客运专线的综合接地系统鲁恩斌.docx
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客运专线的综合接地系统鲁恩斌
客运专线的综合接地系统
鲁恩斌
摘要：
提出客运专线综合接地系统的必要性，分析国内外现状，阐述了综合接地系统的范围、要求、设计与施工
关键词：
客运专线接地系统
1.综合接地系统的提出
铁路设备即设施的接地系统工程是一项复杂的系统工程。
接地的目的主要是为了防止电磁感应及过电压对人员和设备实体产生危险影响而采取的保护措施。
由于铁路是多专业的集合体，所以在电气化区段，需要接地的专业设备设十分广泛。
目前，信号、通信、计算机信息系统、电气化、电力、机械、桥梁、隧道、路基、轨道环工、给水排水等相关设备都需接地。
从前，各专业自己各自建设自己的接地系统，结果是各自的接地系统标准低，相互影响，电位不相等，总造价高，防护效果未达预期目的。
为了保证电化区段的人身安全，要求在牵引供电设备一定距离内的金属物体必须接地，同时供电系统要有自己的工作地、保护地，电磁兼容接地。
弱电系统同样需要工作地、保护地，电磁兼容接地。
建筑物内电气电子的设备也需要工作地、保护地，电磁兼容接地。
因此，接地的种类为：
工作地、保护地，电磁兼容接地。
目前，国内也是采取各专业地线分别设置的方式。
随着客运牵引电流提高，电子设备增多和桥梁隧道比例加大，需要接地的设备及设施增多（如声屏障等），过去的分别设置的方法需要改进。
（1）需打破各专业分别设置接地系统的传统做法，提高接地标准。
（2）客运专线牵引电流提高，电子设备增多，桥隧比例加大，需采用综合接地方式提高接地性能，满足各系统设备防雷、电磁兼容、人身保护、计算机逻辑、等电位连接等的要求。
2.国外铁路接地概况
综合接地方式首先用在建筑物电气电子设备防护上，国外采用已经20余年。
在钢筋混凝土结构建筑物利用建筑物钢筋作自然接地体和引下线屏蔽笼，或在建筑物建设时就在地基中增设人工接地体以构成更大地网。
避免了单独设置人工接系统所需的场地和较大花费。
且接地金属在混凝土的包裹下不易腐蚀，同时加大了与土壤的接触（埋在土壤中的硅酸盐水泥的电阻率一般约40-80Ω·m，比土壤还低为），是目前最好的接地系统。
欧洲铁路也采用了综合接地系统的设备设施接地方法。
运行经验证明其有较大的优点，得到广泛的应用。
2.1电化区段接地的特点
电化区段牵引回流和短路电流经钢轨并在钢轨与大地、钢轨与临近的设备、钢轨与相连的信号设备间形成电位差。
当有列车时，这个电位较高，可能威胁人身和设备的安全。
为了人身和设备的安全，各国对电化区段，尤其对牵引回流大的高速铁路（高速铁路牵引负荷是普速铁路牵引负荷3～4倍，并具有持续性）的接地方式进行了研究，形成以法国为代表的欧洲“综合接地”方式和日本的“分别接地方式”。
2.2欧洲综合接地方式
根据欧洲标准实施。
理论认为，影响接地效果的首要因素是接地网的面积（即接地网与大地的亲密程度），任一单个的地网面积有限，散流也就有限，若将沿线所有地网（注意，不是地线）联成整体，形成一个巨大的地网，每一局部地网称为一个散流中心，其散流效果将增加，同时对大网中的其它局部地网影响甚微。
EN50122-1:
1997铁路•固定设备•第1部分:
电气安全和接地装置防护规定
EN50122-1Berichtigung1:
2007 铁路设施•固定设备•第1部分:
电气安全和接地相关的保护性措施。
采用等电位连接方式，在铁路沿线敷设“贯通地线”，将铁路沿线所有设施的接地网联成一体形成大面积的“综合接地系统”
综合接地优点：
（1）降低了钢轨电位，保障了人身和设备安全。
（可将车站做成开放式，人员可以自由出入）
（2）降低了建立铁路各子系统接地装置所需的工程投资。
