津秦客運專線牽引網接地相關參數測試與分析

苑玉超

0 引言

牽引網接地性能對高速鐵路的安全運行起著重要作用，國內此前對高速鐵路牽引網相關接地參數的測試還比較少，公開文獻中尚未見到詳細的資料。津秦客專是設計時速350 km，采用綜合接地系統把沿線牽引供電、電力配電、通信、信號等設施的接地貫通連接起來，以獲得良好的電磁兼容，在滿足沿線各設備接地需求的前提下，既要保證鋼軌電位不超標，又要保證弱電系統的正常工作。綜合接地系統的性能除與貫通地線敷設方式、土壤電阻率、等電位橫連結構及間隔有關外，很大程度上還取決于接觸網支柱及其基礎、橋墩等沿線構筑物的接地電阻。高鐵線路一旦投運甚至施工完成后，一些基礎參數往往不再具備測試條件，因為此時整個綜合接地系統已連接成整體而不能分割，無法在不影響運行性能的條件下對單獨結構進行接地參數測試[1]。筆者在線路建設期間，對津秦客運專線的大地電阻率和支柱及其基礎、橋墩的接地電阻進行了測試，獲得了第一手基礎資料，可以供今后類似工程設計工作和相關運行性能分析參考。

1 測試原理

1.1 四極法測量大地電阻率

測量大地電阻率的常用方法為等極距四極法，如圖1 所示，測量時在地面上插入4 個電極A、B、C、D，電極之間相隔距離相等，設為a，電極埋入深度均為b。用穩壓電源向外側電極A 和B 之間施加電流I，電流由電極A 流入，由電極B 返回電源。此時外電極A、B 間產生的電流場將在內電極C、D 間產生電勢，可以用電壓表測量內電極C 和D間的電位差UCD，把UCD/I 定義為電阻R，則大地電阻率為[2]

測量時，極距a 要遠大于電極入地深度b，通常要求a≥20b，此時式（1）可簡化為

圖1 四極法測量大地電阻率原理圖

1.2 三極法測量接地電阻

三極法是工程中經常采用的測量集中結構接地電阻方法，被測結構作為一個接地電極注入一定的電流，這就需要設置一個可提供電流回路的電流極，而為了用電壓表測出接地電極的電位，則需要設置一個作為參考零電位的電壓極，該測量方法也稱為電流電壓法。理論上，用作參考零電位的電壓極應該位于無窮遠處，由于電壓極不可能設在真正的無窮遠處，而地中的電流場會影響到地面的電位分布，所以電極位置設置不當會導致接地電阻的測量存在誤差。合理地設置電流極和電壓極是接地電阻測量的關鍵。根據電壓極和電流極擺放位置的差別，三極法通?？煞譃殡妷簶O和電流極呈直線布置和呈夾角布置2 種情況。

1.2.1 電壓極和電流極呈直線布置

以處于電阻率為ρ的均勻土壤中的半徑為a 的半球形接地電極為例來說明測量原理，如圖2 所示。電流I 由G 極流入C 極流出，可寫出電壓極P在GC 連線各點處的電壓值：

由此測得的電阻值R 為

但半球形接地電極的實際接地電阻為

為使測量結果和半球形接地電極的實際接地電阻相等，必須盡可能的實現：

圖2 電壓極和電流極呈直線布置示意圖

應用遠離法和補償法可以使測量結果滿足工程要求。遠離法即盡量增大DGP，DGC和DPC，使之趨向無窮大，如果現場條件允許，應使電壓引線足夠長。遠離法并不常用，更為常用的是補償法，補償法即只要將電壓極打在DGP= 0.617DGC處，就能測得正確的結果[3]。

1.2.2 電壓極和電流極呈一定夾角布置

仍以半球形接地電極為例，如圖3 所示。

圖3 電壓極和電流極呈夾角布置示意圖

設電壓極打在地面任一P 處，由此可得電壓極在各種位置時測得的接地電阻值R：

當DGP= DGC，θ = 28.96°時可使式（7）變為理論上的精確值，即式（5），該方法也稱為夾角補償法，實際中夾角可取30°[4]。

2 津秦客運專線測試試驗

由于接觸網的架設和貫通地線的連接會對測試造成影響，所以筆者在津秦客運專線開通以前對該線附近的大地電阻率和支柱及其基礎、橋墩的接地電阻進行了測試。大地電阻率測試采用四極法，支柱和橋墩接地電阻測試采用夾角補償法。

2.1 大地電阻率

津秦客運專線大地電阻率測試結果如表1 所示。大地電阻率受土壤類型、鹽堿度、溫度、濕度等因素的影響，隨極距的不同其數值也有所不同。當極距較小時，反映的是局部地表淺層的土壤電氣參數；當極距較大時，反映的是較大一塊區域內深層土壤的平均電氣參數。

2.2 接觸網支柱及其基礎接地電阻

津秦客運專線接觸網采用H 形鋼柱，H 形鋼柱通過底盤法蘭用螺栓固定在支柱基礎上。支柱基礎留有接地螺孔，該螺孔連通基礎內的接地鋼筋。所說的支柱基礎接地電阻即是測量該螺孔的接地電阻，而支柱接地電阻是指直接測量H 形鋼支柱（測點距支柱基礎約1.5 m）的接地電阻。由于測試時，已架設了PW 線，因此測試支柱基礎接地電阻時，需斷開PW 線（在PW 線與鋼支柱間插入一絕緣支撐），測試結果反映的是被測的單個基礎的接地電阻。而測試H 形鋼支柱接地電阻時，分連PW 線和斷PW 線2 種情況。斷PW 線時，反映的是支柱本體、法蘭連接以及支柱基礎的綜合接地電阻。連PW 線時，實際上反映的是該支柱處的實際接地電阻，包括了鄰近支柱通過PW 線對該支柱的影響。測試選擇在路基區段，測試結果見表2。

表1 大地電阻率測試結果表

表2 接觸網支柱及基礎接地電阻測試結果表 單位：Ω

2.3 橋墩基礎接地電阻

津秦客運專線綜合接地系統利用橋墩基礎作接地極，沿線敷設的2 根貫通地線要與橋墩基礎的接地鋼筋連接。橋墩在距地面約1 m 的地方設置有外露的接地鋼筋，通過該鋼筋可對橋墩基礎接地電阻進行測量，測量結果見表3。

表3 橋墩接地電阻測試結果表 單位：Ω

3 結語

高速鐵路牽引網接地相關參數對牽引供電系統的電氣性能以及軌道上的電磁兼容具有重要影響。無論是工程設計還是仿真計算均需了解接地系統的基礎參數。而一旦線路建成則失去了測試條件，在建設階段，對大地電阻率、接觸網支柱及其基礎接地電阻、橋墩接地電阻進行測試十分必要。

本文通過對津秦客運專線大地電阻率、接觸網支柱及其基礎接地電阻和橋墩接地電阻的測試，積累了相關現場測試經驗，取得了寶貴的基礎數據，對以后高速鐵路的設計有一定參考意義。另外，該基礎數據能對今后津秦客專牽引網以及綜合接地系統的電氣特性分析和仿真計算提供有力支持。

[1] 賀帆.高速鐵路牽引網的回流接地基礎參數及短路阻抗測試與分析[D].北京交通大學，2013.

[2] GB/T 17949.1-2000 中華人民共和國國家標準，接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則 第1 部分：常規測量[S].

[3] 馮志偉.影響接地電阻測量的因素分析[D].南京信息工程大學，2011.

[4] 謝偉山.地網接地阻抗的測量誤差研究[J].廣西電力，2007，30（4）：10-11，15.