高速鐵路隧道綜合接地系統接地特性分析

王建國,郭 星,孫建明,方 俊,陳 文,樊亞東

(1.武漢大學電氣工程學院,武漢 430072； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

我國高速鐵路隧道接地裝置有兩種形式，在Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道中將底板鋼筋網中最底層結構鋼筋焊接成接地網，通過結構鋼筋焊接到結構墻上。在Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道的初期支護施工中，將每個施工段內的一處橫向排列錨桿，用一根橫向鋼筋或鋼構架連接到防護墻上[1]，隧道綜合接地系統包含隧道底板鋼筋網、結構鋼筋、錨桿、結構墻、防護墻等組成。

高速列車牽引功率大，隧道內空間狹窄，其他專業難以布設新的接地裝置，隧道綜合接地系統的接地特性愈發引人關注。現有文獻對高速鐵路隧道綜合接地系統接地特性的分析研究較少。西南交通大學何正友等基于有限元方法，對高速鐵路隧道綜合接地系統的電磁特性進行仿真計算，該方法考慮隧道上方的拱結構取4個臺車位長度進行分析，還沒有考慮隧道底板以下的土壤部分[2]。國網電力科學研究院干喆淵等同樣采用有限元法，對海底隧道接地網進行建模分析計算，對部分隧道進行了精細剖分，忽略了隧道內向上的散流[3]。

目前，對高速鐵路路基段貫通地線的接地性能、檢測施工和測量方法等有較深入的研究[4-8]，但對高速鐵路隧道綜合接地系統的數值仿真計算建模報道較少[9]。高速鐵路隧道內分布隧道洞室，洞室內電力設施的安全運行需要可靠接地保證。目前對隧道洞室內電力設施的接地施工存在以下不同觀點：有觀點認為，將隧道洞室內箱變等電力設施的接地端子直接與隧道綜合接地系統相連即可，見圖1。也有觀點認為隧道洞室內需單獨設置接地網，當其接地阻抗達標后才能與隧道綜合接地系統相連，如圖2所示，在隧道洞室狹小空間內采取深埋垂直接地極、換土等措施，滿足接地阻抗4 Ω甚至1 Ω的要求[10-15]。

圖1 隧道洞室內箱變接地方式一

圖2 隧道洞室內箱變接地方式二

我國行業標準《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB 50065—2011)規定有效接地系統和低電阻接地系統地電位升高不宜超過2 kV，在一定條件下，接地網地電位升高可提高至5 kV。必要時，經專門計算且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網地電位升高還可進一步提高[15]。

針對上述實際問題，本文基于CDEGS分別建立高速鐵路Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道綜合接地系統模型，研究隧道內綜合接地系統的土壤適應性[16-17]。結合隧道洞室內箱變等電力設施的安全接地需求，通過數值計算和實地測量，驗證了當洞室內電力設施接地端子直接與隧道綜合接地系統相連后可以滿足安全要求。

2 Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道

圖3 Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道綜合接地系統示意

如圖3所示，隧道底板接地鋼筋網按每間隔1個臺車位設置1處，1個臺車位長度按10 m考慮，鋼筋網規模為10 m×4 m，采用1 m×1 m網格、φ16 mm鋼筋。隧道尺寸采用300、350 km/h雙線隧道內輪廓，見圖4。貫通地線為φ11 mm銅絞線，敷設在隧道左右兩側電力電纜槽中，通長各鋪設1根。縱向接地鋼筋選用隧道兩側通信信號電纜槽側墻上部縱向貫通φ16 mm結構鋼筋，該鋼筋每100 m斷開1次且斷開接頭為10 cm，縱向接地鋼筋與貫通地線間每100 m通過φ16 mm連接鋼筋互聯1次。建模時不考慮隧道外綜合地線降阻作用，只考慮隧道綜合接地系統[18-19]。Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道綜合接地系統建模見圖5。

圖4 300、350 km/h雙線隧道輪廓(單位：cm)

圖5 Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道綜合接地系統建模

圖6 隧道接地阻抗變化趨勢

計算不同土壤電阻率和不同隧道長度工況下，隧道綜合接地系統接地阻抗與土壤電阻率和隧道長度的關系。隧道接地阻抗分別隨土壤電阻率和隧道長度的變化趨勢見圖6，隧道接地阻抗與土壤電阻率線性逐漸增大，隧道長度越短增速越大；隧道接地阻抗隨隧道長度增加逐漸減小，當隧道長度大于3 km后，接地阻抗隨長度增加減小很小，基本保持不變。

隧道中每隔3 km設置洞室，計算時采用一垂直接地極代替洞室內電力設施的接地，并將此垂直接地極與隧道綜合接地系統相連，模擬隧道洞室內箱變等電力設施的接地端子直接與隧道綜合接地系統相連工況。垂直接地極長0.5 m且距隧道內該側縱向連接鋼筋4 m，垂直接地極及其與隧道綜合接地相連導體均為φ16 mm鋼筋，垂直接地極處入地短路電流為400 A。

垂直接地極接地阻抗隨土壤電阻率和隧道長度的變化趨勢見圖7。垂直接地極與隧道綜合接地相連后，接地阻抗值及其變化趨勢與隧道綜合接地系統幾乎一致。將垂直接地極與隧道綜合接地相連后的接地阻抗值與隧道綜合接地系統的接地阻抗值相比較，結果見表1。垂直接地極與隧道綜合接地相連之后的接地阻抗略高于隧道綜合接地系統的接地阻抗，增大百分比不超過7.69%。這是由于垂直接地體電阻較大，入地電流經4 m連接后再連接到綜合接地系統，造成接地端子處接地阻抗比綜合接地系統阻抗增大。

