鐵路新型接地材料性能分析和應用

胡惠忠

(中國鐵路通信信號集團公司，北京 100070)

1 概述

隨著鐵路交通基礎設施的大規模建設，鐵路系統技術裝備水平、標準、管理水平等都在不斷優化、提高，其中最重要的一項內容便是對接地系統的要求也越來越高。

根據鐵道部運輸局統計，在2005年至2007年的3年中，全路信號設備因雷害引起的故障在3年中分別為762件、650件和310件，分別占年度信號故障總數的9.52%、8.76%和6.22%，造成的故障延時分別為996 h、716 h和414 h，平均每件雷害故障延時1.31 h、1.1 h和1.34 h。從上述幾組數據可以看出，3個年度的雷害引起的故障呈下降趨勢，這是因為鐵道部在這3年安排了綜合防雷系統專項整治工作所取得的成果。同時也可以看出，對鐵路信號采取綜合防雷措施，可以優先降低雷電流對于電子設備造成的損害程度，可以減少被保護的信號系統設備被雷擊的風險。因此，在確保鐵路行車安全，確保信號技術裝備的可靠性方面，越來越凸顯出綜合防雷系統對信號設備保護的重要性。

在綜合接地系統方面，借鑒國外綜合接地、信號防雷和電磁兼容等方面的經驗和設計思路。其中心思想就是綜合接地以沿線敷設的對地電阻不大于1 Ω的貫通地線為接地平臺，軌旁及站區信號設備、通信鐵塔、通信設備就近接入貫通地線，實現沿線設備等電位聯結，避免了不同設施之間因為電位不同造成的傷害。

由此，一種新型的鍍銅護套接地導體在京滬高鐵通信鐵塔防雷接地中得到成功應用。

2 鍍銅護套接地材料的性能分析

2.1 相關標準

國外一般大量的采用純銅或銅護套線來作為主要的接地材料。并且制定了一系列的相關標準來規范鍍銅材料的使用。相關的標準有IEEE80-2000、IEC62305、BS EN50164、 BS7430、UL467、ASTM B227、FAA-STD-091D等。

國內支持鍍銅材料的標準和規范有《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）、《交流電氣裝置接地的設計規范》（GB50065-2011）。

2.2 耐腐蝕性分析

腐蝕就是由于環境的作用而導致金屬物質變質。大部分的環境都有不同程度腐蝕性。土壤也具有腐蝕性，因為其中存在水氣，可溶解的金屬鹽和細菌。特別是低電阻率的土壤，都有很高腐蝕性。一般地，水氣含量高，可溶解的金屬鹽多，存在氧氣和溫度的變化，將引起和加快腐蝕。發生腐蝕的必要條件是，必須要有陽極（正）和陰極（負）而且形成電化學電池和一條可以讓直流電流流動的完整路徑。由于雜質，晶體邊界和方向上局部應力的原因，在許多金屬的表面，存在著陰極和陽極區域。這些帶正、負電的區域通過金屬本身產生電氣連接。如果要發生腐蝕，必須要存在通過電解液（導電液體）的額外的電流路徑。在有水氣的土壤中，回路完整，電流這個腐蝕電池從陽極流到陰極，并對陽極造成腐蝕。另一種類型的腐蝕出現在從金屬到氧化劑的電子搬移過程中。在這個氧化反應過程中，在金屬與電解質溶液之間會產生電動勢（EMF）。在相同情況下，每一種其他的金屬與這一種金屬在氧化性溶液中由自己的金屬離子建立固定電位是不同的。這一套電位是由一套標準的條件決定，包括溫度，溶液中的離子濃度，還有前面所知道的EMF和元素電化順序。EMF序列的重要性在于它從數量上說明了純金屬腐蝕的相關傾向。在序列中位置高的金屬，比如鋁、鋅和鐵，要比在序列中位置低的金屬，比如銅，能夠更快的起反應，更容易腐蝕。金屬和他們的EMF如表1所示。

表1 金屬與EMF的對應關系表

關于鍍銅層厚度的要求是在大量的工程試驗和基于美國國家標準局關于地下腐蝕的研究而得來的。從1910年到1955年，美國國家標準局實施一個大規模的地下腐蝕研究。這個研究包括在全美國128個測試地點采集的36 500個樣本，代表333種不同的有色金屬和具有保護鍍層的材料。這一次是以前從未有過的關于腐蝕的大范圍研究。

