高寒凍土地區(qū)鐵路牽引變電所接地問題研究

謝 暉

高寒凍土地區(qū)鐵路牽引變電所接地問題研究

謝 暉

為解決高寒凍土地區(qū)防雷接地工程問題，本文結(jié)合濱綏線對我國東北地區(qū)的土壤分布和土壤特性進行了研究，探討了影響土壤電阻率的因素，制定了降低接地電阻的工程方案，并經(jīng)模擬計算提出了改善凍土地區(qū)接地安全性的方法。

高寒凍土；接地；牽引變電所

0 引言

高寒凍土地區(qū)地理、氣候環(huán)境惡劣，凍土層較深，土壤電阻率普遍較高，采取普通的接地措施難以達到理想的降阻效果。因此本文結(jié)合濱綏線研究降低高寒凍土地區(qū)接地電阻的方法，對高寒凍土地區(qū)的防雷接地工程具有非常重要的意義。

1 高寒凍土地區(qū)凍土分布及其危害

凡土層溫度為零溫或負溫且含有冰時稱為凍土。冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土層為季節(jié)凍土；凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)3年或3年以上的土層為多年凍土，多年凍土的電阻率極高，可達未凍土電阻率的數(shù)十倍。一般凍土地區(qū)的表層土壤在夏季會融化，冬季才凍結(jié)，所以是季節(jié)凍土。我國東北地區(qū)有大片凍土區(qū)，除大小興安嶺北部存在部分多年凍土外，其余凍土區(qū)均為季節(jié)凍土。

眾所周知，當接地體的幾何尺寸和形狀一定時，其接地電阻值與土壤電阻率成正比。而土壤電阻率則與土壤的結(jié)構(gòu)、土壤的相態(tài)和所含水分的多少、土壤中鹽分的類型和數(shù)量以及溶解度等因素有關(guān)。當土壤的結(jié)構(gòu)不變時，隨著溫度的降低，土壤中鹽的溶解度將下降，使導電離子的數(shù)目相對減少，同時水的粘度將增大，導致溶液中導電離子的運動阻力增大，運動速度減緩，從而使土壤的電阻率升高。當溫度降至零下后，土壤中的水分大部分將由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使土壤變?yōu)閮鐾?，此時土壤的電阻率將大大升高。因此土壤的凍結(jié)會給接地裝置的設(shè)計和建設(shè)帶來很大困難。

2 接地系統(tǒng)在全系統(tǒng)安全運行中的作用

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，接地網(wǎng)的安全穩(wěn)定性越來越重要，對接地體的耐腐蝕和熱穩(wěn)定性的要求也越來越嚴格。

接地系統(tǒng)是防雷接地、工作接地和保護接地三者的有效統(tǒng)一體。其主要功能有2個：即確保設(shè)備安全可靠運行，確保故障時的人身安全。它是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施。接地電阻的大小將決定接地系統(tǒng)瀉放故障電流能力的大小。當發(fā)生接地短路故障引起的短路電流經(jīng)接地系統(tǒng)進入大地時，一方面短路電流在接地系統(tǒng)上產(chǎn)生地電位升，當接地短路故障或其他大電流入地時，如果接地電阻值比較大，就會造成地網(wǎng)電位異常升高；如果接地系統(tǒng)設(shè)計不合理或由于腐蝕導致接地電阻增加，還會導致接地系統(tǒng)本身局部電位差超過安全值。這樣，就給運行人員安全產(chǎn)生危害。另外，由于設(shè)備外殼都與地網(wǎng)相聯(lián)，高的地電位升加在設(shè)備外殼上，產(chǎn)生反擊事故，危及設(shè)備安全。還很有可能因反擊或電纜皮環(huán)流使得二次設(shè)備的絕緣遭到破壞，高壓竄入控制室，輕則導致監(jiān)測或控制設(shè)備發(fā)生誤動或拒動，重則破壞監(jiān)測設(shè)備而擴大事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

調(diào)查表明，我國曾發(fā)生多起由于接地系統(tǒng)腐蝕所導致的事故或事故的擴大。接地裝置在整個項目投資中所占的比例比較小，但它的事故會發(fā)展成嚴重的系統(tǒng)事故，從而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，給人們的生產(chǎn)、生活造成嚴重的社會損失。

3 牽引變電所接地方案

衡量凍土地區(qū)接地系統(tǒng)的優(yōu)良主要有2方面的要求：（1）持續(xù)穩(wěn)定的低電阻值，接地電阻不會隨著季節(jié)的變化而變化；（2）具有優(yōu)良耐腐蝕性的接地材料，保證設(shè)備全壽命周期免維護。本文主要從接地材料和敷設(shè)方式上進行分析，并定制方案。

3.1 采用接地增強材料方案

在凍土地區(qū)接地系統(tǒng)中使用不需要再添加鹽分和其他腐蝕性的化學物質(zhì)的專用接地增強材料，并配合使用不會溶解和分解的物理性降阻劑，使之能夠有效地降低接地電阻，并長期保持低電阻值。施工安裝過程中要牢固可靠，以使四季性能穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)盡可能準確。

