張世標(biāo)，劉峰濤

0 概述

《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》TB10009-2005第5.5.17條規(guī)定[1]：“預(yù)應(yīng)力混凝土支柱箍筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm”。對混凝土保護層的要求是考慮“在回流線或保護線不絕緣直接懸掛在支柱上時應(yīng)能承受接觸網(wǎng)短路狀態(tài)下回流線或保護線小于3 kV對地工頻電壓”。該規(guī)定從設(shè)計角度出發(fā)，旨在取消雙重絕緣以簡化安裝方式、降低工程造價。

在實際工程中使用的50多萬根橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱和 5萬多根環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱均是按混凝土支柱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2286中關(guān)于主筋保護層厚度20 mm設(shè)計制造的[2]，箍筋的保護層厚度小于20 mm。這些支柱在多年運行中未出現(xiàn)過問題。

這樣就存在了混凝土支柱產(chǎn)品與電力牽引設(shè)計規(guī)范不一致的問題。實際工程設(shè)計中既有雙重絕緣安裝方式又有單絕緣安裝方式，導(dǎo)致電氣化鐵路的絕緣方式混亂，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

經(jīng)研討，混凝土結(jié)構(gòu)不宜作為絕緣材料使用。為了取消雙重絕緣以簡化安裝方式，統(tǒng)一支柱的絕緣標(biāo)準(zhǔn)，同時為修改電力牽引設(shè)計規(guī)范提供支持，故此對預(yù)埋接地裝置的混凝土支柱進行了研制。

1 混凝土支柱接地系統(tǒng)的演變

1.1 早期電氣化鐵路

混凝土支柱接地借鑒了前蘇聯(lián)的做法，即支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋，并通過接地線與接地體或鋼軌連接。后來考慮到當(dāng)時的工藝水平，在混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋較難批量生產(chǎn)，在一些線路上采用了將接地鋼筋敷設(shè)在支柱外的做法，回流線或保護線通過接地線與接地體或鋼軌連接。當(dāng)信號不采用鋼軌作為軌道電路時，回流線或保護線可與鋼軌直接連接；當(dāng)信號采用鋼軌作為軌道電路時，回流線或保護線不能與鋼軌直接連接，宜通過火花間隙或扼流變壓器中點與鋼軌連接。

1.2 京秦線引進日本技術(shù)

在日本信號系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)中要求鋼軌絕緣安裝，且不能直接接地；如果把支柱接地部分直接同鋼軌相連接，會影響信號專業(yè)軌道電路的正常工作。因此，在日本電氣化鐵路中一般采用雙重絕緣來限制并疏導(dǎo)閃絡(luò)短路電流。

京秦線全面引進日本AT供電技術(shù)，接觸網(wǎng)的保護接地與閃絡(luò)保護方式采用了雙重絕緣方式，雙重絕緣是同時具有基本絕緣（主絕緣）和附加絕緣的絕緣方式。

在主絕緣和附加絕緣之間用跳線與 PW 線連通，當(dāng)主絕緣發(fā)生閃絡(luò)或擊穿時，短路電流可直接經(jīng)PW線（不須經(jīng)鋼軌）回到牽引變電所，使保護裝置動作。在直供加回流和BT供電方式中，雙重絕緣的做法基本與AT供電方式類似，只是跳線與回流線相連接，并兼有架空地線的作用。

1.3 客運專線鐵路

在歐洲和中國客運專線電氣化鐵路中，普遍采用綜合接地系統(tǒng)，它一般采用全線貫通設(shè)綜合接地線的方式。直接供電方式的回流線和AT供電方式的保護線同綜合地線、鋼軌進行等電位連接后盡量并聯(lián)，并且都可以不絕緣安裝。

1.4 相關(guān)研究

20世紀(jì)80年代，中鐵電氣化勘測設(shè)計院制作了不同保護層厚度的混凝土試塊，模擬干燥、潮濕、濕潤等工作情況，分別測試其擊穿電壓。研究表明，當(dāng)混凝土保護層厚度為20 mm時，可承受3 kV的短路電壓。

2003年，中鐵電氣化勘測設(shè)計院對接觸網(wǎng)架空回流線（保護線）絕緣方式進行了研究。研究結(jié)合國內(nèi)電氣化鐵路的不同具體條件和不同絕緣方式，分析回流線或保護線和鋼軌可能最高電位的變化規(guī)律，重點對鋼筋混凝土支柱上回流線或保護線取消絕緣的必要條件進行研究。

通過分析和試驗研究，當(dāng)支柱箍筋的混凝土保護層厚度大于20 mm、接觸網(wǎng)短路時回流線（保護線）的對地工頻電壓小于3 kV和接觸網(wǎng)短路時間小于0.5 s時，回流線（保護線）可直接懸掛在混凝土支柱上。

