铁路新型接地材料性能分析和应用

胡惠忠

(中国铁路通信信号集团公司，北京 100070)

1 概述

随着铁路交通基础设施的大规模建设，铁路系统技术装备水平、标准、管理水平等都在不断优化、提高，其中最重要的一项内容便是对接地系统的要求也越来越高。

根据铁道部运输局统计，在2005年至2007年的3年中，全路信号设备因雷害引起的故障在3年中分别为762件、650件和310件，分别占年度信号故障总数的9.52%、8.76%和6.22%，造成的故障延时分别为996 h、716 h和414 h，平均每件雷害故障延时1.31 h、1.1 h和1.34 h。从上述几组数据可以看出，3个年度的雷害引起的故障呈下降趋势，这是因为铁道部在这3年安排了综合防雷系统专项整治工作所取得的成果。同时也可以看出，对铁路信号采取综合防雷措施，可以优先降低雷电流对于电子设备造成的损害程度，可以减少被保护的信号系统设备被雷击的风险。因此，在确保铁路行车安全，确保信号技术装备的可靠性方面，越来越凸显出综合防雷系统对信号设备保护的重要性。

在综合接地系统方面，借鉴国外综合接地、信号防雷和电磁兼容等方面的经验和设计思路。其中心思想就是综合接地以沿线敷设的对地电阻不大于1 Ω的贯通地线为接地平台，轨旁及站区信号设备、通信铁塔、通信设备就近接入贯通地线，实现沿线设备等电位联结，避免了不同设施之间因为电位不同造成的伤害。

由此，一种新型的镀铜护套接地导体在京沪高铁通信铁塔防雷接地中得到成功应用。

2 镀铜护套接地材料的性能分析

2.1 相关标准

国外一般大量的采用纯铜或铜护套线来作为主要的接地材料。并且制定了一系列的相关标准来规范镀铜材料的使用。相关的标准有IEEE80-2000、IEC62305、BS EN50164、 BS7430、UL467、ASTM B227、FAA-STD-091D等。

国内支持镀铜材料的标准和规范有《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）、《交流电气装置接地的设计规范》（GB50065-2011）。

2.2 耐腐蚀性分析

腐蚀就是由于环境的作用而导致金属物质变质。大部分的环境都有不同程度腐蚀性。土壤也具有腐蚀性，因为其中存在水气，可溶解的金属盐和细菌。特别是低电阻率的土壤，都有很高腐蚀性。一般地，水气含量高，可溶解的金属盐多，存在氧气和温度的变化，将引起和加快腐蚀。发生腐蚀的必要条件是，必须要有阳极（正）和阴极（负）而且形成电化学电池和一条可以让直流电流流动的完整路径。由于杂质，晶体边界和方向上局部应力的原因，在许多金属的表面，存在着阴极和阳极区域。这些带正、负电的区域通过金属本身产生电气连接。如果要发生腐蚀，必须要存在通过电解液（导电液体）的额外的电流路径。在有水气的土壤中，回路完整，电流这个腐蚀电池从阳极流到阴极，并对阳极造成腐蚀。另一种类型的腐蚀出现在从金属到氧化剂的电子搬移过程中。在这个氧化反应过程中，在金属与电解质溶液之间会产生电动势（EMF）。在相同情况下，每一种其他的金属与这一种金属在氧化性溶液中由自己的金属离子建立固定电位是不同的。这一套电位是由一套标准的条件决定，包括温度，溶液中的离子浓度，还有前面所知道的EMF和元素电化顺序。EMF序列的重要性在于它从数量上说明了纯金属腐蚀的相关倾向。在序列中位置高的金属，比如铝、锌和铁，要比在序列中位置低的金属，比如铜，能够更快的起反应，更容易腐蚀。金属和他们的EMF如表1所示。

表1 金属与EMF的对应关系表

关于镀铜层厚度的要求是在大量的工程试验和基于美国国家标准局关于地下腐蚀的研究而得来的。从1910年到1955年，美国国家标准局实施一个大规模的地下腐蚀研究。这个研究包括在全美国128个测试地点采集的36 500个样本，代表333种不同的有色金属和具有保护镀层的材料。这一次是以前从未有过的关于腐蚀的大范围研究。

