地铁车站综合接地系统设计分析

卢小明

（重庆市轨道交通（集团）有限公司 重庆 401121）

科学技术水平的提高使得地铁建设有了很大的进步，但是因为其构造的复杂性，导致其设计和施工难度较大。但是地铁建设不仅可以缓解城市交通拥堵，更重要是的，还能作为战时防空的重要组成部分。

1 地铁综合接地设计概述

地铁车站综合接地系统在设计过程中，需要严格按照以下几个原则进行：①综合接地系统的设计在保证人身安全、设备安全及运营可靠性的基础上，尽可能减少投资。②综合接地系统的设计应同时满足变电所设备、弱电设备及其他需接地的车站设备对接地的要求。地铁车站综合接地网的设计采用人工接地网，水平接地体一般距站台底板下800mm敷设，在局部遇到下翻梁时，应局部加深，与梁保持不小于600mm的间距。综合接地网一般设置强电设备接地引上线、弱电设备接地引上线、预留设备接地引上线各一组。弱电引上线距其他引上线沿接地导体的距离不小于20m（每组引出线间的电气距离大于20m）。实际工程设计中，每组接地引出线为三根，其中一根为备用。同时，设包含结构钢筋在内的总等电位联结措施，并充分利用自然接地体作为接地装置，在站台板下结构主体上预埋与结构钢筋相连的钢板，通过接地母排与人工接地网连接。

2 地铁站综合接地系统设计

2.1 接地装置的常规设计

人工接地网包括水平接地体、水平均压带和垂直接地体。根据复合式接地网接地电阻的简化算法，可以计算出人工接地网的接地电阻：

式中：Re-接地电阻；ρ-土壤电阻率；S-复合接地网的面积。

车站接地网的大小由车站的土壤电阻率和车站规模决定：常规设计中最大的接地网面积不应超过车站基坑的面积；最小接地网的面积由车站土壤电阻率根据计算确定。

地铁车站内变电所和其他的弱电系统大多都是集中在一个设备房里，但是在另一端往往也需设置跟随变电所和其他一些弱电设备用房，因此车站两端都需要接地引出线。这样，可以在车站两端各引3组接地引出线（分别引至强电、弱电和金属管道的接地母排）。每组引出线有3根引出线，其中2根与接地母排相连，另1根为预留。典型地铁车站的综合地网布置如图1所示。

图1 典型地铁车站综合接地网布置示意图

2.2 接地电阻相关问题的研究与选择

地铁车站综合接地网接地电阻值可以利用下式计算：

式中：Rn-任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；Re-等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，Ω；S-接地网的总面积；d-水平接地极的直径或等效直径，m；h-水平接地极的埋设深度，m；L0-接地网的外缘边线总产犊，m；L-水平接地极的总长度，m。

根据详细的岩土工程勘察报告，查询设计车站所在土壤层的土壤电阻率，从而计算出设计的综合接地网的接地电阻值。接地电阻值满足各接入系统接地电阻最小值的要求，一般不大于0.5Ω。

2.2.1 接地方式对接地电阻要求的研究

地铁供电系统输电线路均为电缆线路，且为双电源，互为备用，一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式要求：

R≤2000/I

式中：R-考虑到季节变化的最大接地电阻；I-计算用为单相接地故障电流（A）。

2000V为低压电气设备绝缘耐压水平，I一般取为100～1000A，按最严重考虑，如取为1000A，则R≤2W，具体取值根据电网情况及各地区运行经验确定，在发生单相接地故障，如过电流保护要作为零序保护的后备保护时，取值就较高；如过电流保护不需作为零序保护的后备保护时，单相接地故障电流可降低，如取为400A，则R≤5W。具体取值需和主变电所设计单位商讨确定。因此在高土壤电阻率地区，接地电阻难以满足0.5W的要求时，可通过经济技术比较增大接地电阻，但不得大于5W，这种情况下，除应满足接触电势，跨步电势要求外，还要防止转移电位引起的危害，对于能将高电位引向所、车站外或低电位引向所、车站内的设施应采取隔离措施，如加隔离变压器，通向所、车站内的金属管道应采取绝缘段隔离等措施。

