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(jìn)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(jì)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(dá)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(fù)溫且含有冰時(shí)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(dá)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(dāng)接地體的幾何尺寸和形狀一定時(shí)，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(dāng)土壤的結(jié)構(gòu)不變時(shí)，隨著溫度的降低，土壤中鹽的溶解度將下降，使導(dǎo)電離子的數(shù)目相對減少，同時(shí)水的粘度將增大，導(dǎo)致溶液中導(dǎo)電離子的運(yùn)動阻力增大，運(yùn)動速度減緩，從而使土壤的電阻率升高。當(dāng)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(shí)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(jì)和建設(shè)帶來很大困難。

2 接地系統(tǒng)在全系統(tǒng)安全運(yùn)行中的作用

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(yán)格。

接地系統(tǒng)是防雷接地、工作接地和保護(hù)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(yùn)行，確保故障時(shí)的人身安全。它是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)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(dāng)發(fā)生接地短路故障引起的短路電流經(jīng)接地系統(tǒng)進(jìn)入大地時(shí)，一方面短路電流在接地系統(tǒng)上產(chǎn)生地電位升，當(dāng)接地短路故障或其他大電流入地時(shí)，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(jì)不合理或由于腐蝕導(dǎo)致接地電阻增加，還會導(dǎo)致接地系統(tǒng)本身局部電位差超過安全值。這樣，就給運(yùn)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(dǎo)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(kuò)大事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致的事故或事故的擴(kuò)大。接地裝置在整個項(xiàng)目投資中所占的比例比較小，但它的事故會發(fā)展成嚴(yán)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(yán)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(hù)。本文主要從接地材料和敷設(shè)方式上進(jìn)行分析，并定制方案。

3.1 采用接地增強(qiáng)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(xué)物質(zhì)的專用接地增強(qiáng)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(zhǔn)確。

由表1可以看出，接地增強(qiáng)材料在常溫時(shí)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(xué)性強(qiáng)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(shí)，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(shí)地勘測，本方案采用以封凍地區(qū)復(fù)合材料為主要接地體，敷設(shè)雙層復(fù)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(qiáng)散流體組成，并深打鍍銅垂直接地體，以達(dá)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(hù)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(qiáng)散流體組成水平接地網(wǎng)，使用可塑性增強(qiáng)散流體可以對凍土地區(qū)封凍時(shí)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(shí)節(jié)也能正常工作。

上、下地網(wǎng)間采用鍍銅垂直接地極進(jìn)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(jìn)行連接。水平、垂直接地體均采用表面鍍銅工藝，連接點(diǎn)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(yùn)用封凍地區(qū)復(fù)合接地材料進(jìn)行敷設(shè)雙層接地網(wǎng)施工安裝以檢驗(yàn)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(jìn)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(dá)2 m，最深為3 m，因此，進(jìn)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(dǎo)體外，垂直深打接地極能夠進(jìn)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(dǎo)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)散流體進(jìn)行放熱焊接連接，使得水平及垂直雙通道都能達(dá)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(qiáng)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(qiáng)散流體。

c.在溝槽中央、可塑性增強(qiáng)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(kuò)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(qiáng)散流體，使水平接地體完全埋設(shè)于接地增強(qiáng)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(qiáng)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(shí)需要預(yù)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(qiáng)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(qiáng)抗腐蝕性和強(qiáng)導(dǎo)電性。

4 接地電阻計(jì)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(yùn)算系數(shù)，具體土壤電阻率經(jīng)實(shí)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(yù)估）。

（2）單組垂直接地極（不含可塑性增強(qiáng)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(diǎn)數(shù)，共70點(diǎn)。

（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(jìn)行方案對比分析并計(jì)算論證，得出以下優(yōu)點(diǎn)：

（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(biāo)準(zhǔn)的鍍銅鋼接地材料，配合使用接地增強(qiáng)材料，保證接地系統(tǒng)良好的導(dǎo)電性，并且在全壽命周期內(nèi)免維護(hù)。

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

（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(diǎn)為分子結(jié)合、無腐蝕、無松弛、導(dǎo)電能力和原導(dǎo)體保持一致。放熱焊接操作簡單快捷，焊點(diǎn)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(yùn)輸方便，并且可以連續(xù)鋪設(shè)，導(dǎo)體間連接點(diǎn)更少。相對6 m/根的扁鋼接地體，施工速度更快，連接點(diǎn)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(qiáng)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(yùn)用封凍地區(qū)復(fù)合接地材料進(jìn)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(tuán)有限公司，高級工程師，電話：13891806889