集宁至通辽铁路牵引变电所接地网设计研究

邢玥，耿占权

（1.中铁电气化局集团有限公司设计研究院；2.中铁电气化局集团有限公司城铁公司）

1 概述

集通铁路为内蒙古自治区的一条重要铁路干线，西起乌兰察布市，东至通辽市，正线全长923km。全线新建曹不罕、商都、化德等共20座牵引变电所，其中赛音呼都格、好鲁库、蒙根塔拉等8座牵引变电所的所址处于高土壤电阻率地区，造成接地电阻超标。牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，为电力机车提供可靠的、不间断电源。接地系统的质量直接影响变电所设备的稳定性及人身安全。由于牵引变电所受地质、地形、高土壤电阻率等条件的影响，使接地系统的接地电阻值必须满足相关国家规范的要求，在工程设计中存在一定困难。

2 现场环境概述

以好鲁库牵引变电所为例，对接地网的前期进行设计。

根据《铁路工程物理勘探规范》TB10013—2010规定，物探所四次从不同方位对拟建牵引变电所周围土壤进行测试，计算得到表层土壤电阻率的实测数据如表1所示。

表1 土壤采集数据

地层表覆第四系全新统冲湖积（Q4eol），岩性为中砂，0m～3m为褐黄色稍密、3m～7m为中密、7m以下为密实潮湿，成分以石英长石为主。勘测期间未见地表水。地下水类型为第四系孔隙水，埋深大于10m。

2.1 设计方案

设计方案根据TB10009-2016《铁路电力牵引供电设计规范》，GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》及IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》等依据，进行计算。

根据国家相关规范，电阻的计算建立在均匀土壤电阻率基础之上[1]。通过计算得到土壤电阻率ρ＞500Ω·m，属于高电阻率地区，仅采用复合接地形式的人工接地网，接地电阻很难达到规范要求。在复合接地网的基础上采用深井接地的方法，达到接地电阻的要求和分流问题。

2.2 设计主要内容

①接地装置采用复合接地形式：水平接地体采用150mm2的铜绞线接地体，埋深1m；垂直接地体采用φ20铜棒，长4m。当接地网与电缆沟交叉时，接地网应在电缆沟底面0.6m下埋设，禁止从沟内穿越。

②该牵引变电所采用深井接地，接地体深入地下水层，有效降低接地网工频接地电阻，达到降阻效果，增强了分流效果。

3 高土壤地区接地电阻的计算

工程设计根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》附录A中的人工接地极工频接地电阻的计算[2]。

3.1 复合接地网的水平接地电阻

均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的接地电阻，计算如下：

式中：Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻；Re为等值（即等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻；S为接地网的总面积；ρ为土壤电阻率；L0为接地网的外缘边线总长度；L为水平接地网导体的总长度;h为水平接地体的埋设深度；d为等效水平接地体直径。

根据工程设计中室外接地平面布置图可知，S为6238.75m2；L为2800m；h为1.0m；L0为321m；d为0.01236m；计算得出Rn为8.72Ω。

3.2 典型双层土壤垂直接地极的接地电阻

典型双层土壤中，深埋单根垂直接地极接地电阻RV，计算如下：

工程设计中，选定垂直接地体长4m的铜棒，根据物探资料，垂直接地极穿过双层土壤，因此选取l＞H的计算方法：

深埋n根垂直接地极接地电阻Rn，计算如下：

式中：ρa为等效土壤电阻率；l为垂直接地极的长度；d为接地极等效直径；ρ1为上层土壤电阻率；ρ2为下层土壤电阻率；H为上层土壤厚；n为接地极数量。

3.3 复合接地网接地电阻

复合接地网接地电阻R i

式中：ηi为计及各接地极间的相互影响的冲击利用系数。

根据实际设计的接地网面积，任意垂直接地极的间距不小于垂直接地极长度的2倍，垂直接地极应埋设在水平地网的交点处，可得接地极数量为80根，经过计算，复合接地网接地电阻为3.92Ω，不满足国家规范[3]的允许接地电阻要求。

3.4 深井接地电阻计算

根据物探资料，深井接地采用Φ50钢管，并放置150mm2铜绞线，水层敷设长度不小于10m，降低了接地网的接地电阻。

将ρ2为30Ω·m，H为4m，l为14m，d为0.05m，代入式(5)～(8)中，得到深井接地后接地电阻值为0.41Ω。通过增加8套深井接地，使0.41Ω＜0.43Ω，满足国家规范。

设计接地网时，采用扩大地网、加大地表土壤电阻率、深井等降阻措施，进行地网敷设施工后，应实测接地电阻值，要求不大于允许值，跨步电压和接触电压[4]满足相关规范要求。

3.5 方案比较及选取

从工程成本的角度分别对两个方案进行对比，确定最佳方案。

方案一，采用回填BST-Ш长效物理防腐回填料加深井接地的措施来实施降阻，同时，每根垂直接地极的埋设采用了深井接地的办法施工。建议回填地沟时采取换土措施，建议水平地沟回填电阻率不大于100Ω·m的土壤20cm。BST型深井接地极牵引变电所预算如表2所示。

表2 BST型深井接地极牵引变电所预算

方案二，深井接地采用Φ50钢管，并放置150mm2铜绞线，深井接地极牵引变电所预算如表3所示。

表3 深井接地极牵引变电所预算

通过表2与表3对比，工程设计选取方案二。方案二满足接地电阻的要求，同时节约投资约4.8万，节约了经济成本。

4 结语

本文以集通铁路线的好鲁库牵引变电所为例，结合工程造价的因素，对接地网的前期设计进行设计。对高土壤电阻率的牵引所接地网进行降阻措施，同时满足接触电势和跨步电势的规范要求，确保人身和设备安全，并节约工程成本。