絕緣的絕緣方式。

在主絕緣和附加絕緣之間用跳線與 PW 線連通，當主絕緣發生閃絡或擊穿時，短路電流可直接經PW線（不須經鋼軌）回到牽引變電所，使保護裝置動作。在直供加回流和BT供電方式中，雙重絕緣的做法基本與AT供電方式類似，只是跳線與回流線相連接，并兼有架空地線的作用。

1.3 客運專線鐵路

在歐洲和中國客運專線電氣化鐵路中，普遍采用綜合接地系統，它一般采用全線貫通設綜合接地線的方式。直接供電方式的回流線和AT供電方式的保護線同綜合地線、鋼軌進行等電位連接后盡量并聯，并且都可以不絕緣安裝。

1.4 相關研究

20世紀80年代，中鐵電氣化勘測設計院制作了不同保護層厚度的混凝土試塊，模擬干燥、潮濕、濕潤等工作情況，分別測試其擊穿電壓。研究表明，當混凝土保護層厚度為20 mm時，可承受3 kV的短路電壓。

2003年，中鐵電氣化勘測設計院對接觸網架空回流線（保護線）絕緣方式進行了研究。研究結合國內電氣化鐵路的不同具體條件和不同絕緣方式，分析回流線或保護線和鋼軌可能最高電位的變化規律，重點對鋼筋混凝土支柱上回流線或保護線取消絕緣的必要條件進行研究。

通過分析和試驗研究，當支柱箍筋的混凝土保護層厚度大于20 mm、接觸網短路時回流線（保護線）的對地工頻電壓小于3 kV和接觸網短路時間小于0.5 s時，回流線（保護線）可直接懸掛在混凝土支柱上。

根據以上研究，電力牽引設計規范 TB10009-2005中規定了預應力混凝土支柱箍筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm。

2 國內外關于保護層厚度的規定

根據多年的研制和運行經驗，預應力混凝土支柱類產品標準中的規定是綜合考慮了支柱的強度、抗裂性和耐久性后確定的。

混凝土支柱屬長細桿件，容量大、撓度要求嚴，并且還要克服各種裂紋，設計條件比較苛刻。所以國家標準GB/T 4623《環形混凝土電桿》中規定：“縱向受力鋼筋的凈保護層厚度不得小于15 mm”。根據國家標準規定，電力行業標準DL/T 5154《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》中規定：“預應力鋼筋的混凝土凈保護層厚度不小于15 mm”。在制訂TB/T 2286-2003《電氣化鐵道橫腹桿式預應力混凝土支柱》、TB/T 2287-2005《電氣化鐵道接觸網環形預應力混凝土支柱》行業標準時，為進一步提高混凝土支柱的使用壽命，規定：“預應力主筋的混凝土保護層厚度不應小于20 mm”。

日本JIS A 5309-1992《離心成型預應力混凝土電桿》規定：“箍筋的混凝土保護層厚度大于9 mm，且應大于預應力鋼筋的直徑”。據《電氣化鐵道接觸網》手冊P 282，德國電氣化鐵道接觸網鋼筋混凝土支柱規定：“螺紋鋼筋上方的混凝土覆蓋層應至少為15 mm，而預應力鋼筋上方的混凝土覆蓋層應為20 mm”。

可見，國家標準規定預應力主筋保護層不小于15 mm；行業標準規定預應力主筋保護層不小于15～20 mm；發達國家的相關標準，如日本規定箍筋的混凝土保護層為9 mm；德國規定主筋保護層為20 mm。

各國標準匯總對比情況參見表1。

3 預埋接地裝置混凝土支柱的基本原理

當接觸網支柱利用回流線或保護線兼作閃絡保護地線時，對于在正常運行和短路故障情況下的鋼軌電位和回流線（保護線）電位的最大值，無論是帶回流線的直接供電方式還是AT供電方式，除在短路故障情況下的鋼軌最大電位基本與回流線（保護線）的接地電阻值和接地線間距無關外，它們的值均比回流線（保護線）只接鋼軌的情形明顯降低，減小回流線（保護線）的接地電阻值和接地線間距對降低其電位最大值是有益的，這正是利用了混凝土支柱內預埋接地鋼筋與基礎接地扁鋼連接后可取消接觸網雙重絕緣的基本原理。

表1 國內外關于保護層厚度的相關規定一覽表

4 混凝土支柱接地的對策措施

鑒于預應力混凝土支柱的現狀情況，其箍筋的混凝土保護層厚度達不到20 mm的要求，而且混凝土制品不宜作為絕緣體使用，因此在支柱內埋設接地裝置，以解決接地問題。

在支柱內埋設鋼筋，上下部適當位置預留連接端子。上端與腕臂底座及回流線（保護線）相連，下端與埋設在土壤內的接地扁鋼相連，上下端均采用螺栓連接。端子的型式開始考慮采用有內螺紋的鋼管，但螺紋內易被混凝土堵塞，后改為無螺紋的鋼管，為保證外部連接螺栓與接地端子的可靠連接，在鋼管兩端設置圓鋼板，考慮防腐要求，接地端子（鋼管及鋼板）應進行熱浸鍍鋅。

