吳 波

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

我國(guó)疆域遼闊，各地地質(zhì)環(huán)境差異較大，全國(guó)地勢(shì)西高東低，其中西部、南部層巒疊翠，阡陌連綿，山區(qū)地形約占我國(guó)陸地面積的2/3。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，山區(qū)鐵路項(xiàng)目越來(lái)越多[1]，近年來(lái)陸續(xù)建設(shè)了滬昆高鐵、寶蘭高鐵、西成高鐵、成貴高鐵、貴廣高鐵、云桂高鐵等高標(biāo)準(zhǔn)山區(qū)高速鐵路，還將建設(shè)西延高鐵、延榆高鐵、西渝高鐵、西武高鐵、西寧至成都鐵路、成蘭鐵路以及川藏鐵路、中尼鐵路等復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的高標(biāo)準(zhǔn)電氣化鐵路[2-3]。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路意味著長(zhǎng)大隧道、隧道群、高架橋、溝壑，并伴隨著滑坡、落石、洪水、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給鐵路建設(shè)帶來(lái)了工程技術(shù)上的巨大困難[4-5]。

作為電氣化鐵路的心臟，牽引變電所承擔(dān)著為電力機(jī)車或動(dòng)車組提供不間斷可靠電源的重要任務(wù)。在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路牽引變電所設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的諸多困難中，接地系統(tǒng)一直是一個(gè)困擾工程師們的難題。接地系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響變電站設(shè)備的可靠性及人身安全。評(píng)估接地系統(tǒng)的指標(biāo)有接地電阻、接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)以及接地體的動(dòng)、熱穩(wěn)定性等[6]。眾所周知，接地網(wǎng)面積越大，土壤電阻率和接地電阻越小，接地網(wǎng)的質(zhì)量越好[7]。然而山區(qū)鐵路受地形及地質(zhì)條件的影響，牽引變電所時(shí)常面臨空間狹小、落差大、地質(zhì)條件復(fù)雜等多種不利因素，因此接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地形的矛盾也越來(lái)越突出。

2 復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)變電所接地面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，一般情況下，牽引變電所接地裝置的接地電阻應(yīng)符合式(1)的要求

(1)

困難情況下，可以提高至5 000/I。公式中R為最大允許的接地電阻，I為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流。通常要求牽引變電所在工程允許的條件下，接地電阻值越小越好。而接地電阻值在工程一旦實(shí)施后即已確定，它與土壤電阻率、接地體面積、長(zhǎng)度等息息相關(guān)。

2.1 選址條件差造成變電所地網(wǎng)面積小

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路時(shí)常伴隨著溝壑縱橫、山高谷深的地質(zhì)條件，線路橋隧比例高，為牽引變電所的選址帶來(lái)極大困難。根據(jù)線路標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備選型布置的不同，牽引變電所的占地面積也有區(qū)別。

GB 50065—2011《交流電氣裝置接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中復(fù)合式接地網(wǎng)工頻接地電阻的簡(jiǎn)易計(jì)算式如下

(2)

根據(jù)該式，在土壤電阻率ρ不變的情況下，接地電阻R與接地網(wǎng)面積S的平方根成反比。在均勻土壤的環(huán)境下，以土壤電阻率100 Ω·m為例，可以近似計(jì)算出各類型牽引變電所占地面積和接地電阻估算值，其對(duì)照如表1所示。

表1 牽引變電所占地面積與接地電阻對(duì)比

通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，平原地區(qū)和復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的牽引變電所占地面積比最大可以達(dá)到1∶0.2，但反之接地電阻比可達(dá)1∶2.2。也就是說(shuō)，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)，牽引變電所可以通過(guò)設(shè)備選型、布置形式調(diào)整等方式將占地面積減小到平原地區(qū)的20%，從而降低土建工程的實(shí)施難度，但面臨的問(wèn)題是接地電阻將增大到2.2倍。

2.2 洪水位高造成變電所高填方

我國(guó)西南地區(qū)的山脈內(nèi)水系豐富，群山峻嶺內(nèi)通常伴隨著溝谷、河流，設(shè)置在這些地區(qū)的牽引變電所受洪水威脅。雨水季節(jié)水位上漲，在峽谷內(nèi)水位比枯水季節(jié)可上升數(shù)米之高。為保證所址場(chǎng)坪安全，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，牽引變電所場(chǎng)坪高程須在100年洪水位之上，分區(qū)所、AT所場(chǎng)坪高程須在50年洪水位之上，造成山區(qū)所亭場(chǎng)坪經(jīng)常采用高填方以滿足洪水位的要求。根據(jù)已實(shí)施的工程案例，牽引變電所較原始地面的填方最高可達(dá)10 m以上。