美國國家標準局第11章的報告涵蓋銅與鍍銅產品在野外的測試情況。這個報告的表48列出了在43種不同的土壤，從8年到13年這個時間段內的銅和鍍銅樣本的平均每年金屬厚度損耗。部分數據如表2所示。

從表2可以看出，銅在除了強酸性土壤的絕大多數土壤條件下，都有非常好的耐腐蝕性能，0.254 mm（10 mil）的銅護套厚度，可以充分的保證銅護套線的使用壽命可以達到100年以上。

2.3 銅當量分析和溫升計算

2.3.1 銅當量分析

目前，在中國的城市軌道交通、電力、石油化工、煤礦、軍事等領域，已廣泛使用銅護套線作為接地材料，以下將從軌道交通領域常用的貫通地線來進行分析。

貫通地線要經常承載故障電流，所以貫通地線的載流能力非常重要。銅當量可用于衡量不同種類、不同截面積貫通線的載流能力大小。其定義為，一定尺寸的某類型貫通地線載流能力相當于擁有同等載流量的純銅線的截面積。

貫通地線所需的截面積和貫通地線的熱穩定系數、故障電流的幅值和故障電流的持續時間有關，其中貫通地線的熱穩定系數和材料特性以及接頭的最大允許溫度有關。公式如下。

其中：S——貫通地線截面積；

I——故障電流大??；

C——材料的熱穩定系數；

t——故障電流持續時間。

遺憾的是，目前在鐵路領域廣泛使用的傳統環保型護套貫通地線或其他金屬護套貫通地線，其一般只采用壓接套管連接方式，在此種連接方式下，貫通地線的熱穩定系數為167。但是，銅護套貫通地線采用放熱焊接的連接方式，由《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB50065-2011）可知其熱穩定系數為119。

表2 銅與鍍銅材料年平均金屬厚度損耗表（部分）

針對不同類型的材料，當故障電流的幅值與故障持續時間相同時，其截面積的比值為熱穩定系數的反比。即：

所以在相同的熱穩定校驗條件下，銅護套貫通地線所需截面積為其他種類銅芯貫通地線的 1.4倍。所以銅護套貫通地線的銅當量如表3所示。

表3 銅當量對比表

2.3.2 溫升計算

導體的發熱可分為兩種，一種是在機車經過時長時發熱，一種是當遇到大故障電流沖擊時瞬時發熱。導體電阻發熱公式：

導體對流與輻射散熱公式：

導體的直流電阻：

對于時速為350 km的高速鐵路，電動車組兩列連掛，其負荷在1 200 A左右，流經貫通地線的工作電流約為240 A，截面積為70 mm2的銅材質貫通地線可以滿足要求。采用與銅當量相對的直徑為13.2 mm銅護套貫通地線，其截面積為136.7 mm2，在長時連續通過幅值為240 A情況下，其長時間溫升為120℃，小于接地線最大允許溫度。

如果銅護套貫通地線的直徑為13.2 mm，截面積為136.7 mm2時，根據公式計算可知，其最大載流量為當流經50 000 A。當流經銅護套貫通地線的故障電流為25 000 A，持續時間為0.1 s時，按照：

