基于鉗表法的鐵路通信機房接地電阻在線監測系統應用

摘要：接地電阻的測量方法有三極法、鉗表法等，鐵路通信機房的接地電阻測量通常采用三極法，但三極法存在測量場地受限、不能對接地電阻進行實時監測等問題，本文將基于鉗表法的接地電阻在線監測系統應用于鐵路通信機房接地電阻的實時測量，并對影響接地電阻測量值的因素進行了分析，提出了相應的應對措施。

關鍵詞：鐵路；通信；接地電阻；鉗表法

一、引言

鐵路通信機房內設置有無線基站、傳輸設備、接入網設備、有線調度交換機等通信設備，其承載有行車指揮等重要業務，一旦通信設備受到嚴重的破壞，可能會打亂列車正常運行秩序，將對社會秩序和公共利益造成嚴重損害。為了保證鐵路通信機房內通信設備的安全和正常運行，鐵路通信機房需進行防雷接地設計。鐵路通信機房采用共用接地方式，即機房的保護接地、屏蔽體接地、防靜電接地、工作接地和建筑防雷接地等連接在一起構成共用接地系統。根據《鐵路通信設計規范》（TB 10006-2016）要求，通信機房所屬的建筑物的接地體接地電阻不應大于1Ω[1]。由于通信機房接地電阻會隨著接地裝置周圍地理環境的變化而變化，而且接地裝置本身也會由于接觸不良等因素造成接地電阻發生變化，當機房接地電阻過大時，將不能正常對地放電，會導致機房內通信設備損壞，影響鐵路行車安全。所以對鐵路通信機房接地電阻的實時測量是非常必要的，傳統的搖表測量方法無法實現對接地電阻的實時測量，且存在測量場地受限等問題，而應用接地電阻在線監測系統能夠實現在機房內對機房接地電阻的實時監測，且不存在測量場地受限等問題。

二、鉗表法接地電阻測量原理

接地電阻的測量方法有三極法和鉗表法等，本文選用基于鉗表法的接地電阻在線監測系統對機房接地電阻進行測量。鉗表法的測量原理為磁場耦合原理，鉗頭主要由電壓線圈和檢流計構成。當鉗頭鉗在被測接地電阻回路上時，恒定的交流電源在電壓線圈上產生一個交變磁場，根據法拉第電磁感應定理，在閉合的接地回路上將產生感應電壓U，同時根據歐姆定律，感應電壓在閉合的接地回路上產生一個電流，檢流計檢測出接地回路上的感應電流I，則接地回路的電阻為R=U/I，通信機房接地網可看作是由被測接地電阻Re和并聯的各支路電阻構成，各支路的并聯接地電阻值為R=R1//R2//R3…Rn，所以實際測量電阻值為Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，當支路的數量較多時，Ra≈Re[2]。對于單點接地的接地系統，則不能用鉗表法進行測量，若確需采用鉗表法測量時，可通過增加輔助接地極使接地系統構成測試回路，但接地電阻的測量值中必須減去輔助接地極的電阻，鉗表法測量原理如圖1所示。

三、接地電阻在線監測系統的組成

（一）系統組成及功能

基于鉗表法的鐵路通信機房接地電阻在線監測系統由監測中心、監測終端、采集單元和數據傳輸網絡四部分構成，系統構成如圖2所示。

接地電阻在線監測系統各部分主要功能如下：

①監測中心由應用服務器、數據庫服務器和接口服務器和交換機構成，根據實際接入的采集單元數量，應用服務器、數據庫服務器和接口服務器可以合并為一臺服務器。服務器宜設置在監控中心機房，采用機架式安裝，管轄本企業的所有監測單元。服務器采用Windows操作系統，安裝有應用軟件、Mysql數據庫軟件和殺毒軟件。接地電阻在線監測系統采用C/S架構，應用軟件采用Java語言開發。服務器與前端數據采集單元、監控終端通過TCP/IP協議通信。數據處理服務器支持最多255個接地點的接入，間隔記錄時間為1～200小時，服務器根據客戶端軟件的設置，自動從前端數據采集單元接收數據并存儲至數據庫。

