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摘要: 随着我国客运专线和高速铁路的大规模建设和投入运行，对牵引供电设备的可靠性和安全性有着更高的要求。在电气化铁道牵引变电所施工中,接地网敷设一般属前期隐蔽工程,一次施作不好就会造成很大的经济损失，并留下安全隐患。因此,施工单位务必引起高度重视。本文将从理论上对降低接地电阻的方法进行分析，并针对高电阻率土壤地区接地装置的施工方案和具体降阻措施以及注意事项进行详细阐述。
关键词:牵引变电所 接地降阻 分析处理
Abstract: Along with the high-speed railway passenger special line and the large-scale construction and operation of traction power supply equipment reliability and safety have higher requirements. Electrified railway traction substation in construction, installation of substation grounding grip general early take cover engineering, an applied to bad will cause a great economic loss, and leave the security hidden danger. Therefore, the construction unit must be attached. In this paper, the principle of reducing the grounding resistance analysis and in the light of the high receptivity soil region of grounding device construction plan and specific resistance reduction measures and matters needing attention are expounded.
Key Words: traction substation, grounding resistance reduction, processing dealing
中图分类号：U22文献标识码：A文章编号：
1引言
近几年我国铁道牵引供电自动化技术的日趋完善，牵引变电所的自动化水平也在同时提高，越来越多的变电所采用了计算机控制设备，相比之下设备较过去自动化水平不高时，显得较为“娇气”和“金贵”，直接导致耐过电压过电流水平的直线下降，特别是在遭遇雷击时，很容易造成控制设备的损坏，甚至会威胁到整个系统的安全供电，尤其是变电所往往地处山区，遭遇雷击的概率比较高，所以加强变电所的防雷保护就非常重要。首先要根据当地的气候、地形、土质、设计勘测资料数据及运营、建设单位的要求,确定接地网施工的技术方案和措施。我单位承建的电气化铁路改造工程,牵引变电所遇到的地质状况部分亦属高电阻率土壤。
2降低接地电阻的方法
由公式R=pε／C可以看出
（R：接地电阻；p：大地电阻率；ε：介电系数；C：接地体电容）
降低接地电阻R有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小大地的电阻率p和介电系数ε。下面分别讨论降低接地电阻的一些方法。
2.1增大地网面积
由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率p和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面积成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减少接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时接地電阻减小29.3％。
2.2增加垂直接地体
依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容，当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径r的圆盘和半径为r的半球电容之比4εr／2πεr可得，接地电阻减小36％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（2-3m）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。
2.3人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为r的半圆球接地体而言，其接地电阻的50％集中在自接地体表面至距球心2r的半圆球内，如果将r至2r间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。
设原地电阻率为p2，将r至2r范围内的电阻率为p2的土壤用低电阻率的材料p1置换，
则：半圆球接地体的接地电阻为：RX=( p1+ p2)4πr
置换前的接地电阻RX为：RX= p2／2πr
R与RX之比为：R／RX=( p1+ p2)／2p2；
当p1« p2
上式改写为：R=RX／2= p2／4πr
故：接地电阻减小的百分数为50％。
不难看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由R增大到2R，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。
2.4深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。大地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，大地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。对于大地电阻率随地层深度增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电场中，介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电组作用不大，故国、军标不推荐使用该方法。但对于低频信号，此法简单，效果明显，可以使用。
