高寒冻土地区铁路牵引变电所接地问题研究

谢 晖

高寒冻土地区铁路牵引变电所接地问题研究

谢 晖

为解决高寒冻土地区防雷接地工程问题，本文结合滨绥线对我国东北地区的土壤分布和土壤特性进行了研究，探讨了影响土壤电阻率的因素，制定了降低接地电阻的工程方案，并经模拟计算提出了改善冻土地区接地安全性的方法。

高寒冻土；接地；牵引变电所

0 引言

高寒冻土地区地理、气候环境恶劣，冻土层较深，土壤电阻率普遍较高，采取普通的接地措施难以达到理想的降阻效果。因此本文结合滨绥线研究降低高寒冻土地区接地电阻的方法，对高寒冻土地区的防雷接地工程具有非常重要的意义。

1 高寒冻土地区冻土分布及其危害

凡土层温度为零温或负温且含有冰时称为冻土。冬季冻结、夏季全部融化的土层为季节冻土；冻结状态持续3年或3年以上的土层为多年冻土，多年冻土的电阻率极高，可达未冻土电阻率的数十倍。一般冻土地区的表层土壤在夏季会融化，冬季才冻结，所以是季节冻土。我国东北地区有大片冻土区，除大小兴安岭北部存在部分多年冻土外，其余冻土区均为季节冻土。

众所周知，当接地体的几何尺寸和形状一定时，其接地电阻值与土壤电阻率成正比。而土壤电阻率则与土壤的结构、土壤的相态和所含水分的多少、土壤中盐分的类型和数量以及溶解度等因素有关。当土壤的结构不变时，随着温度的降低，土壤中盐的溶解度将下降，使导电离子的数目相对减少，同时水的粘度将增大，导致溶液中导电离子的运动阻力增大，运动速度减缓，从而使土壤的电阻率升高。当温度降至零下后，土壤中的水分大部分将由液态变为固态，使土壤变为冻土，此时土壤的电阻率将大大升高。因此土壤的冻结会给接地装置的设计和建设带来很大困难。

2 接地系统在全系统安全运行中的作用

随着我国国民经济的不断发展，接地网的安全稳定性越来越重要，对接地体的耐腐蚀和热稳定性的要求也越来越严格。

接地系统是防雷接地、工作接地和保护接地三者的有效统一体。其主要功能有2个：即确保设备安全可靠运行，确保故障时的人身安全。它是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。接地电阻的大小将决定接地系统泻放故障电流能力的大小。当发生接地短路故障引起的短路电流经接地系统进入大地时，一方面短路电流在接地系统上产生地电位升，当接地短路故障或其他大电流入地时，如果接地电阻值比较大，就会造成地网电位异常升高；如果接地系统设计不合理或由于腐蚀导致接地电阻增加，还会导致接地系统本身局部电位差超过安全值。这样，就给运行人员安全产生危害。另外，由于设备外壳都与地网相联，高的地电位升加在设备外壳上，产生反击事故，危及设备安全。还很有可能因反击或电缆皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室，轻则导致监测或控制设备发生误动或拒动，重则破坏监测设备而扩大事故，带来巨大的经济损失和社会影响。

调查表明，我国曾发生多起由于接地系统腐蚀所导致的事故或事故的扩大。接地装置在整个项目投资中所占的比例比较小，但它的事故会发展成严重的系统事故，从而破坏系统的稳定，给人们的生产、生活造成严重的社会损失。

3 牵引变电所接地方案

衡量冻土地区接地系统的优良主要有2方面的要求：（1）持续稳定的低电阻值，接地电阻不会随着季节的变化而变化；（2）具有优良耐腐蚀性的接地材料，保证设备全寿命周期免维护。本文主要从接地材料和敷设方式上进行分析，并定制方案。

3.1 采用接地增强材料方案

在冻土地区接地系统中使用不需要再添加盐分和其他腐蚀性的化学物质的专用接地增强材料，并配合使用不会溶解和分解的物理性降阻剂，使之能够有效地降低接地电阻，并长期保持低电阻值。施工安装过程中要牢固可靠，以使四季性能稳定，测量数据尽可能准确。