②監測終端采用普通的PC機，PC機上安裝接地電阻在線監測系統客戶端軟件，客戶端軟件具備授權登錄、監測數據顯示、線路信息顯示、查詢和分析預警等功能，還可以設置報警臨界值，具有聲光報警指示等功能。監測終端主要設置在相關維護管理機構。

③采集單元由通信模塊、上位機和電阻測量儀三部分組成。通信模塊為上位機提供以太網接入功能，上位機接收服務器的控制命令，并將電阻測量儀的測量數據上傳給數據處理服務器。上位機和服務器之間具有重傳機制，在網絡由于故障斷聯恢復時，可以重傳未發送的數據。同時上位機配置有LCD屏，可以直接顯示被測電阻值，方便現場人員調試和校準。測量儀主要由電壓線圈和檢流計組成，具有接收上位機的命令完成測量，并向上位機返回測試數據的功能。前端數據采集單元宜在每個通信機房設置一套，采用機架式安裝。

④監測系統數據傳輸網絡可采用有線和無線方式，數據處理服務器和前端數據采集單元之間通過有線方式進行連接，設備支持的接口類型為RJ45接口，電阻測量儀和通信模塊之間采用有線網絡RS232、RS485或無線網絡GSM通信等。

（二）系統性能

接地電阻在線監測系統的軟硬件采用模塊化設計，具有較好的可擴展性，可以通過增加模塊來擴充系統的容量和功能，軟件的數據管理功能具備平滑升級的能力，系統具有安全防范措施，對所有操作人員按其工作性質設置不同的操作權限，并具有密碼管理功能，系統的主要性能指標如表1所示。

（三）測量要求

根據鉗表法的測量原理以及接地電阻在線監測系統的安裝要求，一是需要通信機房接地裝置構成回路，且機房內地線線徑滿足鉗形探頭的穿孔要求。二是需要為前端數據采集單元和數據處理服務器之間提供以太網鏈路，監測系統組網可采用星型或總線型等組網方式，端對端通道帶寬不小于1Mbit/s。三是需要為測量單元和通信模塊提供1路220V交流電源或1路12V直流電源，并為后端服務器提供1路220V交流電源。

四、接地電阻在線監測系統在鐵路中的適用性分析

鐵路通信機房一般設置于車站信號樓內，車站信號樓采用聯合接地方式，信號樓四周設置有環形地網，環形地網與信號樓基礎內的鋼筋焊接連通，接地體埋設于地面以下。

采用常用的三極法測量機房接地電阻時，有三角形法和直線法兩種接線方式，為了避免場地不夠的情況，一般選用三角形法進行測量。測量時需在室外打兩處接地極（電流極C、電壓極P），電壓極和電流極距離信號樓地網邊緣的距離需相等，且電壓極和電流極距離地網邊緣的距離應大于等于地網最大對角線長度的兩倍，電壓極和電流極引線的夾角應為30°[3]。根據目前鐵路車站建設標準，信號樓室外四周場坪通常全部硬化，不具備打接地極的條件，機房進線孔也進行了防火封堵，布放引線困難，而且測量時如果接地極位于砂石區域，則存在接地極與土壤接觸不良的問題，或接地極測量范圍的地下存在金屬物體或其他地網，都會對接地電阻的測量值產生一定的誤差。

若采用鉗表法測量，只需要機房接地網構成測試回路，即可滿足測試條件。在機房內接地端子處設置1處鉗形探頭，地線穿心通過鉗形探頭，實現非接觸測量，不會影響機房的防雷接地效果和設備的正常運行。鉗表法相比三極法具有安裝方便、占用空間少、不影響設備的正常運行等優勢。下面從鐵路機房接地裝置、鐵路數據傳輸網絡和接地電阻監測系統設備供電三個方面分析接地電阻在線監測系統在鐵路通信機房接地電阻測量中的適用性。

（一）機房接地裝置

鐵路通信機房所在的信號樓采用聯合接地方式，信號樓四周布設有垂直接地極，其通過室外水平埋設的扁鋼連接，構成室外環型接地裝置，環型接地裝置與信號樓四角的基礎接地鋼筋連接，同時每隔5～10m與信號樓基礎接地鋼筋連接，共同構成信號樓接地網，網格尺寸不大于5m[4]。信號樓內通信機房等電位連接采用星—網混合型等電位連接方式，較大的通信站采用環形接地匯集線連接方式，機房內設置有防雷接地、工作接地和保護接地等接地端子，接地端子間通過銅線或銅排連接。鐵路通信機房接地裝置屬于采用多點接地的接地裝置，且能夠構成測試回路，滿足鉗表法的接地電阻測量條件。

