王建國,郭 星,樊亞東,陳 文,溫建民,張華志

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430072； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

高速鐵路沿線牽引變電站接地網(wǎng)是動車組列車安全運(yùn)行、電氣設(shè)備安全正常工作和人員人身安全的重要設(shè)施，研究牽引變電站接地網(wǎng)安全校驗(yàn)技術(shù)具有重要意義。我國鐵路行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，牽引變電站施工完成后須測量變電站接地網(wǎng)的工頻接地阻抗，并規(guī)定接地阻抗須低于0.5 Ω[1-2]，沿用于電力系統(tǒng)對變電站接地阻抗的安全限值[3]。

我國高速鐵路在投入運(yùn)行時(shí)會構(gòu)建綜合接地系統(tǒng)，將高鐵沿線牽引供電回流系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信及其他電子信息系統(tǒng)、建筑物、道床、站臺、橋梁、隧道、聲屏障等需要接地的裝置通過貫通地線連成一體，并規(guī)定綜合接地系統(tǒng)接地阻抗不大于1 Ω[1]。因此，牽引變電站投入運(yùn)行后，其接地阻抗低于1 Ω。

高鐵牽引變電站接地網(wǎng)與電力系統(tǒng)變電站接地網(wǎng)有很大不同，首先由于牽引變電站設(shè)備數(shù)量的局限性，場坪面積規(guī)模要小很多，當(dāng)土壤電阻率偏高時(shí)其接地阻抗便很難低于0.5 Ω，只有采用非常規(guī)降阻手段，但需花費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)和工程代價(jià)。其次，高鐵沿線變電站在投入運(yùn)行時(shí)會接入綜合接地系統(tǒng)，是否還有必要繼續(xù)沿用對變電站接地阻抗的0.5 Ω限值，有待商榷。

近年來不少文獻(xiàn)致力于研究降低高土壤電阻率地區(qū)和高寒凍土地區(qū)牽引變電站的接地阻抗。謝暉提出在牽引變電站敷設(shè)雙層復(fù)合接地網(wǎng)，以解決變電站接地阻抗和地表電位分布等問題[4]。郝帥采用更換土壤并在變電站場坪外敷設(shè)相同面積的水平接地網(wǎng)等措施，使接地阻抗達(dá)到規(guī)范要求[5]。侯峰等提出先校驗(yàn)牽引變電站的接觸電勢和跨步電勢，反推出滿足規(guī)范要求的接地阻抗值，然后在此條件下進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì)[6]。丁峰認(rèn)為對牽引變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)避免只簡單注重接地電阻值，而忽視對地電位分布的分析[7]。羅欣提出對土壤電阻率偏高地區(qū)的牽引變電站，應(yīng)重點(diǎn)分析計(jì)算站內(nèi)接觸電位差、跨步電位差和轉(zhuǎn)移電勢，當(dāng)這些參數(shù)均滿足要求時(shí)可稍微放寬接地阻抗的限值[8-11]。

我國高速鐵路沿線牽引變電站投入運(yùn)行時(shí)其接地網(wǎng)接入綜合接地系統(tǒng)，變電站的接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際已發(fā)生巨大變化，對牽引變電站的接地安全校驗(yàn)應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮，避免只簡單注重接地阻抗值?？偨Y(jié)歸納一套系統(tǒng)合理且切實(shí)可行的高鐵牽引變電站接地安全性評估校驗(yàn)方法，顯得勢在必行[12-15]。

同時(shí)我國高速鐵路行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范未給予牽引變電站電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線足夠重視，至今未有標(biāo)準(zhǔn)明確要求牽引變電站電源進(jìn)線避雷線是否應(yīng)該與變電站接地網(wǎng)連接，造成高鐵沿線部分牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線，而部分牽引變電站接地網(wǎng)不連接電源進(jìn)線避雷線。

當(dāng)牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，入地電流主要通過牽引變電站接地網(wǎng)、綜合接地系統(tǒng)和電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線向大地散流，經(jīng)變電站接地網(wǎng)向大地散流的電流將在變電站內(nèi)引起地電位升、接觸電壓和跨步電壓。因此，準(zhǔn)確測量得到牽引變電站分流系數(shù)對評估變電站的接地安全性至關(guān)重要[15-17]。

