土耳其安伊高铁电气化综合接地系统优化及实施

常进财

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 背景

1.1 国内高铁综合接地系统概况

接地系统在铁路电气化中尤为重要，铁路上下行接地系统等电位连接和接地的目的主要是为确保维修作业人员安全及运营设备安全。

国内高速电气化铁路多采用AT供电方式(自耦变压器供电方式)，相应接地系统均为综合接地系统[1]。系统全线敷设接地设备(贯通地线、接地体等)，其特征为距离贯通地线20 m内的铁路建筑物以及构筑物的接地装置不仅要满足自身接地需求，而且需和综合接地系统做等电位连接。此外，在接地端子处(一般检测位置在接触网支柱基础处或桥墩地面附近)的接地电阻值小于等于1Ω。

国内高铁综合接地系统具备成套设计、土建预留施工及验收技术，其接地电阻小，安全性能强，可靠性高。由于全线需要敷设综合贯通地线，预埋各类接地端子，虽然国内相关接地设施通用性强、大批量生产实施已使综合接地系统造价相对降低，但其原材料等基本费用还是相对较高。

1.2 安伊高铁原设计接地系统方案

土耳其安伊高铁采用TCDD(土耳其国家铁路总局)定制的6辆编组TCDD HT65000型动车组，其原型车为西班牙CAF公司RENFE Class 120/121动车组。由于其对供电系统能力要求并不高，基于欧洲标准的设计理念，综合技术经济合理性、可行性原则，安伊高铁全线牵引供电系统采用带回流线的直接供电方式[2]24，如图1所示。接地系统的设计主要考虑在短路工况下，确保短路电流数值足够大(或短路电阻足够小)保护装置动作、切除故障回路；以及在正常工况和故障情况下，沿线各接地点的电位能够满足要求，确保与信号系统的匹配即可。综上所需，安伊高铁无须设置专用的贯通综合接地系统，利用全线贯通的回流线兼作综合地线的方案具有可行性及可实施性[3]。

图1 安伊高铁供电系统示意

根据安伊高铁信号系统对回流及接地系统要求[2]25，沿线路每750 m需要设置并联点上下行接地回流线、钢轨等电位连接，沿线路每间隔1 500 m对上下行接地回流线、钢轨等电位连接并设置接地极的方案，在最大限度实现上下行回流线和地线等电位连接的同时，可采用靠近接触网支柱侧钢轨与远离支柱侧钢轨按信号需求轮换连接的方式，确保与轨道电路系统匹配，同时满足断轨检测的需要，具体结构型式如图2所示。

图2 安伊高铁原设计回流接地系统结构

2 安伊高铁接地优化方案

2.1 接地方案优化的必要性

安伊高铁合同的签订须满足欧洲标准EN 50122-1:2011要求，其中0.1 s内切除故障的人体耐受电压由842 V调整为850 V，该参数的变化，不仅直接作用于接地系统的安全可靠运行，并且涉及到牵引供电、通信以及信号专业[4]，因而尚需结合现场实际考虑轨道电压，兼顾相应专业需求，对原设计方案进行优化。

2.2 优化方案

2.2.1 信号专业需求

安伊高铁信号系统采用无绝缘数字音频轨道电路，靠近接触网支柱侧的钢轨为地轨，通过“8”型及“S”型连接实现双轨道回流[5]。其中牵引回流接地与轨道电路调谐区段之间的间隔应满足以下条件[6]:

(1)在1送1收的轨道区段，电气化回流接地点必须距离轨道电路调谐区段300 m以上。

(2)在1送2收的轨道区段，电气化回流接地点距离调谐区接收端必须大于20 m。

(3)在道岔区，接地回流须设置在两个短轨道调谐区中间。

安伊高铁信号轨道连接如图3所示。

图3 安伊高铁信号轨道连接示意

综上，回流线兼作地线的等电位连接及接地极设置结构上应满足信号系统要求。

2.2.2 接地系统优化设计

根据规范内容，通过优化调整铁路上下行回流线、钢轨等电位连接点间距及接地极设置及间距，确保沿线各接地点的接触电压和钢轨电位，在正常运行以及短路工况下，均能符合相应规范要求[7]，通过建立仿真计算矩阵，得到可行的布置间距和位置，优化后的接地系统如图4所示。

图4 优化后的回流接地系统结构

根据标准变化及信号专业需求，为避免接地系统的接地轨和并联点影响轨道电路[8]，在设计过程中，以在可行范围内最大限度地增加相邻并联点距离、接地极和接地钢轨点的布置尽量远离轨道电路连接点为原则，优化方案取消了原设计中每隔750 m回流线与钢轨的连接方案，改为间隔1 500 m通过回流线与接地轨和接地极相连，钢导线将上下行线路的回流线并联用以平衡回流线间的电势差。调整后的系统结构满足接触网断线时，信号系统相应保护装置动作要求。

