津秦客运专线牵引网接地相关参数测试与分析

苑玉超

0 引言

牵引网接地性能对高速铁路的安全运行起着重要作用，国内此前对高速铁路牵引网相关接地参数的测试还比较少，公开文献中尚未见到详细的资料。津秦客专是设计时速350 km，采用综合接地系统把沿线牵引供电、电力配电、通信、信号等设施的接地贯通连接起来，以获得良好的电磁兼容，在满足沿线各设备接地需求的前提下，既要保证钢轨电位不超标，又要保证弱电系统的正常工作。综合接地系统的性能除与贯通地线敷设方式、土壤电阻率、等电位横连结构及间隔有关外，很大程度上还取决于接触网支柱及其基础、桥墩等沿线构筑物的接地电阻。高铁线路一旦投运甚至施工完成后，一些基础参数往往不再具备测试条件，因为此时整个综合接地系统已连接成整体而不能分割，无法在不影响运行性能的条件下对单独结构进行接地参数测试[1]。笔者在线路建设期间，对津秦客运专线的大地电阻率和支柱及其基础、桥墩的接地电阻进行了测试，获得了第一手基础资料，可以供今后类似工程设计工作和相关运行性能分析参考。

1 测试原理

1.1 四极法测量大地电阻率

测量大地电阻率的常用方法为等极距四极法，如图1 所示，测量时在地面上插入4 个电极A、B、C、D，电极之间相隔距离相等，设为a，电极埋入深度均为b。用稳压电源向外侧电极A 和B 之间施加电流I，电流由电极A 流入，由电极B 返回电源。此时外电极A、B 间产生的电流场将在内电极C、D 间产生电势，可以用电压表测量内电极C 和D间的电位差UCD，把UCD/I 定义为电阻R，则大地电阻率为[2]

测量时，极距a 要远大于电极入地深度b，通常要求a≥20b，此时式（1）可简化为

图1 四极法测量大地电阻率原理图

1.2 三极法测量接地电阻

三极法是工程中经常采用的测量集中结构接地电阻方法，被测结构作为一个接地电极注入一定的电流，这就需要设置一个可提供电流回路的电流极，而为了用电压表测出接地电极的电位，则需要设置一个作为参考零电位的电压极，该测量方法也称为电流电压法。理论上，用作参考零电位的电压极应该位于无穷远处，由于电压极不可能设在真正的无穷远处，而地中的电流场会影响到地面的电位分布，所以电极位置设置不当会导致接地电阻的测量存在误差。合理地设置电流极和电压极是接地电阻测量的关键。根据电压极和电流极摆放位置的差别，三极法通常可分为电压极和电流极呈直线布置和呈夹角布置2 种情况。

1.2.1 电压极和电流极呈直线布置

以处于电阻率为ρ的均匀土壤中的半径为a 的半球形接地电极为例来说明测量原理，如图2 所示。电流I 由G 极流入C 极流出，可写出电压极P在GC 连线各点处的电压值：

由此测得的电阻值R 为

但半球形接地电极的实际接地电阻为

为使测量结果和半球形接地电极的实际接地电阻相等，必须尽可能的实现：

图2 电压极和电流极呈直线布置示意图

应用远离法和补偿法可以使测量结果满足工程要求。远离法即尽量增大DGP，DGC和DPC，使之趋向无穷大，如果现场条件允许，应使电压引线足够长。远离法并不常用，更为常用的是补偿法，补偿法即只要将电压极打在DGP= 0.617DGC处，就能测得正确的结果[3]。

1.2.2 电压极和电流极呈一定夹角布置

仍以半球形接地电极为例，如图3 所示。

图3 电压极和电流极呈夹角布置示意图

设电压极打在地面任一P 处，由此可得电压极在各种位置时测得的接地电阻值R：

当DGP= DGC，θ = 28.96°时可使式（7）变为理论上的精确值，即式（5），该方法也称为夹角补偿法，实际中夹角可取30°[4]。

2 津秦客运专线测试试验

由于接触网的架设和贯通地线的连接会对测试造成影响，所以笔者在津秦客运专线开通以前对该线附近的大地电阻率和支柱及其基础、桥墩的接地电阻进行了测试。大地电阻率测试采用四极法，支柱和桥墩接地电阻测试采用夹角补偿法。

2.1 大地电阻率

津秦客运专线大地电阻率测试结果如表1 所示。大地电阻率受土壤类型、盐碱度、温度、湿度等因素的影响，随极距的不同其数值也有所不同。当极距较小时，反映的是局部地表浅层的土壤电气参数；当极距较大时，反映的是较大一块区域内深层土壤的平均电气参数。

2.2 接触网支柱及其基础接地电阻

津秦客运专线接触网采用H 形钢柱，H 形钢柱通过底盘法兰用螺栓固定在支柱基础上。支柱基础留有接地螺孔，该螺孔连通基础内的接地钢筋。所说的支柱基础接地电阻即是测量该螺孔的接地电阻，而支柱接地电阻是指直接测量H 形钢支柱（测点距支柱基础约1.5 m）的接地电阻。由于测试时，已架设了PW 线，因此测试支柱基础接地电阻时，需断开PW 线（在PW 线与钢支柱间插入一绝缘支撑），测试结果反映的是被测的单个基础的接地电阻。而测试H 形钢支柱接地电阻时，分连PW 线和断PW 线2 种情况。断PW 线时，反映的是支柱本体、法兰连接以及支柱基础的综合接地电阻。连PW 线时，实际上反映的是该支柱处的实际接地电阻，包括了邻近支柱通过PW 线对该支柱的影响。测试选择在路基区段，测试结果见表2。

表1 大地电阻率测试结果表

表2 接触网支柱及基础接地电阻测试结果表 单位：Ω

2.3 桥墩基础接地电阻

津秦客运专线综合接地系统利用桥墩基础作接地极，沿线敷设的2 根贯通地线要与桥墩基础的接地钢筋连接。桥墩在距地面约1 m 的地方设置有外露的接地钢筋，通过该钢筋可对桥墩基础接地电阻进行测量，测量结果见表3。

表3 桥墩接地电阻测试结果表 单位：Ω

3 结语

高速铁路牵引网接地相关参数对牵引供电系统的电气性能以及轨道上的电磁兼容具有重要影响。无论是工程设计还是仿真计算均需了解接地系统的基础参数。而一旦线路建成则失去了测试条件，在建设阶段，对大地电阻率、接触网支柱及其基础接地电阻、桥墩接地电阻进行测试十分必要。

本文通过对津秦客运专线大地电阻率、接触网支柱及其基础接地电阻和桥墩接地电阻的测试，积累了相关现场测试经验，取得了宝贵的基础数据，对以后高速铁路的设计有一定参考意义。另外，该基础数据能对今后津秦客专牵引网以及综合接地系统的电气特性分析和仿真计算提供有力支持。

[1] 贺帆.高速铁路牵引网的回流接地基础参数及短路阻抗测试与分析[D].北京交通大学，2013.

[2] GB/T 17949.1-2000 中华人民共和国国家标准，接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则 第1 部分：常规测量[S].

[3] 冯志伟.影响接地电阻测量的因素分析[D].南京信息工程大学，2011.

[4] 谢伟山.地网接地阻抗的测量误差研究[J].广西电力，2007，30（4）：10-11，15.