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地铁车站综合接地若干问题的探讨(1)
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地铁车站综合接地网施工技术
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综合接地的设置要求
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地铁车站综合接地系统方案
接地系统概述.接地系统是保证电力系统安全运行的基本条件.接地电阻是接地系统的重要指标,也是测量接地系统效率及安全性的参数.接地系统可以保障人和设备的安全.地铁车站设置综合接地装置(接地网),所有带电设备的金属外壳、地下金属管线均与接地网相连接,接地系统的设计应同时满足强、弱电设备接地、保护接地、防雷接地的要求,接地电阻一般情况下不大于0.5Ω,困难时不大于1Ω.
作者单位：
中交(西安)铁道设计研究院
年，卷(期)：
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地铁车站的综合接地工程
《电工技术》
作者：爽子
关键词：综合接地装置，接地网，接地引出线，接地材料
黄文旭，谭祥国
（中铁二局四公司，贵州 都匀 558022）
[摘要]& 介绍了地铁车站综合接地工程的施工方法、接地装置的布置、埋设深度、材料选择、焊接方法、参数测量、接地引出线及连接线的要求，并提出了高土壤电阻率的处理方法。
关键词 &综合接地装置& 接地网& 接地引出线 &接地材料 &降阻方法
地铁车站有多种系统需要接地，如牵引变电所及降压变电所供电系统的工作接地，通信系统、信号系统等弱电设备的接地，地上车站还有防雷接地。多种接地合用一个接地网，称之为综合接地装置。综合接地系统的好坏将直接影响整个车站的自动化程度和使用功能。
北京地铁九号线丰台科技园站位于丰台总部基地五圈路与万寿路南延道路交叉口的南侧，车站位于路中，跨路口设置。车站主体结构设计为地下双层双柱岛式车站，明挖法施工，车站结构底板垫层下的土壤为沙夹鹅卵石，电阻率为130欧米；该车站所有电力系统、弱电系统、防雷系统的接地均可靠的连接一体，采用等电位接地方式即一点接地，接地电阻值要求&0.5&O；车站的综合接地装置由垂直接地体及水平接地体构成，埋设在距车站结构底板垫层下0.6m左右的土壤中，并经接地引出线引出，通过铜排分别引至强电系统和弱电系统接地母排。
2 接地装置的布置
地铁车站连同车站两端的设备用房开挖总长度一般为200m左右，其宽度在20m左右。根据变电所和通信及信号系统在车站的位置布置，其接地网布置有如下几种方式。
(1)一般情况下，变电所布置在车站一端，而把通信和信号系统布置在车站的另一端。因此，两端分别需要引出强电、弱电接地引入线。这样车站两端各做一个接地网，并把它联结起来形成一个较大的接地网。其布置示意图如图1所示。
图1　典型车站接地网布置示意图
(2)如果变电所和通信信号系统都布置在车站的一端，就没有必要把接地网设计得和车站一样长。图2～图3分别表示两种引出线在车站一端的接地网布置示意图。
图2　引出线在车站一端接地网布置示意图（方式一）
图3　引出线在车站一端接地网布置示意图（方式二）
比较图2和图3，若图2中长a1=120 m，宽b1=22 m，图3中长a2=180 m，宽b2=15 m，可以看出图2的接地网面积S1=120&22=2640m2,图3接地网面积S2=180&15=2700 m2。根据复合式接地网接地电阻的算法：RC=0.5&/S1/2(DL/T621-1997附录A)可知，两个接地网的接地电阻值几乎完全一致。但是图2的周长为284m，图3的周长为390m，相比之下图2的土方工作量和接地扁铜材料将大大减少。所以在接地网施工布置时尽可能根据车站开挖的情况把接地网布置得宽一些，这对于节约工料和降低电阻是有利的。但要注意&复合式接地网&是以水平接地极为主，周边带有垂直接地极的地网。根据土壤电阻率的情况，垂直接地极不宜布置得太少。从故障电流散失的情况分析，电流是以接地引出点周围流失为主，离接地引出点越远，其接地体的作用越小。