由表1可以看出，接地增强材料在常温时具有0.12 Ω·m的低电阻率，随着温度下降到零度以下，其电阻率上升不到10%。丙烯酰胺属于化学性强的电解质降阻剂，虽然拥有较低的电阻率，受温度影响变化也不大，但在季节冻土中，气温上升时，冻土融化产生的水分会带走绝大部分电解质，使得降阻剂效果大大降低，而且会对环境造成污染，因而不适合使用。以膨润土为代表的弱电解质降阻剂，在低温下电阻率过高，不能用于冻土地区。

表1 降阻剂的低温电阻率测试结果表 单位：Ω·m

3.2 采用敷设双层接地网方案

经过对冻土地区地质环境的实地勘测，本方案采用以封冻地区复合材料为主要接地体，敷设双层复合地网，下层主地网敷设在冻土层以下，主要解决整个系统的接地电阻问题，采用垂直加水平地网模式来构建，其中水平地网采用表面镀铜的封冻地区散流接地体和可塑性增强散流体组成，并深打镀铜垂直接地体，以达到稳定降低接地电阻的目的，使接地电阻≤0.5 Ω。

上层地网敷设在距地表60～80 cm的地下，主要解决跨步电压和接触电势对人员造成的伤害的防护问题，上层地网同样采用表面镀铜的封冻地区散流接地体和可塑性增强散流体组成水平接地网，使用可塑性增强散流体可以对冻土地区封冻时节的土壤应力有良好的抵消作用，保证接地系统在封冻时节也能正常工作。

上、下地网间采用镀铜垂直接地极进行电气化连接，以保证电流的安全泄放以及整个接地系统的稳定性，水平接地体、垂直接地极间的所有连接采用放热焊接的方式进行连接。水平、垂直接地体均采用表面镀铜工艺，连接点采用放热焊接方式，可以满足接地系统在冻土地区耐腐蚀的要求。具体方案示意图见图1—图3。

图1 冻土地区接地网示意图

图2 冻土地区上层接地网示意图

图3 冻土地区下层接地网示意图

3.3 接地方案施工工艺

通过以上2种方案分析，以下运用封冻地区复合接地材料进行敷设双层接地网施工安装以检验是否满足高寒冻土环境下的接地要求，既可以满足足够低的接地电阻值，即接地电阻≤0.5 Ω，也可以解决跨步电压和接触电势所造成的伤害。

施工步骤如下：

（1）考虑到季节性冻土因素，在冻土消融期进行施工。

（2）下层主地网采用深埋法，将接地装置埋设在所在地区的冻土层以下，避开因冻土而造成的土壤电阻率升高和接地电阻不稳定的问题。东北冻土地区冻土层深度多达2 m，最深为3 m，因此，进行接地施工前，先了解该地区冻土层厚度值，确保以最少的开挖量将水平接地体和垂直接地体埋设在冻土层以下。

（3）深打垂直接地极。除了深埋接地导体外，垂直深打接地极能够进一步降低接地电阻，而且使接地极更加容易接触到地下含水层。由于地下水富含矿物质，是良导体，因此深打接地极是冻土地区降低接地电阻行之有效的方法。在施工时，根据现场的地质情况将接地极打入冻土层以下3～5 m。

接地极的施工方法：选用直径不低于17 mm的垂直接地体，外围垂直接地体需要开挖直径为15 cm、深度为2.5 m的坑并敷设可塑性增强散流体包裹垂直接地体，内部垂直接地体，直接深打，如现场土壤电阻率较高，也可使用和外围相同的由可塑性增强散流体包裹垂直接地体的模式来制作垂直接地极。