对于场坪面积有限或高土壤电阻率地区、桥梁、隧道的接地系统，更具优势。
2.3日本的“分别接地方式”
日本铁路采用各子系统接地相对独立、相互隔离的方式。
优点：
避免了牵引回流对信号及沿线电子设备的影响（工作地和安全地分开，必须采取隔离措施），微电子设备工作质量较高。
缺点：
钢轨电位太高，以至必须采取封闭式站台，站台两侧设防护栏，区间全封闭，人员不得擅自进入。
2.4欧洲和日本方式比较
表4-1
方式
欧洲综合接地系统
日本独立接地方式
回流方式
牵引回流经综合接地系统（钢轨、回流线或保护线大地、相关设备地网）返回牵引变电所。
缺点：
弱点设备地网中有电流和电压存在。
正常情况时，牵引回流经钢轨、保护地线返回牵引变电所。
与弱点设备无关
相互影响
通过综合接地系统散流特性好的优点，将相互影响控制在可以接受的范围内。
强电回流与弱点设备互不影响。
区间设置
敷设贯通地线，沿线设备在与自己的地网等电位连接后与贯通地线连接。
沿线设备各自独立接地，互不关联。
车站
站内所有铁路设施包括建筑物与自己的地网作等电位连接后与贯通地线（或钢轨）连接。
站台与轨道间加装放电间隙，电压超3kV时放电以降低轨道电位。
接触网
接触网回流线或保护线与支柱间采用无绝缘安装，利用支柱基础充分接地。
接触网保护线与支柱间采用绝缘安装，加装S形放电间隙，不利用支柱基础接地。
钢轨电位
符合EN50122（电气安全和接地装置防护规定），安全性能好。
短路时钢轨电位高，对人身有相当危险
安全保障
通过完善的综合接地技术保证地电位不超过限制值。
车站开放，人员自由出入。
车站和铁路沿线设护栏，并用法律手段防止人员进入，人员擅入为违法行为，将受法律制裁。
3.综合接地系统实施的必要性
3.1综合接地系统已在建筑物、电力、通信、石化等工业领域应用20多年，证明其只要在将强电设备和弱点设备分别接入综合接地系统，并保持一定距离。
不但有良好的防雷效果，并且可充分保障弱点设备安全。
3.2受铁路地界限制，独立设置个系统的接地装置并保证安全距离有相当难度。
3.3高速铁路牵引电流负荷比普速铁路大3-4倍，且桥隧比例大，采用无砟轨道等，使钢轨电流极高（短路电流可达14000A）
3.4电子设备增多，需接地的设备多，独立设置时系统间会出现电位差。
因此，要求沿线路方向实施综合接地系统，并符合欧洲标准EN50122-1的规定。
为保证线路两侧的人身安全，设置贯通综合接地系统是高速铁路与普速铁路的主要区别。
根据欧洲EN50122-1标准（见表4-2）在正常和短路情况下的电位要求，采用普速铁路中的接地措施已经不能满足高速铁路牵引负荷条件下安全电压要求，必须设置贯通地线，以消除牵引供电对通信、信号等系统的影响并保障线路设备、人身的安全。
根据计算，在不设贯通接地线的情况下，短路故障时，钢轨最高电位可达到5500V，远远大于欧洲标准的规定，但是设置贯通地线后，短路故障时，钢轨最高电位小于1650V，贯通线电位小于240V；正常运行时，钢轨最高电位小于120V，完全满足标准的要求。
（表4-2：
EN50122-1要求）
表4-2
项 目
接触电压（V）
钢轨电位（V）
正常、长期运行
60
120
故障、短时运行（0.1s）
842
1684
4综合接地系统定义
将铁路沿线一定范围内的牵引供电系统、电力供电系统、信号系统、通信系统及其它电子信息系统、建筑物、道床、站台、桥梁、隧道、声屏障等需要接地的装置通过贯通地线连成一体的接地系统。
比较一下建筑物综合接地系统定义，可知，铁路综合接地系统与建筑物综合接地系统的目的和实施方法是一致的。
建筑物综合接地系统定义（源自GB/T19663-2005 信息系统雷电防护术语）：
在规定区域内由所有互相连接的多个接地连接组成的系统。