混凝土支柱內鋼筋很多，應采取可靠工藝措施保證鋼管準確定位，同時不影響結構鋼筋的布置和混凝土的灌注。

混凝土支柱內預埋接地裝置后，其基礎施工時，應根據不同的基礎類型埋設接地扁鋼。直埋式支柱其接地扁鋼的埋設如圖1所示，首先將接地扁鋼連接在支柱上，再將支柱放入基坑內。

圖1 直埋式支柱接地扁鋼埋設示意圖

采用杯形基礎的混凝土支柱其接地扁鋼的埋設見圖2，澆筑基礎時將接地扁鋼埋設在基礎側面或基礎內部，待支柱放入杯口后將其與支柱下部的接地端子進行連接。

圖2 采用杯形基礎支柱接地扁鋼埋設示意圖

法蘭型支柱其接地扁鋼的埋設見圖3，澆筑基礎時將接地扁鋼埋設在基礎側面或基礎內部，待支柱安裝后將其與支柱下部的接地端子進行連接。

圖3 法蘭型支柱接地扁鋼埋設示意圖

5 預埋接地裝置的混凝土支柱技術條件

支柱采用單絕緣方式，支柱內應預埋接地鋼筋，鋼筋上下兩端焊接鋼管（熱浸鍍鋅防腐）。接地裝置上端與腕臂底座及回流線（保護線）連接，下端與接地扁鋼連接。腕臂底座預留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內預埋管均采用樹脂絕緣管。

支柱內預埋直徑12 mm鋼筋作為接地線，上下兩端焊接內徑為20 mm的鋼管，鋼管兩端焊接直徑為40 mm的圓鋼板（鋼板的外露面應與所在支柱的外表面形狀一致并齊平，即在橫腹桿式支柱中為平面，在環形混凝土支柱中為圓柱面）。對于腕臂柱，上部預留孔位于上腕臂（平腕臂）底座之下350 mm處，軟橫跨支柱的上部預留孔位置距地面的高度可參照腕臂柱進行設置。下部預留孔的位置位于地面以上的一定高度處。

考慮防盜因素，與接地扁鋼連接用的螺栓或螺母可采用防盜型。

6 技術經濟分析

預埋接地裝置后，在混凝土支柱上取消雙重絕緣安裝方式，均采用單絕緣安裝方式。上部端子與回流線（保護線）連接，下部端子與接地扁鋼連接。支柱的其他預留孔，如腕臂底座預留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內的預埋管均采用樹脂絕緣管。2種安裝方式采用的部分零部件及基礎施工方法不盡相同，相應的造價和美觀性有所區別。

6.1 技術對比

雙重絕緣安裝方式采用雙重絕緣式絕緣子，通過接地跳線與回流線（保護線）連接，回流線安裝需采用一個針式絕緣子，接地跳線通過跳線卡箍連接在絕緣子上。由于連線較多，該安裝方式美觀性相對較差，而且造價相對較高。

單絕緣安裝方式采用普通的棒式絕緣子，絕緣子間無連接跳線，美觀性相對較好，造價相對較低。

6.2 經濟對比

支柱上分別采用雙重絕緣和單絕緣安裝方式，每套裝配所需費用分別為280元和96元，即采用單絕緣安裝方式時，每套裝配可節省約184元，每百公里（雙線鐵路，4000根支柱）可節省73.6萬元。

7 結論

混凝土制品本身具有大量孔隙、毛細孔的材料，在自然環境中尤其是在雨季、大霧及結露的情況下，其內部存在水分。雖然理論上一定厚度的混凝土保護層具備一定的絕緣性能，但在混凝土支柱有裂紋、氣孔和潮濕的情況下，是不能依托其作為有一定耐壓的絕緣體。所以鐵路電力牽引供電設計中不宜把混凝土支柱作為絕緣材料使用，以免留下安全隱患。

混凝土支柱預埋接地裝置后，接觸網可取消雙重絕緣安裝方式，采用單絕緣安裝方式。

建議修改電力牽引規范，將TB 10009-2005中第5.5.17條修改為“預應力混凝土支柱主筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm”（與德國標準一致，目前規定的 4個速度等級的設計暫行規定中均無該條要求）。

[1]TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]TB/T 2286.1-2008 電氣化鐵路接觸網預應力混凝土支柱 第1部分：橫腹桿式支柱[S]TB/T 2286.2-2008，第2部分：環形支柱. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]GB/T 4623-2006 環形混凝土電桿[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]DL/T 5154-2002 架空送電線路桿塔結構設計技術規定[S].

[5]JIS A 5309-1992 離心成型預應力混凝土支柱[S].

[6]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.