根据上述分析，建议施工接地网时，尽可能布置得宽一点，基坑开挖多宽就布置多宽，一般应大于20m。接地引入线不宜设在地网的一端，最好靠近地网的中间。北京丰台科技园车站开挖长度为175.15m，宽度为20m,其综合接地总图如图4所示。
图4& 丰台科技园车站综合接地工程总平面图
由图4标示可看出，由于受车站土建工程的限制，车站综合接地施工总宽度为16m，由24根垂直接地体沿着车站主体底板边缘，通过水平接地体连接成一个闭合椭圆回路，在车站南北两边各引出一组强、弱电引出线，垂直接地体之间连接有均压带。在施工中适当地增大其横向宽度，扩大其接地总面积，以降低整体接地电阻。
3接地装置的埋设深度
根据《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）中要求&接地网的埋设深度不宜小于0.6m&。这是针对地面变电所、发电厂的接地网，应考虑冬季土壤干燥及冬季土壤冻结时对土壤电阻率产生的影响，所以要埋设在地面以下一定深度。对地铁车站来说，由于地铁工程的设计使用寿命为100年，这就意味着综合接地系统的使用寿命要超过100年，而且一旦建成，就无法再给予补救和改造，在施工中应不低于此标准。
丰台科技园车站其底板垫层下为沙夹鹅卵石土壤，且地下水位较深（地下水位约在地下20m左右，施工深度为18m左右），其土壤电阻较大（电阻率为130欧米），为保证接地阻值达到设计要求，不仅埋设在底板垫层以下0.6m，还加大其水平接地体回填沟槽的宽度，并将垂直接地体周围的沙夹鹅卵石置换成黏土，以保证整体接地效果。
4接地装置的材料选择
在接地工程的设计中规定了接地装置的防腐设计。在考虑腐蚀影响以后，接地装置的设计使用年限应与工程设计使用年限相当。埋入土壤中的接地体年平均腐蚀厚度（总厚度、最大值）：扁钢为0.2～0.1mm,热镀锌扁钢为0.065mm(缺少扁铜数据)。如果按地铁工程设计年限为100年，那么埋在土壤中的镀锌扁钢的厚度应为7mm。
根据防腐设计要求，同一工程的水平接地应为同一厚度。为了不增加用铜量，建议把50mm&5mm的扁铜改为40mm&6mm，这样增加接地极的厚度便可增加接地装置的使用年限，而不增加投资。
目前在实际使用中，垂直接地体使用的材料主要是铜包钢，其加工分为两种方法：一种是连铸铜包钢，其特点是表层为无氧铜，内层为优质碳素钢,集肤效应原理导电，导磁特性优异；水平连铸工艺制造,铜钢冶金分子结合；符合DL467标准，铜层厚度一般不小于0.5mm。另一种是电镀工艺加工的铜包钢，即铜镀钢接地棒，其特点是在钢芯上有一层镍,在镍层上还有&电解铜层，这种工艺保证了铜层与钢芯之间永久的分子联结；铜镀钢接地棒上的铜层在深钻时不会脱落或裂开,即便棒弯曲时也不会产生裂缝，铜镀钢接地棒防腐蚀性能良好并且可有效降低接地电阻。
《交流电气装置的接地》要求角钢的厚度不小于4mm，钢管的厚度不小于3.5mm。这是对地面变电所、发电厂的接地要求，它腐蚀后还可以更换补救，而地下车站的底部是难以补救的。因此在地铁综合接地工程中使用的均为铜包钢作接地体。
5接地铜排焊接方法
铜排的焊接方法有很多种，如银焊条钎焊、高频焊、电阻焊、MIG钎焊等，现主要介绍一种适合施工现场简洁方便的焊接方法――放热焊接（也叫热熔焊接）。
放热焊接的工艺原理是通过铝与氧化铜的化学反应（放热反应）产生液态高铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现高性能电气熔接的现代焊接工艺。适用于铜和铜、钢和铜、钢与钢等的电气连接，无需任何外加的能源或动力。
放热焊接由于是分子式连接、高温重铸工艺，因此接头处厚度要比安装的接地体厚，按照铜排的年腐蚀率来算，理论上其焊接接头的寿命要比安装的接地体铜排要长。放热焊接施工前应作的准备有：选择合适的模具； 确认所需的焊粉排号； 选择相应的模夹或配件； 点火枪； 与模具相配的焊接及密封材料。
采用放热焊接的缺点是造价较普通焊接方法高，为降低成本，铜排可用3m卷排，同时因地置宜地减少焊接接头，可大大减少造价，节省安装时间。其优点有：分子联结，焊接点寿命等同于或大于安装的接地体；操作简单，无作业条件要求，室内和野外均可作业；无需任何外加热源；载流容量大于或等于所焊接的导体；焊接接头超过接地系统永久性连接质量检验标准的相关要求；焊接点永久免维护。