3接地装置施工方案
对于气候常年干燥、干旱且地处高电阻率土壤的牵引变电所，根据施工调查和前期房建基础开挖发现,所址地下1-1.5米为砂土和卵石地层,若按常规自然接地的施工方法,显然无法达到设计要求。针对具体情况,我们根据以上的理论分析和已往的施工经验,首先高度重视，同时依据现场现状和初测土壤电阻率数据,结合经济节约的原则,及时制订了初步处理方案,主要内容如下:
3.1接地网的开挖
接地网沟开挖以人工为主,加宽0.5米、加深1米。接地极改砸入为埋入。接地网均压带长度和接地极安装数量按设计要求数量实施。
3.2接地体的敷设
在接地带和接地极敷设安装处增加适用有效的降阻剂,接地装置埋设周围换填电阻率较低的土壤,按此办法施工完成后,若仍达不到要求,再在牵引变电所围墙外周围敷设一周,加大地网面积,增大接地极坑的开挖、换土量和降阻剂,然后从四面与所内接地网双连接。直至达到要求为止。
3.3施工方案实施
施工方案的实施须经建设单位批准。根据运营单位提议并经建设单位同意,个别牵引变电所为增强接地装置长久耐用,方案补充将水平接地带扁钢改为铜绞线,垂直接地极角钢改为铜棒。
4降阻措施
按照接地网敷设方案,接地装置材质由钢改为铜后,由于接地均压带为多股铜绞线,接地极为铜棒,其与地接触面积,同角钢、扁钢与地接触面积相比减小了很多,加之客观上土壤电阻率高,这使得接地降阻施工困难更大。在实践中,我们经过反复摸索试验,依据已往的经验和处理方法,制定了相应的降低接地电阻的有效措施。主要内容如下:
4.1接地网的要求
按照接地网敷设的一般要求,接地网外缘闭合,外缘各角为圆弧状,水平均压带间距为5米,以减弱电场。垂直接地极的间距不小于其长度的3倍,接地极一般为2.5米,以减小相邻接地体的屏蔽作用。水平均压带与接地极间相互连接为焊接。
4.2降阻剂的选择
选择适宜的降阻剂。为解决砂石地质地区高电阻率土壤的降阻问题,经与生产厂家多次联合试验,发现采用电极、石墨、钙基膨润土、铜石矿石粉等为主要原材料的降阻剂,降阻效果十分有效。其优点主要是不受高低、温,干、湿度和环境质的影响,导电稳定,降阻效果明显且有高效的防腐性能。
4.3接地极的施工方法
根据接地极和均压带在接地网中的作用功能不同,改接地极砸入地下为挖坑裹降阻剂换填土深埋。主要施工方法:在埋设接地极时,首先将接地极放置坑中间,内层将拌好的降阻剂灌入接地极内套筒内(套筒活动可反复使用),边灌降阻剂、边抽筒、边在筒周围填入电阻率低的土壤同时夯实。依次类推,接地极埋设完成后,再与水平接地均压带焊接。对水平接地带,同样采取内层裸降阻剂外层换填电阻率较低的土壤的施工办法。
4.4施工方案优化
按此方案施工完成后,对高电阻率沙石地质的接地,其接地电阻值可基本一次达到0.5欧以下。對更特殊的地质,则在变电所址外围另加设一圈接地网,加大地网面积,增大接地极坑的开挖、换土量和降阻剂,然后从四面与所内接地网双连接。最后即可满足接地降阻的设计要求。
5注意事项
5.1施工注意事项
安全的接地网除接地电阻满足设计要求外、还应测试所内地网电位分布曲线和接触电位、跨步电位。在高土壤电阻率区施工时,尽量将接地网网格控制在6米×6米以内。所内控制电缆、低压电缆等采取一点接地、接地母线在高压侧与主接地网相连。
接地网除施工方案措施得当外,接地网均压带和接地极的材质,必须严格按设计规格要求选定。均压带与接地极的焊接应符合工艺标准要求,尤其铜质材料的联接焊接,须严格按厂家的技术说明操作。
5.2测量注意事项
接地电阻的测量常用电桥法。对于地质条件复杂的高土壤电阻率地区宜采用四极法。该方法使用反相法可消除系统的零序电流和测量导线上外界干扰电压的影响;其辅助电极可消除电流线和电位线之间互感的影响,从而得到较为准确的接地电阻值。
接地电阻实地测量时,为消除干扰,尽可能进行多方向布线测量,然后分析测量结果,以便得到较为真实的数据。
6结束语
综上所述，由于牵引变电所接地网施工的涉及面广,受影响的因素多,部分现象的发生既普遍,又偶然。其首要任务是安全可靠的运行，任何故障或事故的发生，都会影响到铁路运输的正常进行。因此，牵引变电所接地网必须在长年使用中保持高度的可靠性和安全性，施工方案、工艺、措施是至关重要的。
参考文献:
[1]电气化铁道施工手册.牵引变电所.中国铁道出版社2000年
[2]电气化铁道供变电工程. 北京:中国铁道出版社1983年
[3]高电压技术. 电力工业出版社1981年
[4]电气化铁道设计手册.牵引供电系统.中国铁道出版社1988年
关键词:牵引变电所 接地降阻 分析处理
Abstract: Along with the high-speed railway passenger special line and the large-scale construction and operation of traction power supply equipment reliability and safety have higher requirements. Electrified railway traction substation in construction, installation of substation grounding grip general early take cover engineering, an applied to bad will cause a great economic loss, and leave the security hidden danger. Therefore, the construction unit must be attached. In this paper, the principle of reducing the grounding resistance analysis and in the light of the high receptivity soil region of grounding device construction plan and specific resistance reduction measures and matters needing attention are expounded.