2.3 填方材料造成土壤電阻率升高

土壤電阻率對(duì)牽引變電所的接地電阻有直接的影響，與之成反比。根據(jù)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中提供的土壤電阻率參考值，陶黏土、黑土、田園土等電解質(zhì)含量高的土壤電阻率最低，砂礫、土夾石較高，巖石最高，如表2所示。

表2 各類土壤電阻率近似值

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路修建牽引變電所面臨的困難是：取土條件差，表層植被土壤較淺、可取土少；受環(huán)保要求，不允許隨便取土，需到指定的取土場(chǎng)；取土場(chǎng)多為砂夾石；運(yùn)距長(zhǎng)，運(yùn)費(fèi)高。

在工程實(shí)施中，山區(qū)牽引變電所的填方料經(jīng)常采用隧道棄渣加工而成的A、B類填料，即體積較小的碎石，混合一定比例的河沙、泥土。該填料土壤電阻率較高，大都在1 000 Ω·m以上，對(duì)接地系統(tǒng)非常不利。

2.4 系統(tǒng)容量大造成短路電流巨大

隨著我國(guó)高速鐵路和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，牽引變電所從電力系統(tǒng)引入的電源電壓等級(jí)從最初的110 kV上升至目前的220 kV甚至330 kV。高標(biāo)準(zhǔn)鐵路通常要求更高的進(jìn)線電壓等級(jí)，而電壓等級(jí)越高，系統(tǒng)容量就越大，短路時(shí)產(chǎn)生的故障電流也就越大。以穿越秦嶺山脈的西安至成都高速鐵路為例，陜西省境內(nèi)的6座牽引變電所均引入330 kV電源，各所2017年短路容量參見(jiàn)表3。

表3 西成高鐵330 kV牽引變電所短路容量

由表3可見(jiàn)，牽引變電所系統(tǒng)容量較以往的電氣化鐵路有了巨大增長(zhǎng)。即使考慮架空避雷線對(duì)短路電流的分流作用，入地短路電流仍是一個(gè)非常大的值。以秦嶺內(nèi)的佛坪牽引變電所為例計(jì)算，如考慮40%的分流系數(shù)，則要求接地電阻值在0.138 Ω以下，困難情況下最高不得超過(guò)0.34 Ω。在平原地質(zhì)條件較好的地區(qū)要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)都比較困難，對(duì)于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路則更加困難。

3 艱險(xiǎn)山區(qū)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路

要使?fàn)恳冸娝慕拥叵到y(tǒng)滿足規(guī)范要求，保證所內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)的人身和設(shè)備安全，可以從影響接地網(wǎng)性能指標(biāo)的各種因素中著手考慮。

對(duì)于人身安全至關(guān)重要的考核指標(biāo)——接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)來(lái)說(shuō)，要求土壤電阻率越小越好、表層土壤電阻率越大越好、入地短路電流越小越好、短路持續(xù)時(shí)間越小越好、接地電阻越小越好、接地體埋深越大越好、接地網(wǎng)孔數(shù)越多越好，而與接地網(wǎng)面積關(guān)系不大。而對(duì)于設(shè)備安全最重要的考核指標(biāo)——接地電阻來(lái)說(shuō)，則要求接地網(wǎng)面積越大越好、土壤電阻率越小越好、接地體長(zhǎng)度越大越好，接地體的埋深理論上越大越好，但要視下部土壤的電阻率而定[8]。

對(duì)于艱險(xiǎn)山區(qū)某具體的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，根據(jù)前文所述，其接地網(wǎng)面積、土壤電阻率、短路電流已基本確定，而且均為不利因素。要改善接地網(wǎng)的性能，常規(guī)的降阻措施均有一定局限性：換填土在艱險(xiǎn)山區(qū)不易實(shí)施，敷設(shè)降阻劑、離子接地極有時(shí)效性且性價(jià)比低，外引接地受地形條件影響且有將高電位外引的風(fēng)險(xiǎn)[9-11]。其他措施還有：增大分流以減小入地短路電流、加大接地體總長(zhǎng)度、加大埋深、增多網(wǎng)孔、加大地表土壤電阻率、加速保護(hù)動(dòng)作等。

為提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性，對(duì)于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，應(yīng)針對(duì)具體工程的特點(diǎn)進(jìn)行必要方案比選和仿真計(jì)算，選擇經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)的方案。

4 仿真模型建立

為具體分析復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)牽引變電所各接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，采用國(guó)際通用接地設(shè)計(jì)仿真軟件CDEGS進(jìn)行建模仿真計(jì)算，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，旨在找到最適合艱險(xiǎn)山區(qū)的牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。