根據(jù)以上研究，電力牽引設(shè)計規(guī)范 TB10009-2005中規(guī)定了預(yù)應(yīng)力混凝土支柱箍筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm。

2 國內(nèi)外關(guān)于保護層厚度的規(guī)定

根據(jù)多年的研制和運行經(jīng)驗，預(yù)應(yīng)力混凝土支柱類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定是綜合考慮了支柱的強度、抗裂性和耐久性后確定的。

混凝土支柱屬長細(xì)桿件，容量大、撓度要求嚴(yán)，并且還要克服各種裂紋，設(shè)計條件比較苛刻。所以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4623《環(huán)形混凝土電桿》中規(guī)定：“縱向受力鋼筋的凈保護層厚度不得小于15 mm”。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定：“預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土凈保護層厚度不小于15 mm”。在制訂TB/T 2286-2003《電氣化鐵道橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱》、TB/T 2287-2005《電氣化鐵道接觸網(wǎng)環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，為進一步提高混凝土支柱的使用壽命，規(guī)定：“預(yù)應(yīng)力主筋的混凝土保護層厚度不應(yīng)小于20 mm”。

日本JIS A 5309-1992《離心成型預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》規(guī)定：“箍筋的混凝土保護層厚度大于9 mm，且應(yīng)大于預(yù)應(yīng)力鋼筋的直徑”。據(jù)《電氣化鐵道接觸網(wǎng)》手冊P 282，德國電氣化鐵道接觸網(wǎng)鋼筋混凝土支柱規(guī)定：“螺紋鋼筋上方的混凝土覆蓋層應(yīng)至少為15 mm，而預(yù)應(yīng)力鋼筋上方的混凝土覆蓋層應(yīng)為20 mm”。

可見，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)應(yīng)力主筋保護層不小于15 mm；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)應(yīng)力主筋保護層不小于15～20 mm；發(fā)達國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如日本規(guī)定箍筋的混凝土保護層為9 mm；德國規(guī)定主筋保護層為20 mm。

各國標(biāo)準(zhǔn)匯總對比情況參見表1。

3 預(yù)埋接地裝置混凝土支柱的基本原理

當(dāng)接觸網(wǎng)支柱利用回流線或保護線兼作閃絡(luò)保護地線時，對于在正常運行和短路故障情況下的鋼軌電位和回流線（保護線）電位的最大值，無論是帶回流線的直接供電方式還是AT供電方式，除在短路故障情況下的鋼軌最大電位基本與回流線（保護線）的接地電阻值和接地線間距無關(guān)外，它們的值均比回流線（保護線）只接鋼軌的情形明顯降低，減小回流線（保護線）的接地電阻值和接地線間距對降低其電位最大值是有益的，這正是利用了混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地鋼筋與基礎(chǔ)接地扁鋼連接后可取消接觸網(wǎng)雙重絕緣的基本原理。

表1 國內(nèi)外關(guān)于保護層厚度的相關(guān)規(guī)定一覽表

4 混凝土支柱接地的對策措施

鑒于預(yù)應(yīng)力混凝土支柱的現(xiàn)狀情況，其箍筋的混凝土保護層厚度達不到20 mm的要求，而且混凝土制品不宜作為絕緣體使用，因此在支柱內(nèi)埋設(shè)接地裝置，以解決接地問題。

在支柱內(nèi)埋設(shè)鋼筋，上下部適當(dāng)位置預(yù)留連接端子。上端與腕臂底座及回流線（保護線）相連，下端與埋設(shè)在土壤內(nèi)的接地扁鋼相連，上下端均采用螺栓連接。端子的型式開始考慮采用有內(nèi)螺紋的鋼管，但螺紋內(nèi)易被混凝土堵塞，后改為無螺紋的鋼管，為保證外部連接螺栓與接地端子的可靠連接，在鋼管兩端設(shè)置圓鋼板，考慮防腐要求，接地端子（鋼管及鋼板）應(yīng)進行熱浸鍍鋅。

混凝土支柱內(nèi)鋼筋很多，應(yīng)采取可靠工藝措施保證鋼管準(zhǔn)確定位，同時不影響結(jié)構(gòu)鋼筋的布置和混凝土的灌注。

混凝土支柱內(nèi)預(yù)埋接地裝置后，其基礎(chǔ)施工時，應(yīng)根據(jù)不同的基礎(chǔ)類型埋設(shè)接地扁鋼。直埋式支柱其接地扁鋼的埋設(shè)如圖1所示，首先將接地扁鋼連接在支柱上，再將支柱放入基坑內(nèi)。