（二）數據傳輸網絡

鐵路各類業務的承載網主要為數據網、傳輸網、鐵路數字移動通信系統GSM-R（Global System for Mobile Communications – Railway）。鐵路數據網由路由器和交換機構成，主要承載視頻監控、會議電視和電源及設備房屋環境監控系統等業務，數據網采用MPLS VPN技術實現各種業務系統的共網承載、轉發與業務隔離。車站接入節點通常設置有路由器和交換機，路由器之間通過千兆或萬兆光接口互聯，車站交換機以雙歸屬方式上聯車站接入層路由器，交換機可提供FE電接口/光接口，GE電接口/光接口等接口類型。

鐵路傳輸網主要采用光傳送網OTN（Optical Transmission Net）技術和多業務傳送平臺MSTP（Multi- Service Transport Platform）技術，其具有低時延，網絡安全性高等優勢，主要承載鐵路行車指揮類重要業務，可為所承載業務提供主用和迂回保護通道，支持多業務和多速率接入，傳輸帶寬為2Mbit/s～100Gbit/s。接入節點通常設置于車站、區間及站內通信機房，傳輸設備可提供2.5Gbit/s、622Mbit/s、FE電接口/光接口、GE電接口/光接口等豐富的接口類型，支持透傳和以太網等業務。綜上所述，鐵路有線承載網絡可以滿足接地電阻在線監測系統的數據傳輸要求。

（三）監測設備供電

鐵路通信機房內根據通信設備用電需求，通常設置有交流不間斷電源（UPS）和高頻開關電源，可以為通信機房內設備提供穩定、可靠的交流電源和直流電源，且通信機房設置有電磁屏蔽措施，可以避免外界對機房內設備的電磁干擾，滿足在線監測系統設備的供電及使用需要。

五、接地電阻在線監測系統在鐵路中的應用

在已開通運營的烏將鐵路部署接地電阻在線監測系統進行功能驗證，烏將鐵路是雙線電氣化鐵路，線路全長257.035km，沿線約10km～20km設置有1處車站，5～8km設置有1處通信區間基站，車站和區間基站內均設置有通信機房，全線建設有數據網、傳輸網和GSM-R系統。車站信號樓機房采用共用接地方式，通信機房內設置有接地端子，接地端子間通過30mm×3mm銅排連接。

在烏將鐵路的米泉車站通信機房部署1套接地電阻在線監測系統采集單元，采集單元包括鉗形探頭、上位機和通信模塊，鉗形探頭安裝在機房內接地端子附近，地線穿過鉗形探頭，如圖3所示。上位機和通信模塊安裝在機柜內，由機柜內PDU提供220V交流電源。在烏魯木齊通信段傳輸室機房設置1套數據處理服務器，進行機房接地電阻測量數據的采集，在網管室設置1套監測終端。傳輸網配置1個米泉站至烏魯木齊通信段帶寬為2Mbit/s的電路，通信段和車站通信機房傳輸設備分別提供1個FE電接口，為前端設備和后端服務器之間提供數據傳輸通道，監測終端與服務器之間通過本地局域網連接。

通信車間的運維人員在試驗期間，采用傳統的三極法對米泉站的機房接地電阻進行測量，表2為三極法和鉗表法兩種測量方法的相關數據對比[5]。

采用傳統的三極法測量接地電阻時需要至少2人配合，完成打接地極、布放引線等工作。而采用基于鉗表法的接地電阻在線監測系統在一次性部署完成后，測量時無需人工參與，通過監測終端的客戶端軟件設置采集間隔后，服務器自動根據設置的采集間隔接收數據，用戶可以通過客戶端軟件查詢監測數據并生成接地電阻測量數據報表。