本文對深茂高鐵江茂段沿線馬踏和合山牽引變電站開展接地安全性現(xiàn)場測量與數(shù)值仿真計(jì)算分析，以歸納總結(jié)一套系統(tǒng)的牽引變電站安全性評估校驗(yàn)方法，為相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考[20]。其中，馬踏牽引變電站接地網(wǎng)與兩路電源進(jìn)線避雷線不連接，合山牽引變電站接地網(wǎng)與兩路電源進(jìn)線避雷線連接。

1 測量與計(jì)算方法

馬踏牽引變電站和合山牽引變電站位于廣東深茂高鐵沿線，兩牽引變電所接地網(wǎng)采用相同設(shè)計(jì)，如圖1所示。地網(wǎng)長74 m、寬60 m，埋深0.8 m，總面積4 440 m2。水平接地體為橫截面150 mm2銅絞線，總長1 170 m。垂直接地極采用φ17.2 mm、長2.5 m純銅棒，共計(jì)44根。

在馬踏和合山牽引變電站站址處，采用DET2/2全自動數(shù)字式接地電阻測試儀，依據(jù)等距Wenner四極法測量變電站站址處土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并在CDEGS中分析實(shí)測數(shù)據(jù)以確定等效水平分層土壤結(jié)構(gòu)。

采用8000型接地裝置特性參數(shù)測量系統(tǒng)，在牽引變電站綜合接地箱處注入類工頻電流，采用夾角法布線測量兩牽引變電站的接地阻抗。在CDEGS中搭建牽引變電站接地裝置數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合測量分析的站址土壤分層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算兩牽引變電站接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和地電位升等。

在牽引變電站內(nèi)綜合接地箱處，通過電纜將牽引變電站接地網(wǎng)與貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線連接。馬踏牽引變電站接地網(wǎng)與兩路110 kV電源進(jìn)線避雷線不連接，通過絕緣子串隔離，如圖2所示。合山牽引變電站接地網(wǎng)與兩路110 kV電源進(jìn)線避雷線通過電纜連接，如圖3所示。當(dāng)牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，入地電流主要通過牽引變電站接地網(wǎng)、綜合接地系統(tǒng)和電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線向大地散流，其中綜合接地系統(tǒng)主要包括貫通地線、架空回流線、鋼軌回流線等[18-19]。

測量變電站分流系數(shù)時(shí)，仍采用8000型接地裝置特性參數(shù)測量系統(tǒng)，并結(jié)合4023耦合變壓器、4024大功率信號源、可調(diào)頻率萬用表和柔性ROGOWSKI線圈等，測量變電站接地網(wǎng)、鐵路貫通地線、鋼軌回流線、架空回流線以及電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線對應(yīng)的電流分流，計(jì)算分析得到各部分對應(yīng)的分流系數(shù)。

圖1 馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)置(單位：m)

圖2 馬踏牽引變電站接地網(wǎng)不連接電源進(jìn)線避雷線

圖3 合山牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線

2 測量與計(jì)算結(jié)果

馬踏和合山牽引變電站站址處土壤結(jié)構(gòu)測量及分析結(jié)果見表1，馬踏牽引變電站處土壤結(jié)構(gòu)等效為水平五層分層結(jié)構(gòu)，合山牽引變電站處土壤結(jié)構(gòu)等效為水平三層分層結(jié)構(gòu)。

表1 牽引變電站土壤結(jié)構(gòu)測量分析結(jié)果

馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測量和仿真數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2。馬踏牽引變電站接地阻抗的測量值和數(shù)值計(jì)算值分別為1.885 Ω和1.903 Ω，合山牽引變電站接地阻抗的測量值和數(shù)值計(jì)算值分別為1.835 Ω和1.845 Ω。牽引變電站工頻接地阻抗均遠(yuǎn)大于0.5 Ω，不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。同時(shí)由測量計(jì)算可知，馬踏和合山牽引變電站接地阻抗非常相近，分別為1.885 Ω和1.835 Ω。

表2 馬踏和合山牽引變電站接地阻抗測量和計(jì)算結(jié)果

兩牽引變電站選址和施工非常相近，均位于兩個(gè)被削平的山頭上方，站址處以沙土礫石為主，變電站站址處土壤電阻率明顯偏高，同時(shí)兩變電站接地網(wǎng)未采用額外降阻措施，導(dǎo)致兩變電站接地阻抗顯著高于標(biāo)準(zhǔn)限值。

馬踏和合山牽引變電站分流系數(shù)現(xiàn)場測量結(jié)果見表3。馬踏牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)為32.33%，綜合接地系統(tǒng)分流系數(shù)為70.08%，其中貫通地線、架空回流線和鋼軌回流線分別為21.18%、22.88%和26.02%。合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)為14.33%，綜合接地系統(tǒng)為66.24%，電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線為21.56%，電源進(jìn)線避雷線分流系數(shù)高于變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)。

