高速铁路隧道综合接地系统接地特性分析

王建国,郭 星,孙建明,方 俊,陈 文,樊亚东

(1.武汉大学电气工程学院,武汉 430072； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

我国高速铁路隧道接地装置有两种形式，在Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道中将底板钢筋网中最底层结构钢筋焊接成接地网，通过结构钢筋焊接到结构墙上。在Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道的初期支护施工中，将每个施工段内的一处横向排列锚杆，用一根横向钢筋或钢构架连接到防护墙上[1]，隧道综合接地系统包含隧道底板钢筋网、结构钢筋、锚杆、结构墙、防护墙等组成。

高速列车牵引功率大，隧道内空间狭窄，其他专业难以布设新的接地装置，隧道综合接地系统的接地特性愈发引人关注。现有文献对高速铁路隧道综合接地系统接地特性的分析研究较少。西南交通大学何正友等基于有限元方法，对高速铁路隧道综合接地系统的电磁特性进行仿真计算，该方法考虑隧道上方的拱结构取4个台车位长度进行分析，还没有考虑隧道底板以下的土壤部分[2]。国网电力科学研究院干喆渊等同样采用有限元法，对海底隧道接地网进行建模分析计算，对部分隧道进行了精细剖分，忽略了隧道内向上的散流[3]。

目前，对高速铁路路基段贯通地线的接地性能、检测施工和测量方法等有较深入的研究[4-8]，但对高速铁路隧道综合接地系统的数值仿真计算建模报道较少[9]。高速铁路隧道内分布隧道洞室，洞室内电力设施的安全运行需要可靠接地保证。目前对隧道洞室内电力设施的接地施工存在以下不同观点：有观点认为，将隧道洞室内箱变等电力设施的接地端子直接与隧道综合接地系统相连即可，见图1。也有观点认为隧道洞室内需单独设置接地网，当其接地阻抗达标后才能与隧道综合接地系统相连，如图2所示，在隧道洞室狭小空间内采取深埋垂直接地极、换土等措施，满足接地阻抗4 Ω甚至1 Ω的要求[10-15]。

图1 隧道洞室内箱变接地方式一

图2 隧道洞室内箱变接地方式二

我国行业标准《交流电气装置的接地设计规范》(GB 50065—2011)规定有效接地系统和低电阻接地系统地电位升高不宜超过2 kV，在一定条件下，接地网地电位升高可提高至5 kV。必要时，经专门计算且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网地电位升高还可进一步提高[15]。

针对上述实际问题，本文基于CDEGS分别建立高速铁路Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道和Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道综合接地系统模型，研究隧道内综合接地系统的土壤适应性[16-17]。结合隧道洞室内箱变等电力设施的安全接地需求，通过数值计算和实地测量，验证了当洞室内电力设施接地端子直接与隧道综合接地系统相连后可以满足安全要求。

2 Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道

图3 Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道综合接地系统示意

如图3所示，隧道底板接地钢筋网按每间隔1个台车位设置1处，1个台车位长度按10 m考虑，钢筋网规模为10 m×4 m，采用1 m×1 m网格、φ16 mm钢筋。隧道尺寸采用300、350 km/h双线隧道内轮廓，见图4。贯通地线为φ11 mm铜绞线，敷设在隧道左右两侧电力电缆槽中，通长各铺设1根。纵向接地钢筋选用隧道两侧通信信号电缆槽侧墙上部纵向贯通φ16 mm结构钢筋，该钢筋每100 m断开1次且断开接头为10 cm，纵向接地钢筋与贯通地线间每100 m通过φ16 mm连接钢筋互联1次。建模时不考虑隧道外综合地线降阻作用，只考虑隧道综合接地系统[18-19]。Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道综合接地系统建模见图5。

图4 300、350 km/h双线隧道轮廓(单位：cm)

图5 Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道综合接地系统建模

图6 隧道接地阻抗变化趋势

计算不同土壤电阻率和不同隧道长度工况下，隧道综合接地系统接地阻抗与土壤电阻率和隧道长度的关系。隧道接地阻抗分别随土壤电阻率和隧道长度的变化趋势见图6，隧道接地阻抗与土壤电阻率线性逐渐增大，隧道长度越短增速越大；隧道接地阻抗随隧道长度增加逐渐减小，当隧道长度大于3 km后，接地阻抗随长度增加减小很小，基本保持不变。

隧道中每隔3 km设置洞室，计算时采用一垂直接地极代替洞室内电力设施的接地，并将此垂直接地极与隧道综合接地系统相连，模拟隧道洞室内箱变等电力设施的接地端子直接与隧道综合接地系统相连工况。垂直接地极长0.5 m且距隧道内该侧纵向连接钢筋4 m，垂直接地极及其与隧道综合接地相连导体均为φ16 mm钢筋，垂直接地极处入地短路电流为400 A。

垂直接地极接地阻抗随土壤电阻率和隧道长度的变化趋势见图7。垂直接地极与隧道综合接地相连后，接地阻抗值及其变化趋势与隧道综合接地系统几乎一致。将垂直接地极与隧道综合接地相连后的接地阻抗值与隧道综合接地系统的接地阻抗值相比较，结果见表1。垂直接地极与隧道综合接地相连之后的接地阻抗略高于隧道综合接地系统的接地阻抗，增大百分比不超过7.69%。这是由于垂直接地体电阻较大，入地电流经4 m连接后再连接到综合接地系统，造成接地端子处接地阻抗比综合接地系统阻抗增大。