六、接地電阻測量值影響因素分析及應對措施

采用基于鉗表法的接地電阻在線監測系統進行鐵路通信機房接地電阻測量時，有諸多因素會影響接地電阻測量值的準確性，主要包括測量設備和接地裝置自身的影響、氣候條件變化的影響、機房接地裝置的影響、外界雜散電流和電磁干擾等幾個方面：

（一）測量設備自身的影響

鉗形表安裝時未進行機械調零，會造成測量的接地電阻值偏大，或鉗口接觸平面被污染，未閉合緊密，導致測量結果不準。而且采用鉗表法進行接地電阻測量時本身也存在原理性誤差，測量電阻值為Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，通常是忽略R1//R2//R3…Rn部分，但當信號樓接地引下線數量較少時，R1//R2//R3…Rn部分不可忽略[6]，存在一個增加量，安裝前需要通過三極法對鉗表法測量結果進行校準，而且當通信機房由于改造而造成接地裝置的回路發生變化時，也需要重新使用三極法對測量結果進行校準。

（二）接地裝置自身的影響

當機房內的接地引線、均壓帶、接地排的連接螺絲松動，不能夠構成接地回路時，也會影響接地電阻的測量值。在接地電阻測量裝置安裝時要首先檢查機房接地裝置的完整性，排除由于接觸不良而造成誤差的因素。

（三）氣候條件變化的影響

鐵路通信機房所在地區的氣候條件會導致接地電阻測量值有較大的波動。例如下雨會使土壤濕潤，土壤的電阻率下降，測得的接地電阻值較小。戈壁沙漠地區土壤電阻率較大，則測出的接地電阻值較大。冬季氣溫下降會使土壤凍結，土壤電阻率增大，則測出的接地電阻值較大[7]。

（四）接地裝置周圍土壤的影響

在含有酸、堿、鹽等成分的土地會嚴重的腐蝕接地極，造成室外垂直接地極與水平接地極之間，以及環型地網與建筑物基礎接地鋼筋的連接處會出現斷裂或脫離，導致接地裝置接觸不良，影響測量的接地電阻值。在接地極選擇時應選用耐腐蝕的材質，焊接處應涂刷防銹漆，并采用混凝土包封，降低接地裝置的腐蝕率。

（五）外界雜散電流的影響

在電氣化鐵路中，當列車通過機房接地裝置附近時，接觸網的電流經鋼軌回流，一部分雜散電流會流入大地，當雜散電流流入至機房接地裝置附近時會對接地電阻的測量值產生影響[8]。所以在安裝鉗形表前，應先測試接地線纜上的電流，只有在地線上電流為零時才可以進一步測量接地電阻。也可以根據多次的測量值繪制接地電阻變化曲線，進而分析出準確的接地電阻值。

（六）外界電磁干擾的影響

當機房附近或機房內存在大功率無線信號發射設備時，會產生電磁場，而鉗表法本身也采用磁場耦合原理，所以干擾信號也可能影響測量值的準確性。當外界的干擾較強時，可以給鉗表安裝一個金屬屏蔽罩殼，以提高鉗表抗電磁干擾的能力。

七、結束語

通過將基于鉗表法的接地電阻在線監測系統在鐵路通信機房進行應用測試，可以看出接地電阻在線監測系統適用于鐵路通信機房接地電阻監測，且具有不受測量場地限制、測量方便等優勢，極大地減少了鐵路通信運維人員的工作量，同時在接地電阻在線監測系統使用過程中需要注意設備自身因素和外界因素對接地電阻在線監測系統電阻測量值的影響，提高測量的準確性。

在鐵路中批量應用時，區間及站內接入節點可采用傳輸設備為數據采集單元提供接入，采用總線型組網，區間及站內接入節點數據在車站匯聚后統一接入車站數據網，后納入通信段監控中心進行管理，實現全線機房接地電阻監測。結合運維單位的使用場景，也可將接地電阻在線監測系統納入鐵路電源及設備房屋環境監控系統進行統一管理，進一步提高維護工作效率。也可通過電信運營商網絡進行測量數據的傳輸，進一步擴展接地電阻在線監測系統的應用場景。

作者單位：魏雄? ? 新疆鐵道勘察設計院有限公司

參考文獻

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魏雄（1995.08-），男，漢族，甘肅張掖，本科，助理工程師，研究方向：鐵路通信工程設計。