所有垂直接地极敷设完毕后，须与水平敷设的封冻地区散流接地体以及可塑性增强散流体进行放热焊接连接，使得水平及垂直双通道都能达到良好的泄放效果。

（4）上层水平地网解决跨步电压和接触电势问题。该方案采用封冻地区散流接地体以5 m× 5 m间隔连接成水平地网，并辅以可塑性增强散流体包裹，以此解决跨步电压和接触电势问题（图4）。

a.开挖宽20 cm，深60 cm的沟槽。

b.在沟槽底部敷设厚度约为2.5 cm的封冻地区可塑性增强散流体。

c.在沟槽中央、可塑性增强散流体上方敷设直径不小于13 mm，截面积不小于137 mm2的封冻地区散流接地体；组成5×5的网格保证雷电流快速扩散，以控制跨步电压和接触电势。

d.在水平接地材料上方再覆盖厚度为2.5 cm的可塑性增强散流体，使水平接地体完全埋设于接地增强材料之中。

e.用低电阻率的土壤回填。

图4 上层水平接地网敷设示意图

（5）上下2层地网间连接。上下2层地网间用直径17 mm的垂直接地体（长度根据冻土层深度确定，约2～3 m）连接，形成上、下地网一体化，加强散流效果，具体施工办法如下：

连接垂直接地体在施工过程中，下层地网回填时需要预留直径为15 cm、深度为2.5 m的竖井，内部敷设可塑性增强散流体包裹垂直接地体，以保证故障电流快速泄放至下层地网。如图5所示。

图5 下层垂直接地体敷设示意图

（6）所有电气连接采用放热焊接工艺，接头的电阻不超过材料本身的电阻，保证接头处具有强抗腐蚀性和强导电性。

4 接地电阻计算

（1）水平地网接地电阻：

式中，ρ为土壤电阻率（黑龙江黑土土壤电阻率在非冻期取值范围为50～150 Ω/m。现取中间值100 Ω/m作为运算系数，具体土壤电阻率经实测后给出）；A为接地网面积70×70 m2（依据变电所接地平面布置图预估）。

（2）单组垂直接地极（不含可塑性增强散流体）接地电阻：

式中，l为单组垂直接地极深度2.44 m；d为单根垂直接地极等效直径1.72 cm。

（3）70组垂直接地极接地电阻：

式中，n为垂直接地极点数，共70点。

（4）水平接地体与垂直接地极并联后，接地网总电阻：

式中，η为并联系数，取0.95。

变电所全站接地电阻R = 0.38 Ω＜0.5 Ω，故此地网可以满足低于0.5 Ω的接地电阻要求。

5 结论

本文对高寒冻土地区冻土条件下牵引变电所接地系统采用了双层接地网进行方案对比分析并计算论证，得出以下优点：

（1）采用合理的施工方法：将整个接地网埋于冻土层以下，并深打垂直接地极，保证接地电阻免受季节变化的干扰，使其长久保持在一个较低的接地电阻值。

（2）选用合适的接地材料：选用满足国内与国际标准的镀铜钢接地材料，配合使用接地增强材料，保证接地系统良好的导电性，并且在全寿命周期内免维护。

（3）镀铜钢接地网具有导电性能优、热稳定性能好、耐腐蚀能力强、施工方便、寿命长、投运后检验维护工作量少、无污染等优点。

（4）采用镀铜钢接地网相对于镀锌钢接地网，接地体的截面大为减小，施工成本和难度大幅降低，加快了工程建设周期。

（5）镀铜钢接地网采用放热焊接，确保连接点为分子结合、无腐蚀、无松弛、导电能力和原导体保持一致。放热焊接操作简单快捷，焊点美观可靠，是真正可靠、牢固、永久的连接。

（6）镀铜圆钢可以成卷供应，仓储和运输方便，并且可以连续铺设，导体间连接点更少。相对6 m/根的扁钢接地体，施工速度更快，连接点更少，地网系统更可靠、稳定。

（7）在冻土地区接地系统中配合使用专用的接地增强材料，能够有效地降低接地电阻，并永久保持低电阻值。

综上所述，通过运用封冻地区复合接地材料进行敷设的双层接地网可以满足高寒冻土环境下的接地要求，既可以满足足够低的接地电阻值，即：接地电阻≤0.5 Ω，也可以解决跨步电压和接触电势所造成的伤害。

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[3] 陈家斌.接地技术与接地装置[M]. 北京：中国电力出版社.

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

谢 晖.中国铁建电气化局集团有限公司，高级工程师，电话：13891806889