土耳其安伊高鐵電氣化綜合接地系統(tǒng)優(yōu)化及實施

常進(jìn)財

(中國土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 背景

1.1 國內(nèi)高鐵綜合接地系統(tǒng)概況

接地系統(tǒng)在鐵路電氣化中尤為重要，鐵路上下行接地系統(tǒng)等電位連接和接地的目的主要是為確保維修作業(yè)人員安全及運營設(shè)備安全。

國內(nèi)高速電氣化鐵路多采用AT供電方式(自耦變壓器供電方式)，相應(yīng)接地系統(tǒng)均為綜合接地系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)全線敷設(shè)接地設(shè)備(貫通地線、接地體等)，其特征為距離貫通地線20 m內(nèi)的鐵路建筑物以及構(gòu)筑物的接地裝置不僅要滿足自身接地需求，而且需和綜合接地系統(tǒng)做等電位連接。此外，在接地端子處(一般檢測位置在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)處或橋墩地面附近)的接地電阻值小于等于1Ω。

國內(nèi)高鐵綜合接地系統(tǒng)具備成套設(shè)計、土建預(yù)留施工及驗收技術(shù)，其接地電阻小，安全性能強，可靠性高。由于全線需要敷設(shè)綜合貫通地線，預(yù)埋各類接地端子，雖然國內(nèi)相關(guān)接地設(shè)施通用性強、大批量生產(chǎn)實施已使綜合接地系統(tǒng)造價相對降低，但其原材料等基本費用還是相對較高。

1.2 安伊高鐵原設(shè)計接地系統(tǒng)方案

土耳其安伊高鐵采用TCDD(土耳其國家鐵路總局)定制的6輛編組TCDD HT65000型動車組，其原型車為西班牙CAF公司RENFE Class 120/121動車組。由于其對供電系統(tǒng)能力要求并不高，基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計理念，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性、可行性原則，安伊高鐵全線牽引供電系統(tǒng)采用帶回流線的直接供電方式[2]24，如圖1所示。接地系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮在短路工況下，確保短路電流數(shù)值足夠大(或短路電阻足夠小)保護(hù)裝置動作、切除故障回路；以及在正常工況和故障情況下，沿線各接地點的電位能夠滿足要求，確保與信號系統(tǒng)的匹配即可。綜上所需，安伊高鐵無須設(shè)置專用的貫通綜合接地系統(tǒng)，利用全線貫通的回流線兼作綜合地線的方案具有可行性及可實施性[3]。

圖1 安伊高鐵供電系統(tǒng)示意

根據(jù)安伊高鐵信號系統(tǒng)對回流及接地系統(tǒng)要求[2]25，沿線路每750 m需要設(shè)置并聯(lián)點上下行接地回流線、鋼軌等電位連接，沿線路每間隔1 500 m對上下行接地回流線、鋼軌等電位連接并設(shè)置接地極的方案，在最大限度實現(xiàn)上下行回流線和地線等電位連接的同時，可采用靠近接觸網(wǎng)支柱側(cè)鋼軌與遠(yuǎn)離支柱側(cè)鋼軌按信號需求輪換連接的方式，確保與軌道電路系統(tǒng)匹配，同時滿足斷軌檢測的需要，具體結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

圖2 安伊高鐵原設(shè)計回流接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 安伊高鐵接地優(yōu)化方案

2.1 接地方案優(yōu)化的必要性

安伊高鐵合同的簽訂須滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50122-1:2011要求，其中0.1 s內(nèi)切除故障的人體耐受電壓由842 V調(diào)整為850 V，該參數(shù)的變化，不僅直接作用于接地系統(tǒng)的安全可靠運行，并且涉及到牽引供電、通信以及信號專業(yè)[4]，因而尚需結(jié)合現(xiàn)場實際考慮軌道電壓，兼顧相應(yīng)專業(yè)需求，對原設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化方案

2.2.1 信號專業(yè)需求

安伊高鐵信號系統(tǒng)采用無絕緣數(shù)字音頻軌道電路，靠近接觸網(wǎng)支柱側(cè)的鋼軌為地軌，通過“8”型及“S”型連接實現(xiàn)雙軌道回流[5]。其中牽引回流接地與軌道電路調(diào)諧區(qū)段之間的間隔應(yīng)滿足以下條件[6]:

(1)在1送1收的軌道區(qū)段，電氣化回流接地點必須距離軌道電路調(diào)諧區(qū)段300 m以上。

(2)在1送2收的軌道區(qū)段，電氣化回流接地點距離調(diào)諧區(qū)接收端必須大于20 m。

(3)在道岔區(qū)，接地回流須設(shè)置在兩個短軌道調(diào)諧區(qū)中間。

安伊高鐵信號軌道連接如圖3所示。

圖3 安伊高鐵信號軌道連接示意

綜上，回流線兼作地線的等電位連接及接地極設(shè)置結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足信號系統(tǒng)要求。