Key Words: traction substation, grounding resistance reduction, processing dealing
中图分类号：U22文献标识码：A文章编号：
1引言
近几年我国铁道牵引供电自动化技术的日趋完善，牵引变电所的自动化水平也在同时提高，越来越多的变电所采用了计算机控制设备，相比之下设备较过去自动化水平不高时，显得较为“娇气”和“金贵”，直接导致耐过电压过电流水平的直线下降，特别是在遭遇雷击时，很容易造成控制设备的损坏，甚至会威胁到整个系统的安全供电，尤其是变电所往往地处山区，遭遇雷击的概率比较高，所以加强变电所的防雷保护就非常重要。首先要根据当地的气候、地形、土质、设计勘测资料数据及运营、建设单位的要求,确定接地网施工的技术方案和措施。我单位承建的电气化铁路改造工程,牵引变电所遇到的地质状况部分亦属高电阻率土壤。
2降低接地电阻的方法
由公式R=pε／C可以看出
（R：接地电阻；p：大地电阻率；ε：介电系数；C：接地体电容）
降低接地电阻R有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小大地的电阻率p和介电系数ε。下面分别讨论降低接地电阻的一些方法。
2.1增大地网面积
由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率p和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面积成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减少接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时接地電阻减小29.3％。
2.2增加垂直接地体
依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容，当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径r的圆盘和半径为r的半球电容之比4εr／2πεr可得，接地电阻减小36％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（2-3m）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。
2.3人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为r的半圆球接地体而言，其接地电阻的50％集中在自接地体表面至距球心2r的半圆球内，如果将r至2r间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。
设原地电阻率为p2，将r至2r范围内的电阻率为p2的土壤用低电阻率的材料p1置换，
则：半圆球接地体的接地电阻为：RX=( p1+ p2)4πr
置换前的接地电阻RX为：RX= p2／2πr
R与RX之比为：R／RX=( p1+ p2)／2p2；
当p1« p2
上式改写为：R=RX／2= p2／4πr
故：接地电阻减小的百分数为50％。
不难看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由R增大到2R，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。
2.4深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。大地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，大地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。对于大地电阻率随地层深度增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电场中，介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电组作用不大，故国、军标不推荐使用该方法。但对于低频信号，此法简单，效果明显，可以使用。
3接地装置施工方案
