胡惠忠

(中國(guó)鐵路通信信號(hào)集團(tuán)公司，北京 100070)

1 概述

隨著鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，鐵路系統(tǒng)技術(shù)裝備水平、標(biāo)準(zhǔn)、管理水平等都在不斷優(yōu)化、提高，其中最重要的一項(xiàng)內(nèi)容便是對(duì)接地系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。

根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局統(tǒng)計(jì)，在2005年至2007年的3年中，全路信號(hào)設(shè)備因雷害引起的故障在3年中分別為762件、650件和310件，分別占年度信號(hào)故障總數(shù)的9.52%、8.76%和6.22%，造成的故障延時(shí)分別為996 h、716 h和414 h，平均每件雷害故障延時(shí)1.31 h、1.1 h和1.34 h。從上述幾組數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)年度的雷害引起的故障呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殍F道部在這3年安排了綜合防雷系統(tǒng)專項(xiàng)整治工作所取得的成果。同時(shí)也可以看出，對(duì)鐵路信號(hào)采取綜合防雷措施，可以優(yōu)先降低雷電流對(duì)于電子設(shè)備造成的損害程度，可以減少被保護(hù)的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在確保鐵路行車安全，確保信號(hào)技術(shù)裝備的可靠性方面，越來(lái)越凸顯出綜合防雷系統(tǒng)對(duì)信號(hào)設(shè)備保護(hù)的重要性。

在綜合接地系統(tǒng)方面，借鑒國(guó)外綜合接地、信號(hào)防雷和電磁兼容等方面的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路。其中心思想就是綜合接地以沿線敷設(shè)的對(duì)地電阻不大于1 Ω的貫通地線為接地平臺(tái)，軌旁及站區(qū)信號(hào)設(shè)備、通信鐵塔、通信設(shè)備就近接入貫通地線，實(shí)現(xiàn)沿線設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)，避免了不同設(shè)施之間因?yàn)殡娢徊煌斐傻膫Α?/p>

由此，一種新型的鍍銅護(hù)套接地導(dǎo)體在京滬高鐵通信鐵塔防雷接地中得到成功應(yīng)用。

2 鍍銅護(hù)套接地材料的性能分析

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外一般大量的采用純銅或銅護(hù)套線來(lái)作為主要的接地材料。并且制定了一系列的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范鍍銅材料的使用。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有IEEE80-2000、IEC62305、BS EN50164、 BS7430、UL467、ASTM B227、FAA-STD-091D等。

國(guó)內(nèi)支持鍍銅材料的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）、《交流電氣裝置接地的設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50065-2011）。

2.2 耐腐蝕性分析

腐蝕就是由于環(huán)境的作用而導(dǎo)致金屬物質(zhì)變質(zhì)。大部分的環(huán)境都有不同程度腐蝕性。土壤也具有腐蝕性，因?yàn)槠渲写嬖谒畾?，可溶解的金屬鹽和細(xì)菌。特別是低電阻率的土壤，都有很高腐蝕性。一般地，水氣含量高，可溶解的金屬鹽多，存在氧氣和溫度的變化，將引起和加快腐蝕。發(fā)生腐蝕的必要條件是，必須要有陽(yáng)極（正）和陰極（負(fù)）而且形成電化學(xué)電池和一條可以讓直流電流流動(dòng)的完整路徑。由于雜質(zhì)，晶體邊界和方向上局部應(yīng)力的原因，在許多金屬的表面，存在著陰極和陽(yáng)極區(qū)域。這些帶正、負(fù)電的區(qū)域通過(guò)金屬本身產(chǎn)生電氣連接。如果要發(fā)生腐蝕，必須要存在通過(guò)電解液（導(dǎo)電液體）的額外的電流路徑。在有水氣的土壤中，回路完整，電流這個(gè)腐蝕電池從陽(yáng)極流到陰極，并對(duì)陽(yáng)極造成腐蝕。另一種類型的腐蝕出現(xiàn)在從金屬到氧化劑的電子搬移過(guò)程中。在這個(gè)氧化反應(yīng)過(guò)程中，在金屬與電解質(zhì)溶液之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（EMF）。在相同情況下，每一種其他的金屬與這一種金屬在氧化性溶液中由自己的金屬離子建立固定電位是不同的。這一套電位是由一套標(biāo)準(zhǔn)的條件決定，包括溫度，溶液中的離子濃度，還有前面所知道的EMF和元素電化順序。EMF序列的重要性在于它從數(shù)量上說(shuō)明了純金屬腐蝕的相關(guān)傾向。在序列中位置高的金屬，比如鋁、鋅和鐵，要比在序列中位置低的金屬，比如銅，能夠更快的起反應(yīng)，更容易腐蝕。金屬和他們的EMF如表1所示。