（注：
包括埋在地中的接地极、接地线、与接地极相连的电缆屏蔽层、及与接地极相连的设备外壳或裸露金属部分、建筑物钢筋、构架在内的复杂系统。
）
5综合接地系统的范围
所有沿线的电气设备，电力通信信号电缆，以及沿线地上金属物，护栏声屏障，车站桥的构筑物钢筋全面与综合地网相连。
5.1牵引供电系统接地
1．接触网支柱基础接入综合接地系统
2．PW和NF线必须通过扼流变压器或空心线圈中性点与轨道连接。
轨道接地只能使用完全横向连接来实现。
贯通地线与完全横向连接线连接点、PW和NF线的引下线与扼流变压器空心线圈中心点中性点连接点宜在同一里程。
3.牵引网中的防雷接地装置在贯通地线上的引接点与其它设备在贯通地线上的引接点不能在同一地点（应保持一定距离）。
4．牵引变电所围墙内外的所有不导电金属都应与牵引变电所地网连接。
法国高速铁路接触网接地和综合接地系统如图4-1所示。
图4-1：
法国高速铁路接触网接地和综合接地系统图
接触网保护线同时作为架空地线。
保护线每1.2-1.5km（视信号闭塞区间长度而异）与钢轨扼流圈相连，保护线不设绝缘。
综合接地系统由钢轨，单独埋设贯通地线和保护线以及它们之间的横向连接构成。
5.2电子系统接地
1.距接触网5m范围内的电子系统设备的接地均应就近接入贯通地线。
2.建筑物内的电子系统的各种接地应当分别接入建筑物地网后与贯通地线连接。
3.区间轨道两侧的长途通信电缆屏蔽层、电缆槽支架、漏缆悬吊钢索的接地均应接入贯通地线。
信号柱和箱盒（轨旁信号设备）的接地、轨旁电话的接地也应应接入贯通地线。
4.铁路沿线的长途通信电缆屏蔽层、电缆槽支架、漏缆悬吊钢索等的接地均应与贯通地线连接。
信号柱和箱盒（轨旁信号设备）、轨旁电话（如有金属部分的话）应与贯通地线连接。
5.无线天线塔及区间无线中继设备杆塔应设置自己符合规定的地网后接入贯通地线。
5.3电力设施接地
铁路沿线20m范围内的电力设施应接入综合接地系统：
5.4无砟轨道及站台接地
1.无砟轨道道床上层敷设非预应力钢筋，每100m分隔一个标段，纵向专用接地钢筋按每100m左右与贯通地线单点“T”形连接一次。
2.钢筋混凝土站台上以及混凝土内的金属应可靠接地，并与贯通地线连接。
5.5其它设施接地
1.在接触网带电体5m范围内的铁路沿线金属构件应与贯通地线连接。
2.跨越铁路的构筑物外漏的金属防护网、防护栏应单独设置地网后接入综合接地系统。
3.铁路两侧50m内的铁路设备建筑物应设置自己的地网后接入综合接地系统。
6综合接地的一些要求
6.1接地电阻
各专业（通信、信号、电力、电气化）地网接地电阻小于1Ω，要求贯通地线处处测量值都小于1Ω（由于贯通地线在地中直埋，该值容易达到，实测证明，沿线的贯通地线接地电阻测量值小于1Ω）
6.2钢轨电位、跨步电压和接触电压
钢轨电位是产生跨步电压和接触电压的根源。
客专运行速度快（牵引负荷大）、行车密度大（牵引负荷大有连续性）、短路电流大（15-25kA）。
无砟轨道增加了轨道漏泄（混凝土电阻率低）电流。
使得钢轨电位比普速铁路高许多。
采用上下行钢轨横连线是平衡牵引回流分布的有效措施。
EN50122-1和prEN50170的要求参见表4-3。
表4-3
项 目
接触电压（V）
钢轨电位（V）
正常、长期运行（t＞300s）
60
120
正常运行（t＜300s）
65
130
故障、短时运行（0.1s）
842
1684
6.3贯通地线的截面积要求
应当满足正常牵引负荷时牵引回流的需要和接触网短路（短路时间不大于100ms）时通过瞬间大电流时热稳定性的要求。
1.正常牵引负荷时：
根据贯通地线牵引回流的分配比确定贯通地线的截面积，在AT供电模式时：
;
（1）200km/h线路，35mm2铜当量的贯通地线可满足要求；