4.1 土壤模型

根據(jù)某工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于山區(qū)采用高填方的牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)，采用CDEGS軟件的RESAP模塊對(duì)土壤模型分析，牽引變電所附近范圍內(nèi)可等效為三層土壤，如圖1所示。

圖1 土壤模型示意

其中頂層、中間層、底層的土壤電阻率及厚度分別為1 746 Ω·m(17 cm)、885 Ω·m(960 cm)、74 Ω·m(∞)。等效土壤結(jié)構(gòu)很好地揭示了艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路高填方牽引變電所的特點(diǎn)，該土壤模型將用于后文仿真計(jì)算的統(tǒng)一模型。

4.2 電源激勵(lì)模型

采用CDEGS軟件的FSDIST模塊對(duì)牽引變電所外部電源線路進(jìn)行模擬，結(jié)合系統(tǒng)短路容量，可以計(jì)算出牽引變電所發(fā)生短路時(shí)的入地短路電流。

設(shè)定的電源條件為：牽引變電所引入2路相互獨(dú)立的330 kV電源進(jìn)線，線路長(zhǎng)度均為56 km，平均檔距400 m。系統(tǒng)變電站接地電阻均按0.5 Ω考慮，系統(tǒng)短路容量10 000 MVA。傳輸線采用LGJ-300/40型雙分裂導(dǎo)線，地線型號(hào)分別為JLB40-150。桿塔采用格構(gòu)式鐵塔，工頻接地電阻范圍10～30 Ω。

牽引變電所接地系統(tǒng)的接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)以及地電位升(GPR)等數(shù)值與通過(guò)接地網(wǎng)絡(luò)流入土壤的故障電流值成正比。因此，在進(jìn)行接地系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)時(shí)，必須得到牽引變電所發(fā)生短路故障時(shí)，流入接地系統(tǒng)的故障電流比例，從而準(zhǔn)確得到通過(guò)接地系統(tǒng)入地的故障電流數(shù)值，為后續(xù)設(shè)計(jì)出安全可靠的接地系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保障。牽引變電所發(fā)生短路時(shí)的電流分布如圖2所示。

圖2 短路電流分流示意

根據(jù)建模仿真計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)架空地線返回遠(yuǎn)端的故障電流往往占有較大比例，其分流系數(shù)的影響因素很多，系統(tǒng)的運(yùn)行方式、架空地線與輸電線的阻抗、輸電線路桿塔的接地電阻、短路點(diǎn)位置以及牽引變電所的接地電阻等都對(duì)其有所影響。尤其是牽引變電所的接地電阻，其與返回電流比例成反比，如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí)一方面要追求返回電流比例盡可能大，同時(shí)又要追求變電所接地電阻盡可能小，形成矛盾。

圖3 架空地線-桿塔接地系統(tǒng)分流示意

根據(jù)前文設(shè)定的系統(tǒng)條件，進(jìn)線桿塔接地電阻取最不利的30 Ω，經(jīng)計(jì)算，牽引變電所接地電阻值采用0.45 Ω時(shí)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)，此時(shí)入地短路電流為9 604 A，接地電阻目標(biāo)上限值為0.52 Ω。此電流作為后文接地仿真計(jì)算的電源激勵(lì)。

4.3 地網(wǎng)模型4.3.1 常規(guī)模型

牽引變電所設(shè)置以水平接地網(wǎng)為主的人工復(fù)合接地網(wǎng)，埋深為填方后地面以下0.8 m，交叉點(diǎn)設(shè)置長(zhǎng)2.5 m的垂直接地棒。接地材料均采用純銅材質(zhì)。

4.3.2 深井接地模型

在常規(guī)模型的基礎(chǔ)上，選擇接地網(wǎng)邊緣、中心若干點(diǎn)采用鉆機(jī)打孔設(shè)置直徑20 cm深井，其內(nèi)敷設(shè)垂直接地棒或離子接地極，數(shù)量及深度可調(diào)整。

4.3.3 外引接地模型

在常規(guī)模型的基礎(chǔ)上，選擇接地網(wǎng)邊緣、中心若干點(diǎn)采用鉆機(jī)打孔設(shè)置直徑20 cm深井，其內(nèi)敷設(shè)垂直接地棒或離子接地極，數(shù)量及深度可調(diào)整。

4.3.4 雙層地網(wǎng)模型

根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者提出雙層接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在常規(guī)接地網(wǎng)下方設(shè)置另一層地網(wǎng)，埋深在原始地層以下，采用網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，上、下層地網(wǎng)用若干接地線連接，下層地網(wǎng)大小可調(diào)整[12-15]。

各類型地網(wǎng)模型示意對(duì)照如表4所示。

表4 各類接地網(wǎng)模型示意對(duì)照

5 仿真計(jì)算考核

5.1 考核指標(biāo)