2.2.2 接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)規(guī)范內(nèi)容，通過優(yōu)化調(diào)整鐵路上下行回流線、鋼軌等電位連接點間距及接地極設(shè)置及間距，確保沿線各接地點的接觸電壓和鋼軌電位，在正常運行以及短路工況下，均能符合相應(yīng)規(guī)范要求[7]，通過建立仿真計算矩陣，得到可行的布置間距和位置，優(yōu)化后的接地系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的回流接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)變化及信號專業(yè)需求，為避免接地系統(tǒng)的接地軌和并聯(lián)點影響軌道電路[8]，在設(shè)計過程中，以在可行范圍內(nèi)最大限度地增加相鄰并聯(lián)點距離、接地極和接地鋼軌點的布置盡量遠(yuǎn)離軌道電路連接點為原則，優(yōu)化方案取消了原設(shè)計中每隔750 m回流線與鋼軌的連接方案，改為間隔1 500 m通過回流線與接地軌和接地極相連，鋼導(dǎo)線將上下行線路的回流線并聯(lián)用以平衡回流線間的電勢差。調(diào)整后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足接觸網(wǎng)斷線時，信號系統(tǒng)相應(yīng)保護(hù)裝置動作要求。

3 回流接地系統(tǒng)仿真驗證

根據(jù)EN 50122-1:2011中人體最大可接觸、接近電壓要求，采用以安全跨步電壓為標(biāo)準(zhǔn)，在回流接地系統(tǒng)等效模型[2]26基礎(chǔ)上，對本文提出的優(yōu)化接地方案進(jìn)行仿真模擬驗證。

3.1 鋼軌電位計算

鋼軌電位測量如圖5所示。

圖5 鋼軌電位比變化示意

圖5中P點電壓Up為鋼軌電位，計算公式為:

式中，URE為鋼軌電位差；K為鋼軌電位的影響因子，一般為0.3～0.8。

P點與鋼軌間的電位差URP計算公式為:

在本次設(shè)計中，結(jié)合安伊高鐵特點，選用0.5進(jìn)行校驗，URP計算公式如下:

考慮到中方與TCDD簽訂合同中對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選取要求的條款，本工程設(shè)計需要執(zhí)行最新歐標(biāo)EN 50122-1:2011作為接地設(shè)計依據(jù)，為確保接地系統(tǒng)外露金屬結(jié)構(gòu)對作業(yè)、巡檢人員接觸電勢安全的要求，接地系統(tǒng)各連接點上的電勢應(yīng)滿足歐標(biāo)規(guī)定的人體耐受電壓與耐受時間要求:

(1)在短路故障工況下，于0.1 s內(nèi)切除故障時人體耐受電壓有效值應(yīng)小于850 V。

(2)在正常運營工況下，上下行動車組高速取流并交匯時，使鋼軌對地產(chǎn)生一個很高的電位差。根據(jù)EN50122-1:2011規(guī)范，選取大于300 s的情況下，最大允許電壓為60 V，選取小于等于300 s時，可按65 V進(jìn)行校驗，考慮到高鐵運行速度相對快，持續(xù)時間不會太長，所以選取小于等于300 s是合理的，因此系統(tǒng)設(shè)計選用65 V。

實際上回流電流流過鋼軌時，鋼軌電位沿線路向大地逐步降低，由于回流接地線直接與鋼軌有等電位連接，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此，人-地電位差小于鋼軌電位，結(jié)合EN 50122-1:2011中相關(guān)技術(shù)要求及歐洲鐵路設(shè)計情況，系統(tǒng)設(shè)計選取人-地電位為鋼軌電位的一半。

經(jīng)過上述計算分析可知，在發(fā)生短路故障并于0.1 s內(nèi)切除故障的情況下，鋼軌接觸電壓URE的0.5倍即接觸電勢不應(yīng)大于850 V，正常運行時的電壓URP即可接近電勢應(yīng)不大于62 V。

3.2 仿真分析

通過建立鋼軌電位測量模型[9]，基于相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)[2]27，安伊高鐵牽引供電系統(tǒng)電壓采用25 kV交流單相系統(tǒng)，全線最高列車速度為250 km/h，TCDD HT65000型動車組最大牽引功率與原型車RENFE Class 120/121一致，均為12 000 kW，接觸線采用滿足《固定裝置-牽引網(wǎng)-銅和銅合金槽接觸線》(EN 50149:2001)的 Cu-Ag 0.112 0 mm2，承力索采用滿足德國標(biāo)準(zhǔn)《銅絞線》(Seil DIN 48201)的Bz‖-70 mm2，回流線采用滿足 EN 50182:2001的HALK線，牽引變壓器容量為25 MVA，短路阻抗12%，外電源為154 kV系統(tǒng)，其最大短路容量為6 GVA。