由表1可以看出，接地增強材料在常溫時具有0.12 Ω·m的低電阻率，隨著溫度下降到零度以下，其電阻率上升不到10%。丙烯酰胺屬于化學性強的電解質(zhì)降阻劑，雖然擁有較低的電阻率，受溫度影響變化也不大，但在季節(jié)凍土中，氣溫上升時，凍土融化產(chǎn)生的水分會帶走絕大部分電解質(zhì)，使得降阻劑效果大大降低，而且會對環(huán)境造成污染，因而不適合使用。以膨潤土為代表的弱電解質(zhì)降阻劑，在低溫下電阻率過高，不能用于凍土地區(qū)。

表1 降阻劑的低溫電阻率測試結(jié)果表 單位：Ω·m

3.2 采用敷設(shè)雙層接地網(wǎng)方案

經(jīng)過對凍土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的實地勘測，本方案采用以封凍地區(qū)復合材料為主要接地體，敷設(shè)雙層復合地網(wǎng)，下層主地網(wǎng)敷設(shè)在凍土層以下，主要解決整個系統(tǒng)的接地電阻問題，采用垂直加水平地網(wǎng)模式來構(gòu)建，其中水平地網(wǎng)采用表面鍍銅的封凍地區(qū)散流接地體和可塑性增強散流體組成，并深打鍍銅垂直接地體，以達到穩(wěn)定降低接地電阻的目的，使接地電阻≤0.5 Ω。

上層地網(wǎng)敷設(shè)在距地表60～80 cm的地下，主要解決跨步電壓和接觸電勢對人員造成的傷害的防護問題，上層地網(wǎng)同樣采用表面鍍銅的封凍地區(qū)散流接地體和可塑性增強散流體組成水平接地網(wǎng)，使用可塑性增強散流體可以對凍土地區(qū)封凍時節(jié)的土壤應(yīng)力有良好的抵消作用，保證接地系統(tǒng)在封凍時節(jié)也能正常工作。

上、下地網(wǎng)間采用鍍銅垂直接地極進行電氣化連接，以保證電流的安全泄放以及整個接地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，水平接地體、垂直接地極間的所有連接采用放熱焊接的方式進行連接。水平、垂直接地體均采用表面鍍銅工藝，連接點采用放熱焊接方式，可以滿足接地系統(tǒng)在凍土地區(qū)耐腐蝕的要求。具體方案示意圖見圖1—圖3。

圖1 凍土地區(qū)接地網(wǎng)示意圖

圖2 凍土地區(qū)上層接地網(wǎng)示意圖

圖3 凍土地區(qū)下層接地網(wǎng)示意圖

3.3 接地方案施工工藝

通過以上2種方案分析，以下運用封凍地區(qū)復合接地材料進行敷設(shè)雙層接地網(wǎng)施工安裝以檢驗是否滿足高寒凍土環(huán)境下的接地要求，既可以滿足足夠低的接地電阻值，即接地電阻≤0.5 Ω，也可以解決跨步電壓和接觸電勢所造成的傷害。

施工步驟如下：

（1）考慮到季節(jié)性凍土因素，在凍土消融期進行施工。

（2）下層主地網(wǎng)采用深埋法，將接地裝置埋設(shè)在所在地區(qū)的凍土層以下，避開因凍土而造成的土壤電阻率升高和接地電阻不穩(wěn)定的問題。東北凍土地區(qū)凍土層深度多達2 m，最深為3 m，因此，進行接地施工前，先了解該地區(qū)凍土層厚度值，確保以最少的開挖量將水平接地體和垂直接地體埋設(shè)在凍土層以下。

（3）深打垂直接地極。除了深埋接地導體外，垂直深打接地極能夠進一步降低接地電阻，而且使接地極更加容易接觸到地下含水層。由于地下水富含礦物質(zhì)，是良導體，因此深打接地極是凍土地區(qū)降低接地電阻行之有效的方法。在施工時，根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況將接地極打入凍土層以下3～5 m。

接地極的施工方法：選用直徑不低于17 mm的垂直接地體，外圍垂直接地體需要開挖直徑為15 cm、深度為2.5 m的坑并敷設(shè)可塑性增強散流體包裹垂直接地體，內(nèi)部垂直接地體，直接深打，如現(xiàn)場土壤電阻率較高，也可使用和外圍相同的由可塑性增強散流體包裹垂直接地體的模式來制作垂直接地極。

所有垂直接地極敷設(shè)完畢后，須與水平敷設(shè)的封凍地區(qū)散流接地體以及可塑性增強散流體進行放熱焊接連接，使得水平及垂直雙通道都能達到良好的泄放效果。