表1 金屬與EMF的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

關(guān)于鍍銅層厚度的要求是在大量的工程試驗(yàn)和基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局關(guān)于地下腐蝕的研究而得來(lái)的。從1910年到1955年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局實(shí)施一個(gè)大規(guī)模的地下腐蝕研究。這個(gè)研究包括在全美國(guó)128個(gè)測(cè)試地點(diǎn)采集的36 500個(gè)樣本，代表333種不同的有色金屬和具有保護(hù)鍍層的材料。這一次是以前從未有過(guò)的關(guān)于腐蝕的大范圍研究。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局第11章的報(bào)告涵蓋銅與鍍銅產(chǎn)品在野外的測(cè)試情況。這個(gè)報(bào)告的表48列出了在43種不同的土壤，從8年到13年這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的銅和鍍銅樣本的平均每年金屬厚度損耗。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，銅在除了強(qiáng)酸性土壤的絕大多數(shù)土壤條件下，都有非常好的耐腐蝕性能，0.254 mm（10 mil）的銅護(hù)套厚度，可以充分的保證銅護(hù)套線的使用壽命可以達(dá)到100年以上。

2.3 銅當(dāng)量分析和溫升計(jì)算

2.3.1 銅當(dāng)量分析

目前，在中國(guó)的城市軌道交通、電力、石油化工、煤礦、軍事等領(lǐng)域，已廣泛使用銅護(hù)套線作為接地材料，以下將從軌道交通領(lǐng)域常用的貫通地線來(lái)進(jìn)行分析。

貫通地線要經(jīng)常承載故障電流，所以貫通地線的載流能力非常重要。銅當(dāng)量可用于衡量不同種類、不同截面積貫通線的載流能力大小。其定義為，一定尺寸的某類型貫通地線載流能力相當(dāng)于擁有同等載流量的純銅線的截面積。

貫通地線所需的截面積和貫通地線的熱穩(wěn)定系數(shù)、故障電流的幅值和故障電流的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，其中貫通地線的熱穩(wěn)定系數(shù)和材料特性以及接頭的最大允許溫度有關(guān)。公式如下。

其中：S——貫通地線截面積；

I——故障電流大??；

C——材料的熱穩(wěn)定系數(shù)；

t——故障電流持續(xù)時(shí)間。

遺憾的是，目前在鐵路領(lǐng)域廣泛使用的傳統(tǒng)環(huán)保型護(hù)套貫通地線或其他金屬護(hù)套貫通地線，其一般只采用壓接套管連接方式，在此種連接方式下，貫通地線的熱穩(wěn)定系數(shù)為167。但是，銅護(hù)套貫通地線采用放熱焊接的連接方式，由《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50065-2011）可知其熱穩(wěn)定系數(shù)為119。

表2 銅與鍍銅材料年平均金屬厚度損耗表（部分）

針對(duì)不同類型的材料，當(dāng)故障電流的幅值與故障持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，其截面積的比值為熱穩(wěn)定系數(shù)的反比。即：

所以在相同的熱穩(wěn)定校驗(yàn)條件下，銅護(hù)套貫通地線所需截面積為其他種類銅芯貫通地線的 1.4倍。所以銅護(hù)套貫通地線的銅當(dāng)量如表3所示。