選取安伊高鐵全線最惡劣工況的8 km長的隧道地段，供電臂長度約27.5 km，得到接觸電勢、可接近電勢如圖6所示，接地方案電勢變化如表1、表2所示。

圖6 接觸電勢、可接近電勢變化曲線

表1 1 500 m間距接地方案電勢變化

表2 5Ω接地電阻優(yōu)化接地方案電勢變化

由表2可以看出，隨著隧道內(nèi)接地距離的減小，最大可接觸電勢、最大可接近電勢均會隨之降低，但是如若減少接地距離，將會降低軌道電路的靈敏度。由表1可知，隧道內(nèi)接地電阻大于8Ω時，最大可接觸電勢、最大可接近電勢將不滿足規(guī)范要求。

調(diào)整后的接地方案，在1 500 m連接情況下，取消了750 m的并聯(lián)，接地電阻在小于8Ω的情況下，732.42 V與64.62 V顯然能滿足短路接觸電勢、正常允許可接近電勢要求，方案可行。對于長大隧道(超過5 km隧道)，接地電阻結(jié)合仿真結(jié)果采用進(jìn)一步降低至5Ω的方案，其在1 500 m接地時，對應(yīng)數(shù)值676.80 V與58.11 V能更好地滿足系統(tǒng)要求。

3.3 回流線按照匹配分析

國內(nèi)項目回流線一般采用絕緣安裝，且間隔約2 000 m設(shè)置一處對向下錨。安伊高鐵回流線兼作架空地線，且全線路基、橋梁區(qū)段不設(shè)置對向下錨，僅隧道口處需要轉(zhuǎn)換至隧道頂安裝時在隧道口設(shè)有下錨，不設(shè)絕緣子?；亓骶€在路基、橋梁支柱上利用滿足EN 61284:1998的懸垂線固定，通過計算全線跨距差，使最大跨距差的張力變化能滿足懸垂線夾額定抗拉強度的20%，以滿足穩(wěn)定性需求。

回流線接續(xù)采用壓接式接續(xù)管的方式全張力接續(xù)，確保回流線電氣性能及機械性能?；亓骶€的安裝嚴(yán)格按照設(shè)計安裝導(dǎo)線張力弛度進(jìn)行，確保固定線夾處工作正常?；亓骶€安裝設(shè)計滿足接地的相關(guān)機械、電氣要求。

4 接地系統(tǒng)實施

4.1 接地極截面計算

根據(jù)EN 50122—1:2011定義的鐵路線的最低允許對地電導(dǎo)率，對于電流小于600 A/列車系統(tǒng)，電導(dǎo)不得小于0.4 S/km，用以確保接觸電勢與可接近電勢滿足要求[10]。本文接地連接系統(tǒng)使用該值作為設(shè)計限值，安伊高鐵的牽引電流高達(dá)400 A，是德國鐵路指南中所用電流的2/3，為達(dá)到0.4 S/km的需求，需要設(shè)置額外的接地裝置(接地極)，銅導(dǎo)體的最小截面A通過下式進(jìn)行計算[11]:

式中，I為導(dǎo)體電流；K為導(dǎo)體材料常數(shù)；β為0℃時導(dǎo)體溫度系數(shù)的倒數(shù)；Θf為初始溫度；Θi為最終溫度；t為故障短路時間；β為導(dǎo)體材料的溫度常數(shù)。

4.2 接地系統(tǒng)實施

安伊高鐵接地系統(tǒng)包含支柱與接地極連接、支柱與鋼軌連接、回流線并聯(lián)。

(1)支柱與接地極連接:接觸網(wǎng)線路每1.4 km設(shè)置接地極1處，采用雙根100 mm2鋼絞線連接至回流線上。安伊高鐵回流線采用不絕緣的方式懸掛固定，支柱上安裝的所有金屬零部件通過10 mm2鋁線棒聯(lián)通并與支柱內(nèi)部鋼筋良好連接。

(2)支柱與鋼軌連接:最靠近接觸網(wǎng)支柱的鋼軌被用作接地軌，使用單根70 mm2NYY電纜將回流線與接地軌良好連接。

(3)回流線并聯(lián):采用單根100 mm2鋼絞線將上、下行回流線并聯(lián)。

根據(jù)所提出的優(yōu)化方案，根據(jù)線路條件不同安伊高鐵接地系統(tǒng)分為路基段系統(tǒng)接地、橋梁段系統(tǒng)接地、隧道段系統(tǒng)接地。