对于气候常年干燥、干旱且地处高电阻率土壤的牵引变电所，根据施工调查和前期房建基础开挖发现,所址地下1-1.5米为砂土和卵石地层,若按常规自然接地的施工方法,显然无法达到设计要求。针对具体情况,我们根据以上的理论分析和已往的施工经验,首先高度重视，同时依据现场现状和初测土壤电阻率数据,结合经济节约的原则,及时制订了初步处理方案,主要内容如下:
3.1接地网的开挖
接地网沟开挖以人工为主,加宽0.5米、加深1米。接地极改砸入为埋入。接地网均压带长度和接地极安装数量按设计要求数量实施。
3.2接地体的敷设
在接地带和接地极敷设安装处增加适用有效的降阻剂,接地装置埋设周围换填电阻率较低的土壤,按此办法施工完成后,若仍达不到要求,再在牵引变电所围墙外周围敷设一周,加大地网面积,增大接地极坑的开挖、换土量和降阻剂,然后从四面与所内接地网双连接。直至达到要求为止。
3.3施工方案实施
施工方案的实施须经建设单位批准。根据运营单位提议并经建设单位同意,个别牵引变电所为增强接地装置长久耐用,方案补充将水平接地带扁钢改为铜绞线,垂直接地极角钢改为铜棒。
4降阻措施
按照接地网敷设方案,接地装置材质由钢改为铜后,由于接地均压带为多股铜绞线,接地极为铜棒,其与地接触面积,同角钢、扁钢与地接触面积相比减小了很多,加之客观上土壤电阻率高,这使得接地降阻施工困难更大。在实践中,我们经过反复摸索试验,依据已往的经验和处理方法,制定了相应的降低接地电阻的有效措施。主要内容如下:
4.1接地网的要求
按照接地网敷设的一般要求,接地网外缘闭合,外缘各角为圆弧状,水平均压带间距为5米,以减弱电场。垂直接地极的间距不小于其长度的3倍,接地极一般为2.5米,以减小相邻接地体的屏蔽作用。水平均压带与接地极间相互连接为焊接。
4.2降阻剂的选择
选择适宜的降阻剂。为解决砂石地质地区高电阻率土壤的降阻问题,经与生产厂家多次联合试验,发现采用电极、石墨、钙基膨润土、铜石矿石粉等为主要原材料的降阻剂,降阻效果十分有效。其优点主要是不受高低、温,干、湿度和环境质的影响,导电稳定,降阻效果明显且有高效的防腐性能。
4.3接地极的施工方法
根据接地极和均压带在接地网中的作用功能不同,改接地极砸入地下为挖坑裹降阻剂换填土深埋。主要施工方法:在埋设接地极时,首先将接地极放置坑中间,内层将拌好的降阻剂灌入接地极内套筒内(套筒活动可反复使用),边灌降阻剂、边抽筒、边在筒周围填入电阻率低的土壤同时夯实。依次类推,接地极埋设完成后,再与水平接地均压带焊接。对水平接地带,同样采取内层裸降阻剂外层换填电阻率较低的土壤的施工办法。
4.4施工方案优化
按此方案施工完成后,对高电阻率沙石地质的接地,其接地电阻值可基本一次达到0.5欧以下。對更特殊的地质,则在变电所址外围另加设一圈接地网,加大地网面积,增大接地极坑的开挖、换土量和降阻剂,然后从四面与所内接地网双连接。最后即可满足接地降阻的设计要求。
5注意事项
5.1施工注意事项
安全的接地网除接地电阻满足设计要求外、还应测试所内地网电位分布曲线和接触电位、跨步电位。在高土壤电阻率区施工时,尽量将接地网网格控制在6米×6米以内。所内控制电缆、低压电缆等采取一点接地、接地母线在高压侧与主接地网相连。
接地网除施工方案措施得当外,接地网均压带和接地极的材质,必须严格按设计规格要求选定。均压带与接地极的焊接应符合工艺标准要求,尤其铜质材料的联接焊接,须严格按厂家的技术说明操作。
5.2测量注意事项
接地电阻的测量常用电桥法。对于地质条件复杂的高土壤电阻率地区宜采用四极法。该方法使用反相法可消除系统的零序电流和测量导线上外界干扰电压的影响;其辅助电极可消除电流线和电位线之间互感的影响,从而得到较为准确的接地电阻值。
接地电阻实地测量时,为消除干扰,尽可能进行多方向布线测量,然后分析测量结果,以便得到较为真实的数据。
6结束语
综上所述，由于牵引变电所接地网施工的涉及面广,受影响的因素多,部分现象的发生既普遍,又偶然。其首要任务是安全可靠的运行，任何故障或事故的发生，都会影响到铁路运输的正常进行。因此，牵引变电所接地网必须在长年使用中保持高度的可靠性和安全性，施工方案、工艺、措施是至关重要的。
参考文献:
[1]电气化铁道施工手册.牵引变电所.中国铁道出版社2000年
[2]电气化铁道供变电工程. 北京:中国铁道出版社1983年
[3]高电压技术. 电力工业出版社1981年
[4]电气化铁道设计手册.牵引供电系统.中国铁道出版社1988年