图7 洞室垂直接地极接地阻抗变化趋势

垂直接地极地电位升随土壤电阻率和隧道长度的变化趋势见图8。地电位升与土壤电阻率呈正比逐渐增大，随隧道长度的增加逐渐减小，当隧道长度大于3 km后地电位升基本保持不变。隧道长度低于1 km时，在土壤电阻率低于4 000 Ω·m的范围内地电位升低于5 000 V；隧道长度大于1 km后，在土壤电阻率低于5 000 Ω·m的范围内地电位升低于5 000 V；隧道长度大于3 km时，在土壤电阻率低于5 000 Ω·m的范围内地电位升低于2 000 V。

表1 垂直接地极接地阻抗增大百分比 %

图8 洞室垂直接地极地电位升变化趋势

3 Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道接地体接地

图9为Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道初期支护接地体和接地锚杆、钢拱架、环向和纵向接地钢筋、贯通地线间立体连接关系示意，锚杆接地体以1个台车长度(10 m)为间隔设置。

图9 Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道综合接地系统示意

在CDEGS中建立Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道接地体模型，锚杆、环向和纵向接地钢筋均采用φ16 mm钢筋，锚杆长3 m，相邻锚杆环向间距6 m。隧道内纵向接地钢筋和综合地线的设置及规格同上文Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道[5]。

洞室内垂直接地极接地阻抗、地电位升随土壤电阻率和隧道长度的变化趋势分别如图10、图11所示，数值计算时不考虑隧道外两侧综合地线的降阻作用，即只考虑隧道综合接地系统，洞室内电力设施的接地仍用垂直接地极代替，垂直接地极处入地短路电流为400 A。

图10 隧道接地阻抗变化趋势

图11 隧道地电位升变化趋势

垂直接地极接地阻抗和地电位升随隧道长度的增加逐渐减小，长度越短增速越大；接地阻抗随隧道长度的增加逐渐减小，隧道长度大于1 km后减小速度显著放缓。隧道长度小于1 km时，在土壤电阻率为低于2 000 Ω·m的范围内地电位升低于2 000 V；隧道长度大于3 km时，在土壤电阻率低于5 000 Ω·m的范围内地电位升低于2 000 V；长度大于0.5 km后，在土壤电阻率低于5 000 Ω·m的范围内地电位升低于5 000 V。

4 现场实测和应用实例

庙基口隧道位于武九客运专线江西瑞昌段，全长482 m，洞室内预先设置与隧道纵向接地钢筋相连的接地端子，如图12所示。测量时庙基口隧道综合接地体系统已与隧道两侧高速铁路贯通地线连接，此时测量得到的接地阻抗为隧道综合接地系统与两侧贯通地线组成庞大接地系统的接地阻抗值。

图12 庙基口隧道洞室接地阻抗测量

实测庙基口隧道处土壤电阻率为36.8 Ω·m。在CDEGS中建立隧道综合接地系统和高速铁路贯通地线计算模型，即庙基口隧道为Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道接地体模型，隧道两侧贯通地线分别长10 km，采用φ11 mm铜绞线，埋设深度0.4 m，间距24 m，每间隔500 m互联1次。

计算得到上述隧道综合接地系统与两侧贯通地线组成接地系统的接地阻抗为0.117 Ω，在庙基口隧道内洞室接地端子处测量得到接地阻抗为0.114 Ω，如表2所示；在上述接地系统计算模型中取消隧道接地系统两侧的贯通地线，计算得到此时接地阻抗为0.120 Ω，此即为庙基口隧道综合接地系统的接地阻抗值。

金温铁路扩能改造工程是国家重点建设项目和浙江省“七线两枢纽”重点项目，全线隧道43座，隧道总长115 km，占线路比例为61%，隧道内箱变32台。本文成果已成功应用在金温铁路扩能改造工程建设中，针对山区铁路隧道洞室空间狭小的特点，隧道洞室内箱变未独立设置接地网，施工时将箱变接地端子与隧道内综合接地系统可靠连接，测试接地电阻满足设计要求，既保证了设备及人身安全，又节约了工程投资，效果良好。

表2 庙基口隧道接地阻抗实测与仿真计算

5 结论

通过对高速铁路Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道和Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道综合接地系统接地特性研究分析，结论如下。

(1)在土壤电阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道长度大于3 km、Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道长度大于3 km时，地电位升低于2 000 V。在土壤电阻率低于5 000 Ω·m，Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道长度大于1 km、Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道长度大于0.5 km时，地电位升低于5 000 V。Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道和Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道综合接地系统可以满足《交流电气装置的接地设计规范》(GB 50065—2011)规定的接地安全限值。

(2)高速铁路隧道洞室内箱变等电力设施的接地端子与隧道综合接地系统可靠相连后，洞室内电力设施接地端子处的接地阻抗近似等于隧道综合接地系统的接地阻抗，并能够满足工频短路时接地阻抗和地电位升要求。高速铁路隧道洞室内箱变等电力设施不需要布设独立接地装置，直接与隧道综合接地系统可靠相连即可。

(3)在土壤电阻率低于5 000 Ω·m，当Ⅰ、Ⅱ级围

岩隧道长度小于1 km、Ⅲ～Ⅴ级围岩隧道长度小于0.5 km时，地电位升可能高于5 000 V。根据《交流电气装置的接地设计规范》(GB 50065—2001)，此时应经过专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网地电位升高才可以进一步提高，具体措施参见标准中相关规定：如可能将洞室内高电位引向洞室外或将低电位引向洞室内的设备，应采取防止转移电位升引起危害的隔离措施；应验算接触电位差和跨步电位差，并应通过实测加以验证等[15]。