4.2.1 路基段接觸網(wǎng)系統(tǒng)接地

(1)采用雙根100 mm2鋼絞線將接地極(一般是3級，若地質(zhì)條件較差，通過計算可以增加級數(shù))連接至回流線上。支柱上安裝的所有金屬零部件通過10 mm2鋁線棒聯(lián)通并與支柱內(nèi)部鋼筋良好連接。

(2)采用單根100 mm2鋼絞線將上、下行回流線并聯(lián)。

(3)使用單根70 mm2NYY電纜將回流線與接地軌良好連接。

(4)鋼絞線、NYY電纜沿支柱理順，采用2.5 m長5 cm鍍鋅鋼管防護(hù)，沿支柱每隔1.5 m使用不銹鋼綁扎帶固定牢靠。

4.2.2 橋梁段接觸網(wǎng)系統(tǒng)接地

橋梁段接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用格構(gòu)式鋼柱，其接地方案如下:

(1)采用雙根100 mm2鋼絞線將接地極(一般是3級，若地質(zhì)條件較差，可以增加級數(shù))連接至柱腳接地孔，接地極埋設(shè)在相對應(yīng)的橋墩下。

(2)使用單根100 mm2鋼絞線，沿橋梁底部將上、下行回流線并聯(lián)。

(3)使用單根70 mm2NYY電纜將鋼柱與接地軌良好連接。

(4)沿橋墩敷設(shè)的鋼絞線以及梁底并聯(lián)用鋼絞線每1.5 m采用化學(xué)錨栓加地線彎卡的形式固定一次，確保鋼絞線固定牢靠順直。

4.2.3 隧道段接觸網(wǎng)系統(tǒng)接地

隧道段接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用格構(gòu)式倒立柱。由于在隧道內(nèi)做接地施工難度較大，設(shè)計時盡量避免將接地點設(shè)置在隧道內(nèi)，如遇長大隧道無法避免采用如下形式。

(1)隧道單邊埋設(shè)接地極。隧道仰拱厚度約2 m，接地極長度 1.5 m，因此需要使用水鉆開100 mm×3.5 m的深孔，將接地極埋設(shè)在土層以確保接地電阻值能夠達(dá)標(biāo)。接地極一般采用3級，在特殊地段電阻值不達(dá)標(biāo)的，采用增加孔深、增加接地極長度以及使用降阻劑處理。接地極埋設(shè)完畢且接地電阻滿足要求后對鉆孔進(jìn)行防水封堵處理，然后采用雙根100 mm2鋼絞線并聯(lián)，并將3根接地極分別連接至上、下行回流線。100 mm2鋼絞線沿隧道壁敷設(shè)，每隔2 m采用化學(xué)錨栓加地線彎卡的形式固定，保證鋼絞線順直。

(2)接地極一側(cè)軌道使用NYY電纜將接地軌連接至接地引接線(100 mm2鋼絞線)；遠(yuǎn)離接地極一側(cè)軌道使用NYY電纜將接地軌連接至回流線上。NYY電纜沿隧道壁敷設(shè)，每隔2 m采用化學(xué)錨栓加地線彎卡的形式固定，保證NYY電纜順直。

5 總結(jié)

安伊高鐵優(yōu)化接地系統(tǒng)已于2013年實施，該項目2014年7月25日順利通車，獲得土耳其時任總理及土耳其國家鐵路總局的一致好評，2016年質(zhì)保期2年到期后已完整交付，目前運行良好。

與國內(nèi)高鐵的接地系統(tǒng)相比，其沿線利用了回流線兼作接地線，極大地節(jié)省了工程投資。本文根據(jù)信號專業(yè)需求，兼顧規(guī)范要求，通過仿真分析驗證了所提優(yōu)化方案在短路及運行狀態(tài)下的有效性。由于國外高速鐵路建設(shè)規(guī)模遠(yuǎn)不及中國，其無法利用大規(guī)模生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)勢大幅降低系統(tǒng)造價，因此若采用與我國高鐵同樣的綜合接地方案[12]，其成本極高。優(yōu)化方案的實施確保了安伊高鐵的安全運行，同時也為無預(yù)留綜合接地條件情況下四電共用接地系統(tǒng)提供了解決方案，在滿足歐標(biāo)相關(guān)安全要求前提下，降低了系統(tǒng)造價，為中國企業(yè)承攬類似的海外高速鐵路工程提供了有力支撐，能夠在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面更具競爭力。