圖7 洞室垂直接地極接地阻抗變化趨勢

垂直接地極地電位升隨土壤電阻率和隧道長度的變化趨勢見圖8。地電位升與土壤電阻率呈正比逐漸增大，隨隧道長度的增加逐漸減小，當隧道長度大于3 km后地電位升基本保持不變。隧道長度低于1 km時，在土壤電阻率低于4 000 Ω·m的范圍內地電位升低于5 000 V；隧道長度大于1 km后，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內地電位升低于5 000 V；隧道長度大于3 km時，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內地電位升低于2 000 V。

表1 垂直接地極接地阻抗增大百分比 %

圖8 洞室垂直接地極地電位升變化趨勢

3 Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道接地體接地

圖9為Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道初期支護接地體和接地錨桿、鋼拱架、環向和縱向接地鋼筋、貫通地線間立體連接關系示意，錨桿接地體以1個臺車長度(10 m)為間隔設置。

圖9 Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道綜合接地系統示意

在CDEGS中建立Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道接地體模型，錨桿、環向和縱向接地鋼筋均采用φ16 mm鋼筋，錨桿長3 m，相鄰錨桿環向間距6 m。隧道內縱向接地鋼筋和綜合地線的設置及規格同上文Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道[5]。

洞室內垂直接地極接地阻抗、地電位升隨土壤電阻率和隧道長度的變化趨勢分別如圖10、圖11所示，數值計算時不考慮隧道外兩側綜合地線的降阻作用，即只考慮隧道綜合接地系統，洞室內電力設施的接地仍用垂直接地極代替，垂直接地極處入地短路電流為400 A。

圖10 隧道接地阻抗變化趨勢

圖11 隧道地電位升變化趨勢

垂直接地極接地阻抗和地電位升隨隧道長度的增加逐漸減小，長度越短增速越大；接地阻抗隨隧道長度的增加逐漸減小，隧道長度大于1 km后減小速度顯著放緩。隧道長度小于1 km時，在土壤電阻率為低于2 000 Ω·m的范圍內地電位升低于2 000 V；隧道長度大于3 km時，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內地電位升低于2 000 V；長度大于0.5 km后，在土壤電阻率低于5 000 Ω·m的范圍內地電位升低于5 000 V。

4 現場實測和應用實例

廟基口隧道位于武九客運專線江西瑞昌段，全長482 m，洞室內預先設置與隧道縱向接地鋼筋相連的接地端子，如圖12所示。測量時廟基口隧道綜合接地體系統已與隧道兩側高速鐵路貫通地線連接，此時測量得到的接地阻抗為隧道綜合接地系統與兩側貫通地線組成龐大接地系統的接地阻抗值。

圖12 廟基口隧道洞室接地阻抗測量

實測廟基口隧道處土壤電阻率為36.8 Ω·m。在CDEGS中建立隧道綜合接地系統和高速鐵路貫通地線計算模型，即廟基口隧道為Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道接地體模型，隧道兩側貫通地線分別長10 km，采用φ11 mm銅絞線，埋設深度0.4 m，間距24 m，每間隔500 m互聯1次。

計算得到上述隧道綜合接地系統與兩側貫通地線組成接地系統的接地阻抗為0.117 Ω，在廟基口隧道內洞室接地端子處測量得到接地阻抗為0.114 Ω，如表2所示；在上述接地系統計算模型中取消隧道接地系統兩側的貫通地線，計算得到此時接地阻抗為0.120 Ω，此即為廟基口隧道綜合接地系統的接地阻抗值。

金溫鐵路擴能改造工程是國家重點建設項目和浙江省“七線兩樞紐”重點項目，全線隧道43座，隧道總長115 km，占線路比例為61%，隧道內箱變32臺。本文成果已成功應用在金溫鐵路擴能改造工程建設中，針對山區鐵路隧道洞室空間狹小的特點，隧道洞室內箱變未獨立設置接地網，施工時將箱變接地端子與隧道內綜合接地系統可靠連接，測試接地電阻滿足設計要求，既保證了設備及人身安全，又節約了工程投資，效果良好。

表2 廟基口隧道接地阻抗實測與仿真計算

5 結論

通過對高速鐵路Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道綜合接地系統接地特性研究分析，結論如下。

(1)在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道長度大于3 km、Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道長度大于3 km時，地電位升低于2 000 V。在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道長度大于1 km、Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道長度大于0.5 km時，地電位升低于5 000 V。Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道和Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道綜合接地系統可以滿足《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB 50065—2011)規定的接地安全限值。

(2)高速鐵路隧道洞室內箱變等電力設施的接地端子與隧道綜合接地系統可靠相連后，洞室內電力設施接地端子處的接地阻抗近似等于隧道綜合接地系統的接地阻抗，并能夠滿足工頻短路時接地阻抗和地電位升要求。高速鐵路隧道洞室內箱變等電力設施不需要布設獨立接地裝置，直接與隧道綜合接地系統可靠相連即可。

(3)在土壤電阻率低于5 000 Ω·m，當Ⅰ、Ⅱ級圍

巖隧道長度小于1 km、Ⅲ～Ⅴ級圍巖隧道長度小于0.5 km時，地電位升可能高于5 000 V。根據《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB 50065—2001)，此時應經過專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網地電位升高才可以進一步提高，具體措施參見標準中相關規定：如可能將洞室內高電位引向洞室外或將低電位引向洞室內的設備，應采取防止轉移電位升引起危害的隔離措施；應驗算接觸電位差和跨步電位差，并應通過實測加以驗證等[15]。