3 回流接地系统仿真验证

根据EN 50122-1:2011中人体最大可接触、接近电压要求，采用以安全跨步电压为标准，在回流接地系统等效模型[2]26基础上，对本文提出的优化接地方案进行仿真模拟验证。

3.1 钢轨电位计算

钢轨电位测量如图5所示。

图5 钢轨电位比变化示意

图5中P点电压Up为钢轨电位，计算公式为:

式中，URE为钢轨电位差；K为钢轨电位的影响因子，一般为0.3～0.8。

P点与钢轨间的电位差URP计算公式为:

在本次设计中，结合安伊高铁特点，选用0.5进行校验，URP计算公式如下:

考虑到中方与TCDD签订合同中对设计标准选取要求的条款，本工程设计需要执行最新欧标EN 50122-1:2011作为接地设计依据，为确保接地系统外露金属结构对作业、巡检人员接触电势安全的要求，接地系统各连接点上的电势应满足欧标规定的人体耐受电压与耐受时间要求:

(1)在短路故障工况下，于0.1 s内切除故障时人体耐受电压有效值应小于850 V。

(2)在正常运营工况下，上下行动车组高速取流并交汇时，使钢轨对地产生一个很高的电位差。根据EN50122-1:2011规范，选取大于300 s的情况下，最大允许电压为60 V，选取小于等于300 s时，可按65 V进行校验，考虑到高铁运行速度相对快，持续时间不会太长，所以选取小于等于300 s是合理的，因此系统设计选用65 V。

实际上回流电流流过钢轨时，钢轨电位沿线路向大地逐步降低，由于回流接地线直接与钢轨有等电位连接，为并联结构，因此，人-地电位差小于钢轨电位，结合EN 50122-1:2011中相关技术要求及欧洲铁路设计情况，系统设计选取人-地电位为钢轨电位的一半。

经过上述计算分析可知，在发生短路故障并于0.1 s内切除故障的情况下，钢轨接触电压URE的0.5倍即接触电势不应大于850 V，正常运行时的电压URP即可接近电势应不大于62 V。

3.2 仿真分析

通过建立钢轨电位测量模型[9]，基于相应仿真数据[2]27，安伊高铁牵引供电系统电压采用25 kV交流单相系统，全线最高列车速度为250 km/h，TCDD HT65000型动车组最大牵引功率与原型车RENFE Class 120/121一致，均为12 000 kW，接触线采用满足《固定装置-牵引网-铜和铜合金槽接触线》(EN 50149:2001)的 Cu-Ag 0.112 0 mm2，承力索采用满足德国标准《铜绞线》(Seil DIN 48201)的Bz‖-70 mm2，回流线采用满足 EN 50182:2001的HALK线，牵引变压器容量为25 MVA，短路阻抗12%，外电源为154 kV系统，其最大短路容量为6 GVA。

选取安伊高铁全线最恶劣工况的8 km长的隧道地段，供电臂长度约27.5 km，得到接触电势、可接近电势如图6所示，接地方案电势变化如表1、表2所示。

图6 接触电势、可接近电势变化曲线

表1 1 500 m间距接地方案电势变化

表2 5Ω接地电阻优化接地方案电势变化

由表2可以看出，随着隧道内接地距离的减小，最大可接触电势、最大可接近电势均会随之降低，但是如若减少接地距离，将会降低轨道电路的灵敏度。由表1可知，隧道内接地电阻大于8Ω时，最大可接触电势、最大可接近电势将不满足规范要求。

调整后的接地方案，在1 500 m连接情况下，取消了750 m的并联，接地电阻在小于8Ω的情况下，732.42 V与64.62 V显然能满足短路接触电势、正常允许可接近电势要求，方案可行。对于长大隧道(超过5 km隧道)，接地电阻结合仿真结果采用进一步降低至5Ω的方案，其在1 500 m接地时，对应数值676.80 V与58.11 V能更好地满足系统要求。

3.3 回流线按照匹配分析

国内项目回流线一般采用绝缘安装，且间隔约2 000 m设置一处对向下锚。安伊高铁回流线兼作架空地线，且全线路基、桥梁区段不设置对向下锚，仅隧道口处需要转换至隧道顶安装时在隧道口设有下锚，不设绝缘子。回流线在路基、桥梁支柱上利用满足EN 61284:1998的悬垂线固定，通过计算全线跨距差，使最大跨距差的张力变化能满足悬垂线夹额定抗拉强度的20%，以满足稳定性需求。

回流线接续采用压接式接续管的方式全张力接续，确保回流线电气性能及机械性能。回流线的安装严格按照设计安装导线张力弛度进行，确保固定线夹处工作正常。回流线安装设计满足接地的相关机械、电气要求。