表3 馬踏和合山牽引變電站分流系數(shù)測量結(jié)果

馬踏和合山兩牽引變電站接地阻抗非常相近，分析比較分流系數(shù)測量結(jié)果可知：牽引變電站接地網(wǎng)與電源進(jìn)線避雷線連接與否對變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)影響巨大，對綜合接地系統(tǒng)分流系數(shù)影響比較小。變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線后，變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)顯著下降，馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)分別為32.33%和14.33%，相差18.00%。

3 牽引變電站接地安全分析校驗(yàn)

馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)分別為32.33%和14.33%，當(dāng)牽引變電站內(nèi)入地短路為7 000 A時(shí)，經(jīng)變電站接地網(wǎng)向大地散流的電流分別為2 263.1 A和1 003.1 A。在CDEGS中建立牽引變電站接地網(wǎng)數(shù)值計(jì)算模型，仿真計(jì)算牽引變電站發(fā)生接地故障時(shí)，變電站內(nèi)地電位升、接觸電壓和跨步電壓分布分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 馬踏和合山牽引變電站地電位升分布

圖5 馬踏和合山牽引變電站接觸電壓分布

圖6 馬踏和合山牽引變電站跨步電壓分布

牽引變電站內(nèi)最大地電位升和網(wǎng)內(nèi)電勢差統(tǒng)計(jì)見表4。合山牽引變電站最大地電位升為1 840.1 V，低于2 000 V。馬踏牽引變電站最大地電位升為4 245.2 V，高于2 000 V但低于5 000 V：根據(jù)GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)變電站接地網(wǎng)電位升高于2 kV但低于5 kV時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步校驗(yàn)變電站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓，確保低于安全限值，以保證人身和設(shè)備安全[3]。此外，馬踏和合山牽引變電站接地網(wǎng)內(nèi)最大電勢差分別為1.81 V和0.78 V。因此，牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線后，站內(nèi)最大地電位升和接地網(wǎng)內(nèi)最大電勢差均顯著下降，降幅分別高達(dá)56.65%和56.91%。

表4 牽引變電站接地網(wǎng)地電位升仿真計(jì)算結(jié)果

在馬踏和合山牽引變電站院內(nèi)，設(shè)置瀝青高阻層，厚20 cm，電阻率為5 000 Ω·m。兩牽引變電站發(fā)生接地短路故障時(shí)，短路電流最大持續(xù)時(shí)間為0.1 s。由以上可計(jì)算得到馬踏和合山牽引變電站接觸電壓和跨步電壓的安全限值，見表5[2，21]。變電站接地網(wǎng)邊角處和短路電流入地處附近最大接觸電壓和最大跨步電壓統(tǒng)計(jì)值見表6。

馬踏牽引變電站內(nèi)接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為2 826.5 V和602.4 V，合山牽引變電站內(nèi)接觸電壓最大值和跨步電壓最大值分別為1 375.9 V和316.7 V。馬踏和合山站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓均低于標(biāo)準(zhǔn)安全限值。比較可知，牽引變電站接地網(wǎng)連接電源進(jìn)線避雷線可顯著降低站內(nèi)最大接觸電壓和最大跨步電壓，降幅分別為51.32%和47.43%。

由以上分析可知，馬踏和合山牽引變電站內(nèi)的接觸電壓、跨步電壓和地電位升等接地安全指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在完成以上接地安全性校驗(yàn)之后兩變電站已經(jīng)投入運(yùn)行，深茂高鐵江茂段現(xiàn)已通車運(yùn)營。

表5 牽引變電站接觸電壓和跨步電壓安全限值 V

表6 牽引變電站不同位置接觸電壓和跨步電壓最大值

4 結(jié)論

(1)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗(yàn)應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮，避免只簡單注重接地阻抗值是否低于0.5 Ω。

(2)高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)應(yīng)與電力系統(tǒng)電源進(jìn)線避雷線連接，此舉將顯著降低變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)以及站內(nèi)接觸電壓、跨步電壓和地電位升，降幅分別為51.32%，47.43%和56.65%。

(3)高速鐵路牽引變電站接地安全校驗(yàn)，建議遵循以下步驟方法：在準(zhǔn)確測量變電站場址土壤結(jié)構(gòu)和變電站分流系數(shù)的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值仿真分析軟件，來評估校驗(yàn)變電站接地安全性。