美国国家标准局第11章的报告涵盖铜与镀铜产品在野外的测试情况。这个报告的表48列出了在43种不同的土壤，从8年到13年这个时间段内的铜和镀铜样本的平均每年金属厚度损耗。部分数据如表2所示。

从表2可以看出，铜在除了强酸性土壤的绝大多数土壤条件下，都有非常好的耐腐蚀性能，0.254 mm（10 mil）的铜护套厚度，可以充分的保证铜护套线的使用寿命可以达到100年以上。

2.3 铜当量分析和温升计算

2.3.1 铜当量分析

目前，在中国的城市轨道交通、电力、石油化工、煤矿、军事等领域，已广泛使用铜护套线作为接地材料，以下将从轨道交通领域常用的贯通地线来进行分析。

贯通地线要经常承载故障电流，所以贯通地线的载流能力非常重要。铜当量可用于衡量不同种类、不同截面积贯通线的载流能力大小。其定义为，一定尺寸的某类型贯通地线载流能力相当于拥有同等载流量的纯铜线的截面积。

贯通地线所需的截面积和贯通地线的热稳定系数、故障电流的幅值和故障电流的持续时间有关，其中贯通地线的热稳定系数和材料特性以及接头的最大允许温度有关。公式如下。

其中：S——贯通地线截面积；

I——故障电流大小；

C——材料的热稳定系数；

t——故障电流持续时间。

遗憾的是，目前在铁路领域广泛使用的传统环保型护套贯通地线或其他金属护套贯通地线，其一般只采用压接套管连接方式，在此种连接方式下，贯通地线的热稳定系数为167。但是，铜护套贯通地线采用放热焊接的连接方式，由《交流电气装置的接地设计规范》（GB50065-2011）可知其热稳定系数为119。

表2 铜与镀铜材料年平均金属厚度损耗表（部分）

针对不同类型的材料，当故障电流的幅值与故障持续时间相同时，其截面积的比值为热稳定系数的反比。即：

所以在相同的热稳定校验条件下，铜护套贯通地线所需截面积为其他种类铜芯贯通地线的 1.4倍。所以铜护套贯通地线的铜当量如表3所示。

表3 铜当量对比表

2.3.2 温升计算

导体的发热可分为两种，一种是在机车经过时长时发热，一种是当遇到大故障电流冲击时瞬时发热。导体电阻发热公式：

导体对流与辐射散热公式：

导体的直流电阻：

对于时速为350 km的高速铁路，电动车组两列连挂，其负荷在1 200 A左右，流经贯通地线的工作电流约为240 A，截面积为70 mm2的铜材质贯通地线可以满足要求。采用与铜当量相对的直径为13.2 mm铜护套贯通地线，其截面积为136.7 mm2，在长时连续通过幅值为240 A情况下，其长时间温升为120℃，小于接地线最大允许温度。

如果铜护套贯通地线的直径为13.2 mm，截面积为136.7 mm2时，根据公式计算可知，其最大载流量为当流经50 000 A。当流经铜护套贯通地线的故障电流为25 000 A，持续时间为0.1 s时，按照：