圖1 直埋式支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

采用杯形基礎(chǔ)的混凝土支柱其接地扁鋼的埋設(shè)見圖2，澆筑基礎(chǔ)時將接地扁鋼埋設(shè)在基礎(chǔ)側(cè)面或基礎(chǔ)內(nèi)部，待支柱放入杯口后將其與支柱下部的接地端子進行連接。

圖2 采用杯形基礎(chǔ)支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

法蘭型支柱其接地扁鋼的埋設(shè)見圖3，澆筑基礎(chǔ)時將接地扁鋼埋設(shè)在基礎(chǔ)側(cè)面或基礎(chǔ)內(nèi)部，待支柱安裝后將其與支柱下部的接地端子進行連接。

圖3 法蘭型支柱接地扁鋼埋設(shè)示意圖

5 預(yù)埋接地裝置的混凝土支柱技術(shù)條件

支柱采用單絕緣方式，支柱內(nèi)應(yīng)預(yù)埋接地鋼筋，鋼筋上下兩端焊接鋼管（熱浸鍍鋅防腐）。接地裝置上端與腕臂底座及回流線（保護線）連接，下端與接地扁鋼連接。腕臂底座預(yù)留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內(nèi)預(yù)埋管均采用樹脂絕緣管。

支柱內(nèi)預(yù)埋直徑12 mm鋼筋作為接地線，上下兩端焊接內(nèi)徑為20 mm的鋼管，鋼管兩端焊接直徑為40 mm的圓鋼板（鋼板的外露面應(yīng)與所在支柱的外表面形狀一致并齊平，即在橫腹桿式支柱中為平面，在環(huán)形混凝土支柱中為圓柱面）。對于腕臂柱，上部預(yù)留孔位于上腕臂（平腕臂）底座之下350 mm處，軟橫跨支柱的上部預(yù)留孔位置距地面的高度可參照腕臂柱進行設(shè)置。下部預(yù)留孔的位置位于地面以上的一定高度處。

考慮防盜因素，與接地扁鋼連接用的螺栓或螺母可采用防盜型。

6 技術(shù)經(jīng)濟分析

預(yù)埋接地裝置后，在混凝土支柱上取消雙重絕緣安裝方式，均采用單絕緣安裝方式。上部端子與回流線（保護線）連接，下部端子與接地扁鋼連接。支柱的其他預(yù)留孔，如腕臂底座預(yù)留孔、下錨安裝孔和橫承力索安裝孔內(nèi)的預(yù)埋管均采用樹脂絕緣管。2種安裝方式采用的部分零部件及基礎(chǔ)施工方法不盡相同，相應(yīng)的造價和美觀性有所區(qū)別。

6.1 技術(shù)對比

雙重絕緣安裝方式采用雙重絕緣式絕緣子，通過接地跳線與回流線（保護線）連接，回流線安裝需采用一個針式絕緣子，接地跳線通過跳線卡箍連接在絕緣子上。由于連線較多，該安裝方式美觀性相對較差，而且造價相對較高。

單絕緣安裝方式采用普通的棒式絕緣子，絕緣子間無連接跳線，美觀性相對較好，造價相對較低。

6.2 經(jīng)濟對比

支柱上分別采用雙重絕緣和單絕緣安裝方式，每套裝配所需費用分別為280元和96元，即采用單絕緣安裝方式時，每套裝配可節(jié)省約184元，每百公里（雙線鐵路，4000根支柱）可節(jié)省73.6萬元。

7 結(jié)論

混凝土制品本身具有大量孔隙、毛細(xì)孔的材料，在自然環(huán)境中尤其是在雨季、大霧及結(jié)露的情況下，其內(nèi)部存在水分。雖然理論上一定厚度的混凝土保護層具備一定的絕緣性能，但在混凝土支柱有裂紋、氣孔和潮濕的情況下，是不能依托其作為有一定耐壓的絕緣體。所以鐵路電力牽引供電設(shè)計中不宜把混凝土支柱作為絕緣材料使用，以免留下安全隱患。

混凝土支柱預(yù)埋接地裝置后，接觸網(wǎng)可取消雙重絕緣安裝方式，采用單絕緣安裝方式。

建議修改電力牽引規(guī)范，將TB 10009-2005中第5.5.17條修改為“預(yù)應(yīng)力混凝土支柱主筋的混凝土保護層厚度不得小于20 mm”（與德國標(biāo)準(zhǔn)一致，目前規(guī)定的 4個速度等級的設(shè)計暫行規(guī)定中均無該條要求）。

[1]TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]TB/T 2286.1-2008 電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土支柱 第1部分：橫腹桿式支柱[S]TB/T 2286.2-2008，第2部分：環(huán)形支柱. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]GB/T 4623-2006 環(huán)形混凝土電桿[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]DL/T 5154-2002 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[5]JIS A 5309-1992 離心成型預(yù)應(yīng)力混凝土支柱[S].

[6]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.