表3 銅當(dāng)量對(duì)比表

2.3.2 溫升計(jì)算

導(dǎo)體的發(fā)熱可分為兩種，一種是在機(jī)車經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱，一種是當(dāng)遇到大故障電流沖擊時(shí)瞬時(shí)發(fā)熱。導(dǎo)體電阻發(fā)熱公式：

導(dǎo)體對(duì)流與輻射散熱公式：

導(dǎo)體的直流電阻：

對(duì)于時(shí)速為350 km的高速鐵路，電動(dòng)車組兩列連掛，其負(fù)荷在1 200 A左右，流經(jīng)貫通地線的工作電流約為240 A，截面積為70 mm2的銅材質(zhì)貫通地線可以滿足要求。采用與銅當(dāng)量相對(duì)的直徑為13.2 mm銅護(hù)套貫通地線，其截面積為136.7 mm2，在長(zhǎng)時(shí)連續(xù)通過(guò)幅值為240 A情況下，其長(zhǎng)時(shí)間溫升為120℃，小于接地線最大允許溫度。

如果銅護(hù)套貫通地線的直徑為13.2 mm，截面積為136.7 mm2時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算可知，其最大載流量為當(dāng)流經(jīng)50 000 A。當(dāng)流經(jīng)銅護(hù)套貫通地線的故障電流為25 000 A，持續(xù)時(shí)間為0.1 s時(shí)，按照：

其中： Tm——最大溫升（ ℃）；

Ta——環(huán)境溫度（ ℃）；

αr——溫度為參考溫度Tr時(shí)的電阻率溫度系數(shù)（1/℃）；

ρr——溫度為參考溫度Tr時(shí)接地導(dǎo)體的電阻率（μΩ·m）；

K0——1/α0（或 1/αr）-Tr℃ ；

TCAP——單位體積熱容常數(shù)（J/cm3×℃）。

導(dǎo)體在初始溫度為120℃的情況下，當(dāng)有25 000 A持續(xù)時(shí)間0.1 s的故障電流通過(guò)銅護(hù)套貫通地線時(shí)，其最大溫度為250℃，小于接地線最大允許溫度。

2.4 防盜性能

傳統(tǒng)純銅材料及銅護(hù)套線材料表面都是銅原色，不法分子從外觀上分辨不出純銅與銅護(hù)套線區(qū)別，因此早期的銅護(hù)套線材料存在較高被盜風(fēng)險(xiǎn)。

由于銅護(hù)套線材料采用連續(xù)電鍍工藝，銅鋼層之間有一層閃附工藝附著的鎳金屬作為結(jié)合層，銅與鋼間的連接非常致密，均勻的銅層無(wú)法完整地被外力單獨(dú)剝離出來(lái)，因此，即使銅護(hù)套線材料被盜，不法分子無(wú)法把銅層單獨(dú)分離出來(lái)變賣，這也使該材料的被盜價(jià)值大幅降低。與早前通信光纖的應(yīng)用推廣類似，當(dāng)銅護(hù)套線的這種特性被廣為認(rèn)知后，其被盜率自然會(huì)大幅下降；不法分子在盜竊有色金屬，尤其是銅這種貴重金屬時(shí)，通常都會(huì)使用吸鐵石進(jìn)行金屬性質(zhì)的甑別，用吸鐵石能很容易就能鑒別出來(lái)，因此從這個(gè)角度分析，銅護(hù)套線的被盜幾率要明顯小于純銅材料和其他有色金屬材料。

3 鍍銅護(hù)套地線在京滬高鐵通信基站的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)《移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD5068-98）和《鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]92號(hào)）的要求，移動(dòng)通信基站鐵塔應(yīng)有完善的防直擊雷及二次感應(yīng)雷的防雷裝置，移動(dòng)通信基站地網(wǎng)由機(jī)房地網(wǎng)，鐵塔地網(wǎng)和變壓器地網(wǎng)組成，地網(wǎng)組成如圖1所示。