（2）350km/h线路,两列联挂，50mm2铜当量的贯通地线可满足要求。
2.接触网短路时：
（1）变电所采用220kV单相Ii接线牵引变压器时，系统短路容量在8000MVA左右时，短路电流在25kA左右，贯通地线截面积为70mm2；
（2）变电所采用220kV三相Vv接线牵引变压器时，系统短路容量在8000MVA左右时,贯通地线截面积为35mm2。
目前，国产的有25mm2 、35mm2 、50mm2 、70mm2 、95mm2 等规格。
6.4贯通地线的材质
1.环保性能要求：
满足国家对土壤质量的要求；
2.外护套可以是金属、导电高分子材料做成。
应耐酸、碱、盐的腐蚀。
外护套采用导电高分子材料时，应采用体积电阻率不大于0.7Ω·cm，并不易老化的导电橡胶或塑料（应经老化试验）。
3.贯通地线内的铜材应但符合GB./T3953规定的TR型软铜线。
4.使用温度：
-40℃～+60℃，敷设时温度不低于-10℃。
5.机械性能：
允许弯曲半径不小于其外径的20倍。
6.5接地端子及接地汇集线
1.材质：
接地端子及接地汇集线用不锈钢材料制成。
2.类型：
（1）桥隧型，用于桥梁和隧道及无砟轨道板的接地端子及接地汇集线。
（2）路基型，用于路基的接地端子。
7综合接地系统设计专业分工
客运专用线综合接地系统是典型的多专业集成系统，该系统提供了沿线建筑物、构筑物的防雷接地、弱电设备的工作接地、防静电接地、电磁兼容接地以及保护接地等，遍及铁路内部的信号、通信、计算机信息系统、电气化、电力、机械、桥梁、隧道、路基、轨道、环工、给水排水、建筑专业。
根据《鉴信〔2007〕96号》文《铁路防雷、接地工程设计专业分工及文件编制研讨会纪要》的要求，各专业的分工如下：
7.1信号专业
（1）信号专业为综合接地系统的牵头专业，桥梁、隧道、路基、轨道、电气化、电力、房建等相关专业配合，共同完成综合接地总体设计原则，完成系统总体设计，协调各相关专业间的接口设计。
（2）完成贯通地线、分支引接线及信号专业设备接地端子的设计。
提出路基、桥梁、隧道等地段及无砟轨道上接地端子的设计要求。
（3）负责提出路基地段贯通地线、分支引接线、接地端子（或接地汇集线）的敷设要求，完成典型工点贯通地线、分支引接线的敷设、接地端子的布置及安装示意图设计，提交路基专业。
（4）负责提出桥梁、隧道地段电缆槽地线、分支引接线、接地端子的预埋及桥梁、隧道地段接地体的设计要求，并完成典型工点示意图的设计，提交桥梁、隧道专业。
（5）负责提出靠线路侧站台综合接地用的纵向接地钢筋即接地端子的预埋要求提交站台设计专业。
（6）负责完成综合接地系统接地电阻测试的要求、方法，贯通地线、分支引线的施工即验收注意事项等设计说明。
提出接地效果达不到要求时的补救措施预案。
（7）主要工程数量，见表4-4。
表4-4
序号
工 程 项 目
备 注
1
贯通地线
全线
2
贯通地线沙防护
贯通地线敷设在电缆槽的地段
3
横向连接地线
路基地段及车站范围
4
分支地线
车站、信号中继站地网与贯通地线连接
5
接地连接线
轨旁信号设备接地连接
6
接地端子/接地汇集线
信号设备接地
7
贯通地线及分支地线接续
全线
8
附加接地体埋设
接地效果达不到要求时
9
C型连接件
电缆槽内贯通地线与接地端子间专用连接件
10
接续专用工器具
接续使用
7.2路基专业
（1）完成路基地段贯通地线、分支引接线敷设前的路基开槽、回填、防护设计。
（2）负责路基地段电缆槽内接地端子的安装设计。
（3）主要工程数量，见表4-5。
表4-5
序 号
工程项目
备注
1
路基地段开槽、回填、防护
路基地段贯通地线预埋
2
接地端子/接地汇集线
预制在电缆槽内及接触网支柱基础上
