邢玥,耿占权
(1.中铁电气化局集团有限公司设计研究院;2.中铁电气化局集团有限公司城铁公司)
集通铁路为内蒙古自治区的一条重要铁路干线,西起乌兰察布市,东至通辽市,正线全长923km。全线新建曹不罕、商都、化德等共20座牵引变电所,其中赛音呼都格、好鲁库、蒙根塔拉等8座牵引变电所的所址处于高土壤电阻率地区,造成接地电阻超标。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏,为电力机车提供可靠的、不间断电源。接地系统的质量直接影响变电所设备的稳定性及人身安全。由于牵引变电所受地质、地形、高土壤电阻率等条件的影响,使接地系统的接地电阻值必须满足相关国家规范的要求,在工程设计中存在一定困难。
以好鲁库牵引变电所为例,对接地网的前期进行设计。
根据《铁路工程物理勘探规范》TB10013—2010规定,物探所四次从不同方位对拟建牵引变电所周围土壤进行测试,计算得到表层土壤电阻率的实测数据如表1所示。
表1 土壤采集数据
地层表覆第四系全新统冲湖积(Q4eol),岩性为中砂,0m~3m为褐黄色稍密、3m~7m为中密、7m以下为密实潮湿,成分以石英长石为主。勘测期间未见地表水。地下水类型为第四系孔隙水,埋深大于10m。
设计方案根据TB10009-2016《铁路电力牵引供电设计规范》,GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》及IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》等依据,进行计算。
根据国家相关规范,电阻的计算建立在均匀土壤电阻率基础之上[1]。通过计算得到土壤电阻率ρ>500Ω·m,属于高电阻率地区,仅采用复合接地形式的人工接地网,接地电阻很难达到规范要求。在复合接地网的基础上采用深井接地的方法,达到接地电阻的要求和分流问题。
①接地装置采用复合接地形式:水平接地体采用150mm2的铜绞线接地体,埋深1m;垂直接地体采用φ20铜棒,长4m。当接地网与电缆沟交叉时,接地网应在电缆沟底面0.6m下埋设,禁止从沟内穿越。
②该牵引变电所采用深井接地,接地体深入地下水层,有效降低接地网工频接地电阻,达到降阻效果,增强了分流效果。
工程设计根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》附录A中的人工接地极工频接地电阻的计算[2]。
均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的接地电阻,计算如下:
式中:Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻;Re为等值(即等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻;S为接地网的总面积;ρ为土壤电阻率;L0为接地网的外缘边线总长度;L为水平接地网导体的总长度;h为水平接地体的埋设深度;d为等效水平接地体直径。
根据工程设计中室外接地平面布置图可知,S为6238.75m2;L为2800m;h为1.0m;L0为321m;d为0.01236m;计算得出Rn为8.72Ω。
典型双层土壤中,深埋单根垂直接地极接地电阻RV,计算如下:
工程设计中,选定垂直接地体长4m的铜棒,根据物探资料,垂直接地极穿过双层土壤,因此选取l>H的计算方法:
深埋n根垂直接地极接地电阻Rn,计算如下:
式中:ρa为等效土壤电阻率;l为垂直接地极的长度;d为接地极等效直径;ρ1为上层土壤电阻率;ρ2为下层土壤电阻率;H为上层土壤厚;n为接地极数量。
复合接地网接地电阻R i
式中:ηi为计及各接地极间的相互影响的冲击利用系数。
根据实际设计的接地网面积,任意垂直接地极的间距不小于垂直接地极长度的2倍,垂直接地极应埋设在水平地网的交点处,可得接地极数量为80根,经过计算,复合接地网接地电阻为3.92Ω,不满足国家规范[3]的允许接地电阻要求。
根据物探资料,深井接地采用Φ50钢管,并放置150mm2铜绞线,水层敷设长度不小于10m,降低了接地网的接地电阻。
将ρ2为30Ω·m,H为4m,l为14m,d为0.05m,代入式(5)~(8)中,得到深井接地后接地电阻值为0.41Ω。通过增加8套深井接地,使0.41Ω<0.43Ω,满足国家规范。
设计接地网时,采用扩大地网、加大地表土壤电阻率、深井等降阻措施,进行地网敷设施工后,应实测接地电阻值,要求不大于允许值,跨步电压和接触电压[4]满足相关规范要求。
从工程成本的角度分别对两个方案进行对比,确定最佳方案。
方案一,采用回填BST-Ш长效物理防腐回填料加深井接地的措施来实施降阻,同时,每根垂直接地极的埋设采用了深井接地的办法施工。建议回填地沟时采取换土措施,建议水平地沟回填电阻率不大于100Ω·m的土壤20cm。BST型深井接地极牵引变电所预算如表2所示。
表2 BST型深井接地极牵引变电所预算
方案二,深井接地采用Φ50钢管,并放置150mm2铜绞线,深井接地极牵引变电所预算如表3所示。
表3 深井接地极牵引变电所预算
通过表2与表3对比,工程设计选取方案二。方案二满足接地电阻的要求,同时节约投资约4.8万,节约了经济成本。
本文以集通铁路线的好鲁库牵引变电所为例,结合工程造价的因素,对接地网的前期设计进行设计。对高土壤电阻率的牵引所接地网进行降阻措施,同时满足接触电势和跨步电势的规范要求,确保人身和设备安全,并节约工程成本。