其中： Tm——最大溫升（ ℃）；

Ta——環境溫度（ ℃）；

αr——溫度為參考溫度Tr時的電阻率溫度系數（1/℃）；

ρr——溫度為參考溫度Tr時接地導體的電阻率（μΩ·m）；

K0——1/α0（或 1/αr）-Tr℃ ；

TCAP——單位體積熱容常數（J/cm3×℃）。

導體在初始溫度為120℃的情況下，當有25 000 A持續時間0.1 s的故障電流通過銅護套貫通地線時，其最大溫度為250℃，小于接地線最大允許溫度。

2.4 防盜性能

傳統純銅材料及銅護套線材料表面都是銅原色，不法分子從外觀上分辨不出純銅與銅護套線區別，因此早期的銅護套線材料存在較高被盜風險。

由于銅護套線材料采用連續電鍍工藝，銅鋼層之間有一層閃附工藝附著的鎳金屬作為結合層，銅與鋼間的連接非常致密，均勻的銅層無法完整地被外力單獨剝離出來，因此，即使銅護套線材料被盜，不法分子無法把銅層單獨分離出來變賣，這也使該材料的被盜價值大幅降低。與早前通信光纖的應用推廣類似，當銅護套線的這種特性被廣為認知后，其被盜率自然會大幅下降；不法分子在盜竊有色金屬，尤其是銅這種貴重金屬時，通常都會使用吸鐵石進行金屬性質的甑別，用吸鐵石能很容易就能鑒別出來，因此從這個角度分析，銅護套線的被盜幾率要明顯小于純銅材料和其他有色金屬材料。

3 鍍銅護套地線在京滬高鐵通信基站的應用

3.1 設計原理

根據《移動通信基站防雷與接地設計規范》（YD5068-98）和《鐵路GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定》（鐵建設[2007]92號）的要求，移動通信基站鐵塔應有完善的防直擊雷及二次感應雷的防雷裝置，移動通信基站地網由機房地網，鐵塔地網和變壓器地網組成，地網組成如圖1所示。

3.2 設計要求

1）電氣設備接地通過接地裝置實現，如圖1所示。接地裝置由接地體、接地線和接地端子構成。

2）聯合接地網阻值應不大于1 Ω。

3）鐵塔地網應延伸到塔基四腳外1.5 m遠的范圍，網格尺寸不應大于3 m×3 m，其周邊為封閉式，同時還要利用塔基樁內兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網的垂直接地體。

4）當地網的接地電阻值達不到要求時，可擴大地網的面積。也可在鐵塔四角設置輻射式延伸接地體，延伸接地體的長度宜限制在1 030 m以內。

5） 接地體宜采用鍍銅鋼接地材料，垂直接地體規格：鍍銅鋼接地棒直徑14.2 mm，銅層厚度>0.254 mm；水平接地體規格：φ10的鍍銅圓鋼，銅層厚度>0.254 mm;在特殊地質地壤可用增加環保型接地模塊。

6）垂直接地體長度宜為1.2～2.5 m，垂直接地體間距為其自身長度的1.5～2倍。若遇到土壤電阻率不均勻地方，下層的土壤電阻率低，可以適當加長。當垂直接地體埋設有困難時，可設多根環形水平接地體，彼此間隔為1～1.5 m，且應每隔3～5 m相互焊接連通一次。

7）接地體的上端距地面不應小于0.7 m，在寒冷地區，接地體應埋設在凍土層以下。

3.3 施工流程和要求

3.3.1 施工流程

施工流程如圖2所示。

3.3.2 主要施工要求

1）接地棒垂直打入

連接好接地棒，尖頭在下，沖擊螺栓在上，垂直于溝底放置于溝中，使接地棒靠近水平接地體，使用重錘將接地棒打入地下。

2）布放鍍銅圓鋼

選用φ10的鍍銅圓鋼。水平鍍銅網埋設深度為0.8 m，施工規范參考傳統扁鋼水平網即可。

3）放熱焊接

把焊藥放入模具內，將電子控制器終端夾到點火條上，蓋上蓋子持續按下電子控制器按鈕5 s后點火即可。

4）測試接地電阻并做處理

使用接地電阻測試儀測出接地電阻。每年雨季到來之前必須實測接地電阻，如不滿足要求時，應采取措施。

4 綜述

銅護套地線具有很強的耐腐蝕性，0.254 mm（10 mil）的銅護套厚度，可以充分保證銅護套線的使用壽命達到100年以上。

銅護套地線的防盜性能優于單純有色金屬（銅、鋁、鉛等）地線。

銅護套地線具有很好的抗拉性。在發生拉直、彎曲時，表面的銅層不會發生任何開裂或脫皮現象；在截斷時，也不會由于內部張力發生銅層收縮的情況。

銅護套地線具有較好的載流性。優于傳統的鍍鋅角鋼、不銹鋼等材料，只要選定一定截面積的銅護套地線，完全能夠達到純銅所能達到的電氣指標。

銅護套地線的材料以鋼為主，使用的銅非常少，具有節約有色金屬的戰略意義。