2.2.2 接地装置共用对接地电阻要求的研究

通信等弱电设备接地电阻应不大于4W，电子设备接地电阻不应大于4W，若采用共用接地体，接地电阻以诸种接地要求中接地电阻要求最小值为依据；当与防雷接地系统共用，则接地电阻值应小于1W。对于该地铁线路的实际情况，架空接触网在地面段已采取架空地线设放电间隙及避雷器等措施，大部分雷电流经地面的接地网泄放，因此地下车站可不考虑与防雷接地体共用接地网的要求，仅地面皇岗站、车辆段和调度中心存在与建筑物防雷接地共用地网问题。

2.3 实例分析接地网设计

某地铁车站因为施工路段土壤电阻率是比较高的，为了保证设计和施工的安全性，需扩大接地网面积，但本地铁线路位处城市主干道，地下车站有许多暗挖车站，区间隧道亦多为暗挖，车站地网难以向区间延伸，工程难度极大。如果采取传统接地网的做法，实际测量和理论计算表明在每个车站底板下面积全做成接地网的情况下，15个车站的接地电阻在1.83～5.62W之间波动，其中3.0W及以上的车站有10个。如需达标，各车站接地网面积需扩大大达50000～100000m2，而实际上每车站面积仅在1300～4000m2左右，即使使用降阻剂及其它措施，工程量也是大得惊人，无法实施。本文从接地的要求及其它因素对接地网实施影响两方面分析，借鉴国内外地铁接地系统的作法，在满足人身、设备对安全接地要求的前提下，提出了适合该地铁工程特点的接地电阻值及接地网建议方案。

方案一：车站底板下设单独地网。该方案的实施中，不能够使用结构钢筋，每个地下车站设独立接地网，引上线绝缘于结构钢筋，在车站地部全部铺设接地网的情况下，接地电阻不大于2～4W的车站有11个；但对暗挖车站等土壤电阻率高且车站面积小的车站，实施起来难度较大，仅利用车站面积难以满足接地电阻值要求的车站，还需采取接地网向区间扩大、铺设降阻剂等措施，必要时可按接地网接地电阻不能大于5的要求来实施；地面皇岗站、车辆段和控制中心等站由于与建筑防雷共用接地网，接地电阻要求不大于1Ω，必须利用建筑桩基作地网。

方案二：直接利用车站杂散电流防护网作接地网。因为该工程对于杂散电流具有较高的防护要求，全线地下车站和隧道结构钢筋焊接成网，构成一巨大“钢筋笼”，埋在地面下，是一良好的接地体，仅计算车站结构钢筋作地网的，该地铁线路各地下站接地电阻值即为0.84～2.69Ω，如果利用该防护网作接地网，对各类电力设备、低压设备、弱电设备工作接地，保护接地及人身安全来说都是很好的接地体，经济上也较合理。

从技术和经济等多个角度进行比较，该工程选用了第二个方案。经过理论分析，选择了采用直接利用车站隧道钢筋作接地网的第二方案，理由如下：该地铁线路低压配电系统采用了TN-S系统，系统内中性线和保护线是分开，交流电流不会影响杂散电流防护系统；本文研究的地铁线路地下区段如采取利用隧道结构钢筋作地网，又要避免因此额外增加杂散电流腐蚀影响，仅需增将电缆屏蔽层及金属管道在车辆段与正线隧道口及皇岗地面正线与正线隧道口加绝缘结，这些工作量相比“方案一”的工作量要少得多，采取相应的措施后，该方案也不会增大杂散电流腐蚀的影响，尤其是本文所研究的地铁线路采取了较完备的杂散电流防护方案即“钢轨绝缘安装、回流通路畅通、设立隧道钢筋为后备排流网两重收集网、预留排流柜、设立计算机监测系统”。

3 结束语

需要注意的是，在地铁车站综合接地系统设计过程中，需要注意：①由于地铁车站位于地面以下，综合接地系统的施工应充分考虑接地引出线穿越地下车站结构底板时的防水问题，在引上线穿越底板时采用地铁专用整体引出装置。②地铁的设计是个百年工程，尤其是综合接地网，一旦车站建成，后期对综合接地网维护的可能性非常小，所以接地体所用材料必须具有很强的耐腐蚀性，一般选用紫铜材，含铜量要求不低于99.5%，连接方式采用放热焊接方式。③底板施工前，必须严格检查接地网各连接点，严防脱焊、虚焊。④为配合土建施工，接地网可分段敷设，在阶段性施工结束后，应对完工部分接地网进行接地电阻测量，以此推算出整体接地网的接地电阻值，如推算结果不能满足设计要求，则需在其余地网敷设中采取补救措施（如施放物理降阻剂等）。⑤接地引出线应妥善保护，不得丢失、断裂。

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