其中： Tm——最大温升（ ℃）；

Ta——环境温度（ ℃）；

αr——温度为参考温度Tr时的电阻率温度系数（1/℃）；

ρr——温度为参考温度Tr时接地导体的电阻率（μΩ·m）；

K0——1/α0（或 1/αr）-Tr℃ ；

TCAP——单位体积热容常数（J/cm3×℃）。

导体在初始温度为120℃的情况下，当有25 000 A持续时间0.1 s的故障电流通过铜护套贯通地线时，其最大温度为250℃，小于接地线最大允许温度。

2.4 防盗性能

传统纯铜材料及铜护套线材料表面都是铜原色，不法分子从外观上分辨不出纯铜与铜护套线区别，因此早期的铜护套线材料存在较高被盗风险。

由于铜护套线材料采用连续电镀工艺，铜钢层之间有一层闪附工艺附着的镍金属作为结合层，铜与钢间的连接非常致密，均匀的铜层无法完整地被外力单独剥离出来，因此，即使铜护套线材料被盗，不法分子无法把铜层单独分离出来变卖，这也使该材料的被盗价值大幅降低。与早前通信光纤的应用推广类似，当铜护套线的这种特性被广为认知后，其被盗率自然会大幅下降；不法分子在盗窃有色金属，尤其是铜这种贵重金属时，通常都会使用吸铁石进行金属性质的甑别，用吸铁石能很容易就能鉴别出来，因此从这个角度分析，铜护套线的被盗几率要明显小于纯铜材料和其他有色金属材料。

3 镀铜护套地线在京沪高铁通信基站的应用

3.1 设计原理

根据《移动通信基站防雷与接地设计规范》（YD5068-98）和《铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》（铁建设[2007]92号）的要求，移动通信基站铁塔应有完善的防直击雷及二次感应雷的防雷装置，移动通信基站地网由机房地网，铁塔地网和变压器地网组成，地网组成如图1所示。

3.2 设计要求

1）电气设备接地通过接地装置实现，如图1所示。接地装置由接地体、接地线和接地端子构成。

2）联合接地网阻值应不大于1 Ω。

3）铁塔地网应延伸到塔基四脚外1.5 m远的范围，网格尺寸不应大于3 m×3 m，其周边为封闭式，同时还要利用塔基桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体。

4）当地网的接地电阻值达不到要求时，可扩大地网的面积。也可在铁塔四角设置辐射式延伸接地体，延伸接地体的长度宜限制在1 030 m以内。

5） 接地体宜采用镀铜钢接地材料，垂直接地体规格：镀铜钢接地棒直径14.2 mm，铜层厚度>0.254 mm；水平接地体规格：φ10的镀铜圆钢，铜层厚度>0.254 mm;在特殊地质地壤可用增加环保型接地模块。

6）垂直接地体长度宜为1.2～2.5 m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5～2倍。若遇到土壤电阻率不均匀地方，下层的土壤电阻率低，可以适当加长。当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为1～1.5 m，且应每隔3～5 m相互焊接连通一次。

7）接地体的上端距地面不应小于0.7 m，在寒冷地区，接地体应埋设在冻土层以下。

3.3 施工流程和要求

3.3.1 施工流程

施工流程如图2所示。

3.3.2 主要施工要求

1）接地棒垂直打入

连接好接地棒，尖头在下，冲击螺栓在上，垂直于沟底放置于沟中，使接地棒靠近水平接地体，使用重锤将接地棒打入地下。

2）布放镀铜圆钢

选用φ10的镀铜圆钢。水平镀铜网埋设深度为0.8 m，施工规范参考传统扁钢水平网即可。

3）放热焊接

把焊药放入模具内，将电子控制器终端夹到点火条上，盖上盖子持续按下电子控制器按钮5 s后点火即可。

4）测试接地电阻并做处理

使用接地电阻测试仪测出接地电阻。每年雨季到来之前必须实测接地电阻，如不满足要求时，应采取措施。

4 综述

铜护套地线具有很强的耐腐蚀性，0.254 mm（10 mil）的铜护套厚度，可以充分保证铜护套线的使用寿命达到100年以上。

铜护套地线的防盗性能优于单纯有色金属（铜、铝、铅等）地线。

铜护套地线具有很好的抗拉性。在发生拉直、弯曲时，表面的铜层不会发生任何开裂或脱皮现象；在截断时，也不会由于内部张力发生铜层收缩的情况。

铜护套地线具有较好的载流性。优于传统的镀锌角钢、不锈钢等材料，只要选定一定截面积的铜护套地线，完全能够达到纯铜所能达到的电气指标。

铜护套地线的材料以钢为主，使用的铜非常少，具有节约有色金属的战略意义。