3.2 設(shè)計(jì)要求

1）電氣設(shè)備接地通過(guò)接地裝置實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。接地裝置由接地體、接地線和接地端子構(gòu)成。

2）聯(lián)合接地網(wǎng)阻值應(yīng)不大于1 Ω。

3）鐵塔地網(wǎng)應(yīng)延伸到塔基四腳外1.5 m遠(yuǎn)的范圍，網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于3 m×3 m，其周邊為封閉式，同時(shí)還要利用塔基樁內(nèi)兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網(wǎng)的垂直接地體。

4）當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)的接地電阻值達(dá)不到要求時(shí)，可擴(kuò)大地網(wǎng)的面積。也可在鐵塔四角設(shè)置輻射式延伸接地體，延伸接地體的長(zhǎng)度宜限制在1 030 m以內(nèi)。

5） 接地體宜采用鍍銅鋼接地材料，垂直接地體規(guī)格：鍍銅鋼接地棒直徑14.2 mm，銅層厚度>0.254 mm；水平接地體規(guī)格：φ10的鍍銅圓鋼，銅層厚度>0.254 mm;在特殊地質(zhì)地壤可用增加環(huán)保型接地模塊。

6）垂直接地體長(zhǎng)度宜為1.2～2.5 m，垂直接地體間距為其自身長(zhǎng)度的1.5～2倍。若遇到土壤電阻率不均勻地方，下層的土壤電阻率低，可以適當(dāng)加長(zhǎng)。當(dāng)垂直接地體埋設(shè)有困難時(shí)，可設(shè)多根環(huán)形水平接地體，彼此間隔為1～1.5 m，且應(yīng)每隔3～5 m相互焊接連通一次。

7）接地體的上端距地面不應(yīng)小于0.7 m，在寒冷地區(qū)，接地體應(yīng)埋設(shè)在凍土層以下。

3.3 施工流程和要求

3.3.1 施工流程

施工流程如圖2所示。

3.3.2 主要施工要求

1）接地棒垂直打入

連接好接地棒，尖頭在下，沖擊螺栓在上，垂直于溝底放置于溝中，使接地棒靠近水平接地體，使用重錘將接地棒打入地下。

2）布放鍍銅圓鋼

選用φ10的鍍銅圓鋼。水平鍍銅網(wǎng)埋設(shè)深度為0.8 m，施工規(guī)范參考傳統(tǒng)扁鋼水平網(wǎng)即可。

3）放熱焊接

把焊藥放入模具內(nèi)，將電子控制器終端夾到點(diǎn)火條上，蓋上蓋子持續(xù)按下電子控制器按鈕5 s后點(diǎn)火即可。

4）測(cè)試接地電阻并做處理

使用接地電阻測(cè)試儀測(cè)出接地電阻。每年雨季到來(lái)之前必須實(shí)測(cè)接地電阻，如不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取措施。

4 綜述

銅護(hù)套地線具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，0.254 mm（10 mil）的銅護(hù)套厚度，可以充分保證銅護(hù)套線的使用壽命達(dá)到100年以上。

銅護(hù)套地線的防盜性能優(yōu)于單純有色金屬（銅、鋁、鉛等）地線。

銅護(hù)套地線具有很好的抗拉性。在發(fā)生拉直、彎曲時(shí)，表面的銅層不會(huì)發(fā)生任何開(kāi)裂或脫皮現(xiàn)象；在截?cái)鄷r(shí)，也不會(huì)由于內(nèi)部張力發(fā)生銅層收縮的情況。

銅護(hù)套地線具有較好的載流性。優(yōu)于傳統(tǒng)的鍍鋅角鋼、不銹鋼等材料，只要選定一定截面積的銅護(hù)套地線，完全能夠達(dá)到純銅所能達(dá)到的電氣指標(biāo)。

銅護(hù)套地線的材料以鋼為主，使用的銅非常少，具有節(jié)約有色金屬的戰(zhàn)略意義。