采用CDEGS軟件的MALZ模塊，對(duì)上述各接地網(wǎng)模型結(jié)合既定的土壤模型、電源激勵(lì)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。在各種接地裝置的考核指標(biāo)中，最重要的指標(biāo)為接地電阻和接觸電勢(shì)。其中接地電阻值如前文所述，上限值取0.52 Ω，最優(yōu)值取0.45 Ω。

接觸電勢(shì)關(guān)系人身安全，在進(jìn)行人體參數(shù)選擇時(shí)，參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)(IEEE80-2013)以人體質(zhì)量50 kg、人體電阻1 000 Ω取值，表層土壤電阻率取2 000 Ω·m，短路持續(xù)時(shí)間取0.4 s，則計(jì)算得出接觸電勢(shì)的安全閥值為908 V。

5.2 接地電阻及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核

仿真計(jì)算結(jié)果顯示，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的土壤及接地網(wǎng)模型條件下，常規(guī)接地網(wǎng)模型接地電阻無(wú)法達(dá)到0.52 Ω的要求。其余3種模型在增加工程量后，接地電阻可以達(dá)到低于0.52 Ω的要求，但工程量有差別。

各接地網(wǎng)接地電阻及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 各類型接地網(wǎng)接地電阻及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

可以看出，在都滿足接地電阻的最低要求條件下，雙層地網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)，深井接地最差。

5.3 接觸電勢(shì)校驗(yàn)

經(jīng)仿真計(jì)算，常規(guī)模型的接地網(wǎng)接觸電勢(shì)校核不滿足要求，其余各類接地網(wǎng)模型各有優(yōu)劣，校核結(jié)果如下。

5.3.1 常規(guī)接地網(wǎng)模型

如圖4所示，接地網(wǎng)范圍內(nèi)最低接觸電勢(shì)為3 260 V，最高超20 000 V，遠(yuǎn)大于安全閥值908 V，校驗(yàn)不合格。

圖4 常規(guī)接地網(wǎng)模型接觸電勢(shì)二維色塊

5.3.2 深井接地模型

如圖5所示，接地網(wǎng)范圍內(nèi)接觸電勢(shì)均小于安全閥值908 V，校驗(yàn)合格。

圖5 深井接地模型接觸電勢(shì)二維色塊

5.3.3 外引接地模型

如圖6所示，接地網(wǎng)范圍部分區(qū)域接觸電勢(shì)小于安全閥值908 V，但部分區(qū)域最高超過(guò)2 000 V，校核不合格。

圖6 外引接地模型接觸電勢(shì)二維色塊

5.3.4 雙層接地模型

如圖7所示，接地網(wǎng)(圍墻)范圍內(nèi)接觸電勢(shì)全部小于安全閥值908V，校驗(yàn)合格。

圖7 雙層地網(wǎng)模型接觸電勢(shì)二維色塊

綜上，在接觸電勢(shì)校驗(yàn)中，常規(guī)接地網(wǎng)模型指標(biāo)最差，完全不滿足安全閥值的要求；外引接地次之，不完全滿足；深井接地和雙層接地最好，完全滿足。

結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)綜合考慮，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)牽引變電所的各類接地網(wǎng)模型中，雙層地網(wǎng)是指標(biāo)最優(yōu)的，工程造價(jià)也最低。

6 結(jié)論

2017年底開(kāi)通的西安至成都高速鐵路為我國(guó)第一條穿越秦嶺的高速鐵路，越嶺地段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有典型的復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路特點(diǎn)。其中秦嶺內(nèi)的佛坪牽引變電所填方高度達(dá)到8 m，其接地網(wǎng)就采用了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)[16]。根據(jù)西成高鐵驗(yàn)收實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，佛坪牽引變電所接地電阻為0.42 Ω，與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。在開(kāi)通1年以后運(yùn)營(yíng)單位對(duì)佛坪牽引變電所接地電阻進(jìn)行了復(fù)測(cè)，其值基本無(wú)變化，驗(yàn)證了雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能的持久性。

一般情況下下層土壤對(duì)變電所地網(wǎng)的影響更大。

針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的高填方牽引變電所，雙層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效利用了電阻率更低的底層土壤，打通了短路電流擴(kuò)散至大地的路徑，并且將變電站接地體形狀由平面的 “網(wǎng)”狀變?yōu)榱Ⅲw的“籠”狀，對(duì)整個(gè)接地系統(tǒng)的性能改善非常有利，還很好地適應(yīng)了地形受限的環(huán)境特點(diǎn)。由于雙層接地網(wǎng)是從接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、形狀上對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行改善，因此其效果是最直接也是最持久的，其造價(jià)較低，工程實(shí)施難度小，效果明顯，非常適合在有高填方工程的牽引變電所推廣采用。