（4）上層水平地網(wǎng)解決跨步電壓和接觸電勢問題。該方案采用封凍地區(qū)散流接地體以5 m× 5 m間隔連接成水平地網(wǎng)，并輔以可塑性增強散流體包裹，以此解決跨步電壓和接觸電勢問題（圖4）。

a.開挖寬20 cm，深60 cm的溝槽。

b.在溝槽底部敷設(shè)厚度約為2.5 cm的封凍地區(qū)可塑性增強散流體。

c.在溝槽中央、可塑性增強散流體上方敷設(shè)直徑不小于13 mm，截面積不小于137 mm2的封凍地區(qū)散流接地體；組成5×5的網(wǎng)格保證雷電流快速擴散，以控制跨步電壓和接觸電勢。

d.在水平接地材料上方再覆蓋厚度為2.5 cm的可塑性增強散流體，使水平接地體完全埋設(shè)于接地增強材料之中。

e.用低電阻率的土壤回填。

圖4 上層水平接地網(wǎng)敷設(shè)示意圖

（5）上下2層地網(wǎng)間連接。上下2層地網(wǎng)間用直徑17 mm的垂直接地體（長度根據(jù)凍土層深度確定，約2～3 m）連接，形成上、下地網(wǎng)一體化，加強散流效果，具體施工辦法如下：

連接垂直接地體在施工過程中，下層地網(wǎng)回填時需要預留直徑為15 cm、深度為2.5 m的豎井，內(nèi)部敷設(shè)可塑性增強散流體包裹垂直接地體，以保證故障電流快速泄放至下層地網(wǎng)。如圖5所示。

圖5 下層垂直接地體敷設(shè)示意圖

（6）所有電氣連接采用放熱焊接工藝，接頭的電阻不超過材料本身的電阻，保證接頭處具有強抗腐蝕性和強導電性。

4 接地電阻計算

（1）水平地網(wǎng)接地電阻：

式中，ρ為土壤電阻率（黑龍江黑土土壤電阻率在非凍期取值范圍為50～150 Ω/m?，F(xiàn)取中間值100 Ω/m作為運算系數(shù)，具體土壤電阻率經(jīng)實測后給出）；A為接地網(wǎng)面積70×70 m2（依據(jù)變電所接地平面布置圖預估）。

（2）單組垂直接地極（不含可塑性增強散流體）接地電阻：

式中，l為單組垂直接地極深度2.44 m；d為單根垂直接地極等效直徑1.72 cm。

（3）70組垂直接地極接地電阻：

式中，n為垂直接地極點數(shù)，共70點。

（4）水平接地體與垂直接地極并聯(lián)后，接地網(wǎng)總電阻：

式中，η為并聯(lián)系數(shù)，取0.95。

變電所全站接地電阻R = 0.38 Ω＜0.5 Ω，故此地網(wǎng)可以滿足低于0.5 Ω的接地電阻要求。

5 結(jié)論

本文對高寒凍土地區(qū)凍土條件下牽引變電所接地系統(tǒng)采用了雙層接地網(wǎng)進行方案對比分析并計算論證，得出以下優(yōu)點：

（1）采用合理的施工方法：將整個接地網(wǎng)埋于凍土層以下，并深打垂直接地極，保證接地電阻免受季節(jié)變化的干擾，使其長久保持在一個較低的接地電阻值。

（2）選用合適的接地材料：選用滿足國內(nèi)與國際標準的鍍銅鋼接地材料，配合使用接地增強材料，保證接地系統(tǒng)良好的導電性，并且在全壽命周期內(nèi)免維護。

（3）鍍銅鋼接地網(wǎng)具有導電性能優(yōu)、熱穩(wěn)定性能好、耐腐蝕能力強、施工方便、壽命長、投運后檢驗維護工作量少、無污染等優(yōu)點。

（4）采用鍍銅鋼接地網(wǎng)相對于鍍鋅鋼接地網(wǎng)，接地體的截面大為減小，施工成本和難度大幅降低，加快了工程建設(shè)周期。

（5）鍍銅鋼接地網(wǎng)采用放熱焊接，確保連接點為分子結(jié)合、無腐蝕、無松弛、導電能力和原導體保持一致。放熱焊接操作簡單快捷，焊點美觀可靠，是真正可靠、牢固、永久的連接。

（6）鍍銅圓鋼可以成卷供應(yīng)，倉儲和運輸方便，并且可以連續(xù)鋪設(shè)，導體間連接點更少。相對6 m/根的扁鋼接地體，施工速度更快，連接點更少，地網(wǎng)系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定。

（7）在凍土地區(qū)接地系統(tǒng)中配合使用專用的接地增強材料，能夠有效地降低接地電阻，并永久保持低電阻值。

綜上所述，通過運用封凍地區(qū)復合接地材料進行敷設(shè)的雙層接地網(wǎng)可以滿足高寒凍土環(huán)境下的接地要求，既可以滿足足夠低的接地電阻值，即：接地電阻≤0.5 Ω，也可以解決跨步電壓和接觸電勢所造成的傷害。

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To solve the engineering issues for lightning protection earthing at alpine permafrost regions, this paper discusses the factor affecting the soil resistivity with reference of the study on Bin-Sui line distribution and soil properties of soil in northeast China, establishes the engineering scheme to reduce earthing resistance, and puts forward a method to improve the safety of earthing at permafrost regions.

Alpine permafrost; earthing; traction substation

U224.2+5

：B

：1007-936X(2015)05-0028-04

2014-12-12

謝 暉.中國鐵建電氣化局集團有限公司，高級工程師，電話：13891806889