4 接地系统实施

4.1 接地极截面计算

根据EN 50122—1:2011定义的铁路线的最低允许对地电导率，对于电流小于600 A/列车系统，电导不得小于0.4 S/km，用以确保接触电势与可接近电势满足要求[10]。本文接地连接系统使用该值作为设计限值，安伊高铁的牵引电流高达400 A，是德国铁路指南中所用电流的2/3，为达到0.4 S/km的需求，需要设置额外的接地装置(接地极)，铜导体的最小截面A通过下式进行计算[11]:

式中，I为导体电流；K为导体材料常数；β为0℃时导体温度系数的倒数；Θf为初始温度；Θi为最终温度；t为故障短路时间；β为导体材料的温度常数。

4.2 接地系统实施

安伊高铁接地系统包含支柱与接地极连接、支柱与钢轨连接、回流线并联。

(1)支柱与接地极连接:接触网线路每1.4 km设置接地极1处，采用双根100 mm2钢绞线连接至回流线上。安伊高铁回流线采用不绝缘的方式悬挂固定，支柱上安装的所有金属零部件通过10 mm2铝线棒联通并与支柱内部钢筋良好连接。

(2)支柱与钢轨连接:最靠近接触网支柱的钢轨被用作接地轨，使用单根70 mm2NYY电缆将回流线与接地轨良好连接。

(3)回流线并联:采用单根100 mm2钢绞线将上、下行回流线并联。

根据所提出的优化方案，根据线路条件不同安伊高铁接地系统分为路基段系统接地、桥梁段系统接地、隧道段系统接地。

4.2.1 路基段接触网系统接地

(1)采用双根100 mm2钢绞线将接地极(一般是3级，若地质条件较差，通过计算可以增加级数)连接至回流线上。支柱上安装的所有金属零部件通过10 mm2铝线棒联通并与支柱内部钢筋良好连接。

(2)采用单根100 mm2钢绞线将上、下行回流线并联。

(3)使用单根70 mm2NYY电缆将回流线与接地轨良好连接。

(4)钢绞线、NYY电缆沿支柱理顺，采用2.5 m长5 cm镀锌钢管防护，沿支柱每隔1.5 m使用不锈钢绑扎带固定牢靠。

4.2.2 桥梁段接触网系统接地

桥梁段接触网系统采用格构式钢柱，其接地方案如下:

(1)采用双根100 mm2钢绞线将接地极(一般是3级，若地质条件较差，可以增加级数)连接至柱脚接地孔，接地极埋设在相对应的桥墩下。

(2)使用单根100 mm2钢绞线，沿桥梁底部将上、下行回流线并联。

(3)使用单根70 mm2NYY电缆将钢柱与接地轨良好连接。

(4)沿桥墩敷设的钢绞线以及梁底并联用钢绞线每1.5 m采用化学锚栓加地线弯卡的形式固定一次，确保钢绞线固定牢靠顺直。

4.2.3 隧道段接触网系统接地

隧道段接触网系统采用格构式倒立柱。由于在隧道内做接地施工难度较大，设计时尽量避免将接地点设置在隧道内，如遇长大隧道无法避免采用如下形式。

(1)隧道单边埋设接地极。隧道仰拱厚度约2 m，接地极长度 1.5 m，因此需要使用水钻开100 mm×3.5 m的深孔，将接地极埋设在土层以确保接地电阻值能够达标。接地极一般采用3级，在特殊地段电阻值不达标的，采用增加孔深、增加接地极长度以及使用降阻剂处理。接地极埋设完毕且接地电阻满足要求后对钻孔进行防水封堵处理，然后采用双根100 mm2钢绞线并联，并将3根接地极分别连接至上、下行回流线。100 mm2钢绞线沿隧道壁敷设，每隔2 m采用化学锚栓加地线弯卡的形式固定，保证钢绞线顺直。

(2)接地极一侧轨道使用NYY电缆将接地轨连接至接地引接线(100 mm2钢绞线)；远离接地极一侧轨道使用NYY电缆将接地轨连接至回流线上。NYY电缆沿隧道壁敷设，每隔2 m采用化学锚栓加地线弯卡的形式固定，保证NYY电缆顺直。

5 总结

安伊高铁优化接地系统已于2013年实施，该项目2014年7月25日顺利通车，获得土耳其时任总理及土耳其国家铁路总局的一致好评，2016年质保期2年到期后已完整交付，目前运行良好。

与国内高铁的接地系统相比，其沿线利用了回流线兼作接地线，极大地节省了工程投资。本文根据信号专业需求，兼顾规范要求，通过仿真分析验证了所提优化方案在短路及运行状态下的有效性。由于国外高速铁路建设规模远不及中国，其无法利用大规模生产、标准化优势大幅降低系统造价，因此若采用与我国高铁同样的综合接地方案[12]，其成本极高。优化方案的实施确保了安伊高铁的安全运行，同时也为无预留综合接地条件情况下四电共用接地系统提供了解决方案，在满足欧标相关安全要求前提下，降低了系统造价，为中国企业承揽类似的海外高速铁路工程提供了有力支撑，能够在技术、经济方面更具竞争力。