7.3轨道专业
（1）完成无砟轨道内部接地用结构钢筋的连接设计。
（2）完成轨道板之间连接用接地端子及连接线以及与贯通地线连接线的设计。
（3）主要工程数量，见表4-6。
表4-6
序 号
工 程 项 目
备 注
1
接地端子
预制在无砟轨道板内
2
板间接地连接线
无砟轨道板间的等电位连接
3
T型接地连接线
无砟轨道板与贯通地线间连接
7.4桥梁专业
（1）完成梁体、桥墩内部接地钢筋的连接及桥墩基础下部接地装置的设计。
（2）负责梁体、桥墩等不同部位的接地端子的预埋设计，以及桥梁体与桥墩预埋接地端子间的连接设计。
（3）主要工程数量，见表4-7。
表4-7
序 号
工 程 项 目
备 注
1
接地端子/接地汇集线
预制在梁体、桥墩混凝土结构内
2
接地连接线
梁体、桥墩的连接
3
接地钢筋网
明挖扩大基础底层接地装置
4
接地钢筋
因综合接地增加的专用接地钢筋（不含用于接地的结构钢筋）
7.5隧道专业
（1）完成隧道内接地装置的设计。
（2）负责预埋综合洞室接地端子、隧道内接地端子及到电缆槽侧壁外沿纵向接地钢筋的连接设计。
（3）按接触网专业要求，设计接触网滑道安装所需的接地。
（4）主要工程数量，见表4-8。
表4-8
序 号
工 程 项 目
备注
1
接地端子/接地汇集线
预制在梁隧道混凝土结构内
2
接地钢筋
因综合接地增加的专用接地钢筋（不含用于接地的结构钢筋）
3
接触网槽道基础接地
接触网槽道基础预埋
7.6电力专业
（1）完成电力专业设备接地装置与贯通地线的等电位连接。
（2）主要工程数量，见表4-9。
表4-9
序 号
工 程 项 目
备 注
1
接地连接线
电力专业设备接入综合接地系统的引接线
7.7电气化专业
（1）负责接触网支柱基础钢筋引出的接地端子及贯通地线的连接设计。
（2）根据需要完成电气化专业设备接地装置与贯通地线的等电位连接设计。
（3）完成接触网最大短路电流、贯通地线截面积计算，提供给相关专业。
（4）对轨道、桥梁、隧道专业提出接地要求。
负责提出接触网带电体5m范围内的金属结构物（含跨线桥、桥梁护栏、声屏障、路检隔离栅栏等）的接地设计要求。
（5）主要工程数量，见表4-10。
表4-10
序 号
工 程 项 目
备 注
1
接地连接线
电气化专业设备接入综合接地系统
2
接地连接线
接触网支柱基础与分支引接线连接
7.8站台设计专业
（1）负责完成站台台面、雨棚的设施的接地设计。
（2）完成靠线路侧站台内部综合接地用纵向接地钢筋及接地端子的预埋设计。
（3）主要工程数量，见表4-11。
表4-11
序 号
工 程 项 目
备 注
1
基地钢筋
因综合接地增加的专用接地钢筋（不含用于接地的结构钢筋）
2
接地端子
预制在站台混凝土结构物内
7.9声屏障专业
（1）完成桥梁、路基地段声屏障基础内接地钢筋及接地端子的预埋设计。
（2）完成声屏障金属结构上部纵向接地钢筋及下部预埋接地端子连接的设计。
（3）负责声屏障基础伸缩缝间的接地连接以及与贯通地线的“T”形连接。
（5）主要工程数量，见表4-12。
表4-12
序 号
工 程 项 目
备 注
1
接地端子
预制在声屏障混凝土结构物内
2
接地钢筋
因综合接地增加的专用接地钢筋（不含用于接地的结构钢筋）
3
接地连接线
本专业设备接入综合接地的引接线及板间连接线
7.10其它相关专业
（1）沿线需要接地防护的其它相关专业设施均由各自的专业完成接地装置的设计，根据综合接地要求，应就近与贯通地线连接。
（2）主要工程数量，见表4-13。
表4-13
序号
工 程 项 目
备注
1
接地连接线
其它相关专业设备（设施）与综合接地系统连接
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