6接地装置工频特性参数的测量
6.1 接地装置工频接地电阻的测量
根据DL475-1992指出的测量办法，对接地电阻的实际测量是必须的。接地电阻值应该符合设计要求。但对地下车站来说，该项测量比较困难。当实测电阻达不到要求时，应及时采取措施满足设计要求。设计时要充分考虑到施工及测量的困难，要根据土壤电阻率及地网形状进行认真计算，尽可能避免事后采取的补救措施。
6.2 接触电压和跨步电压的测量
接触电压测量的目的主要是针对工作人员经常在发电厂、变电所等电力设备附近出现，为保证安全而进行的一项测量工作。由于车站接地网设在车站地板垫层以下，这种测量的实际意义并不太大，因为地铁结构的底板和接地网绝缘。地铁结构底板厚度一般为600～800mm，且钢筋密布。接地网的电位差不会影响到车站内的工作人员。另外，接地网中部的接地扁铜带，客观上有均压作用，但设计考虑的重点是故障电流的散流作用。因此两根接地引入线（扁铜）最好是接至不同的接地扁铜，并在水平接地扁铜不同的交叉点附近，使故障电流向几个方向散失。
7接地引入线及连接线的其它要求
目前接地引入线的一般做法大都采用了铜排（50mm&5mm）穿防水钢管的做法。铜排与钢管之间填充环氧树脂，以便达到和主钢筋绝缘的目的。引入线的位置应注意选在进入电缆夹层靠墙近的地方，不宜选在电缆通道中间，以免影响施工和维护人员通行。也可以在结构的侧墙引入，通过站厅层的机房或风道引入。接地母排通常设在电缆夹层。接地母排与接地引入线的连接最好选用绝缘铜电线，其截面应根据故障电流选取。本车站接地工程采用50mm&5mm铜排作连接线，沿电缆夹层墙壁敷设，引至接地母排。接地装置设计方案如图7～图8所示。
& & &图7& 接地装置设计方案一的示意图 & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图8& 接地装置设计方案二的示意图
8土壤电阻率较高时的处理方法
不同地区有不同的地质条件，其土壤电阻率相差很大，就是同一地方不同环境，其土壤电阻率差异也较大。对于土壤电阻率较高的地方，在设计及施工综合接地系统时，要充分地考虑采用适当的方法进行降阻处理。
（1）采用降阻剂。
（2）采用换土法。
（3）在车站结构的两侧回填土中做接地极。
（4）在接地系统的接地体上连接低电阻接地模块。
本车站工程在施工中主要采用换土的方法作为主要降阻措施，回填黏土电阻率为80欧米左右，水平接地体的换土沟为0.8m&0.6m(深&宽)，垂直接地体先挖直径为1m、深为2.5m的孔洞再回填粘土，水平接地总长为700余米，垂直接地体24个。由于所处环境地下水位较深，在施工进行到近2/3时，已完工部分的接地系统阻值仍有1.1&O（远＞0.5&O），经测算，在后续施工中若不调整施工方法、采取有效的降阻措施，将不能达到设计要求。因此在后续施工中，采用了对垂直接地体加大换土量并使用降阻剂的双重方法，对已完工而未浇注垫层砼垫层的部分接地系统进行浇注水份降低整体土壤电阻率的方法，有效地降低了阻值。施工完成后，实测车站综合接地网阻值为0.35&O（＜0.5&O），达到了设计要求。使用降阻剂的施工示意如图9～图10所示。
& & & & & & & & & &图9　敷设降阻剂施工示意图 & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 图10　应用钢模敷设降阻剂施工示意图
随着我国大中型城市轨道交通的蓬勃发展，地铁作为城区主要交通工具的作用越来越明显。作为直接影响地铁整个车站自动化程度和使用功能的综合接地工程也显得越来越重要。因此，本文介绍的综合接地工程对同类建设项目有一定的借鉴作用。
[1] GB.电气装置安装工程接地装置及验收规范[S]
[2] 陈家斌.接地技术与接地装置[M].北京：中国电力出版社，2006
[3] 王宁会.电气工程师实务手册[M].北京：机械工业出版社，2006
来源：《电工技术》2011年3月刊
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