高速铁路综合接地系统的接地阻抗范文

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《高电压技术杂志》2015年第十一期

摘要：

高速铁路综合接地系统(HRIGS)是高速铁路运行安全的重要保证，研究HRIGS接地阻抗和散流特性对于准确理解HRIGS作用机制及测量方法具有重要意义。为此，采用CDEGS数值仿真软件，建立了HRIGS贯通地线计算模型，得到了HRIGS接地阻抗与土壤电阻率、贯通地线的半径、埋深、宽度等的关系。提出了HRIGS作用范围、散流长度和接地阻抗有效测量长度的概念，并计算得到了不同土壤电阻率下这3个参数的定量数值。结果表明，随着土壤电阻率的增大，HRIGS的作用范围、散流长度和接地阻抗有效测量长度也逐渐增大。在综合接地系统作用范围内，离钢轨最远的垂直距离与土壤电阻率近似呈幂函数关系，当土壤电阻率为100Ω•m时，HRIGS散流长度约为4km，接地阻抗测量有效长度约为2km；而土壤电阻率为5000Ω•m时，HRIGS散流长度达30km，接地阻抗有效测量长度约为10km，HRIGS接地阻抗有效测量长度明显小于散流长度。

关键词：

高速铁路；综合接地系统；接地阻抗；作用范围；散流长度；有效测量长度

高速铁路列车因载客量高、运行速度快、安全性高、舒适方便、能耗低等优点而得到快速发展。高速铁路行车密度高，牵引电流大，短路电流大，钢轨泄漏电阻大，钢轨电位比普速电气化铁路高[1-3]。电气化区段内，通信、信号、电力牵引网、电力系统等若仍沿用传统的分别接地方式，则系统内设备间电位差、人身和设备安全等问题难以解决[4-5]。

为减少强弱电系统各专业接地系统间电位差及电磁干扰，我国高速铁路采用综合接地系统，通过沿线两侧敷设贯通地线将铁路沿线牵引供电回流系统、电力供电系统、通信信号系统、建筑物、道床、站台、桥梁、隧道、声屏障及其他电气电子信息系统等需要接地的装置连成一体[6-8]，将强电和弱电、牵引和供电、信号和通信、防雷接地和保护接地等联系在一起，形成世界上最大规模的长距离水平伸长联合接地系统。

目前有关接地体接地性能的研究主要集中在电力系统接地方面[9-12]。高速铁路综合接地系统是一种纵向贯通型大规模水平接地系统，不同于发电厂、变电站接地网，也不同于输电线路杆塔、避雷针等小型接地体，入地电流产生的电流场分布和电位分布与半球形接地极散流差异很大。西南交通大学吴广宁教授课题组对铁路贯通地线瞬态电位分布和土壤散流[13]、雷击接触网引起高速列车车体过电压及牵引供电系统的雷电防护[14-17]、高速铁路接触网引雷特性[18]、直供方式下的牵引电流分配[19]、高速铁路综合接地系统与弱电系统耦合模型[20]、车组车顶复合绝缘子内部间隙电场畸变影响因素[21]、电气化铁路绝缘子表面积污分布及优化策略[22-23]以及雾雨环境中列车车顶电场[24]等开展了大量研究。王顺超、沈海滨、谷山强等学者分别对高速铁路桥面10kV电缆雷击过电压、接触网悬式复合绝缘子防雷应用特性以及牵引网雷害风险评估方法展开了研究[25-27]，对于保障高速铁路电气安全意义重大。

铁路综合接地系统长度达到数百至上千km，受到沿线导体阻抗和土壤散流作用影响，铁路综合接地系统中的电流总是集中在电流注入点附近区域。注入电流分为2部分，一部分电流经过导体流向远方或进一步散流，另一部分电流流入大地。进行接地阻抗的测量及布线需要了解接地体尺寸和散流范围、以及多长区段进行一次接地阻抗测量[28]。目前国内外对这些问题的研究相对较少。本文采用CDEGS软件，基于矩量法[29-30]对铁路综合接地系统的接地阻抗特性及散流特性进行了数值计算，提出了铁路综合接地系统作用范围、散流长度、接地阻抗有效测量长度等概念，得到了铁路综合接地系统特性定量数值和规律。

1高速铁路综合接地系统接地阻抗

定义高速铁路综合接地系统工频接地阻抗为电流注入点的工频地电位升与注入工频电流的幅值之比。在CDEGS软件中建立高速铁路综合接地系统贯通地线计算模型。依据高速铁路铁路工程建设通用图，路基及导体按照实际设计尺寸建模。计算模型长度为100km，2条贯通地线每间隔500m横向连接一次，横向连接线规格、埋设深度与贯通地线一致，如图1所示，计算参数取值见表1。贯通地线半径取为4.7mm，材料为裸铜绞线，路基段埋设深度取为0.7m，间距为24m。当土壤电阻率在100~5000Ω•m之间变化时，不同土壤电阻率下高速铁路综合接地系统接地阻抗参数计算结果见表2和图2，用幂函数拟合接地阻抗yr与土壤电阻率xr的关系。随着土壤电阻率的增大，铁路综合接地系统接地阻抗、接地电阻和接地电抗不断增大，但阻抗角变化不大。当土壤电阻率在100~3000Ω•m之间变化时，接地阻抗从0.158Ω增大到0.999Ω；当土壤电阻率≤3000Ω•m时，接地阻抗≤1Ω。电阻分量约占阻抗分量的80%，电抗分量约占阻抗分量的60%，电抗分量所占比例不能忽略。牵引供电电流或短路故障电流流过铁路综合接地系统时，引起的地电位升是高速铁路综合接地系统接地阻抗与经高速铁路综合接地系统流入大地的电流的函数。高速铁路综合接地系统应测量接地阻抗，而不是接地电阻。选取高速铁路综合接地系统贯通地线单一参数作为变量，如贯通地线半径、埋深或宽度，计算得到接地阻抗和贯通地线半径、埋深和2条贯通地线间距之间的关系，分别如图3、图4和图5所示。从图3−4可以看出：1）接地阻抗随着贯通地线半径的增大而逐渐减小。当贯通地线半径<3mm时，接地系统接地阻抗随着半径的增大而迅速减小。当综合贯通地线的半径>4mm时，高速铁路综合接地系统接地阻抗几乎不随半径的增大而变化。2）接地阻抗几乎不随贯通地线埋深的增大而变化，与2条贯通地线间距关系较小。

2高速铁路综合接地系统作用范围

定义高速铁路综合接地系统的作用范围为：垂直于贯穿地线方向上的地电位升为10%电流注入点地电位升的地表观测点所围成的区域。它与电流极、电压极布置及测量误差密切相关。取图1中的电流注入点(注入电流1A)作为坐标原点，贯通地线为x轴(水平方向)，过原点与贯通地线垂直方向为y轴。不同土壤电阻率下高速铁路综合接地系统的地电位升高及作用范围如图6、7所示。不同土壤电阻率下，接地系统作用范围垂直方向上的最远点距离与土壤电阻率的关系如图8所示。从图6−图8可以看出：1）随着土壤电阻率的增大，高速铁路综合接地系统引起的地表电位升越来越大。同一土壤电阻率下，随着观测点与同侧贯通地线距离的增大，高速铁路综合接地系统引起的地表电位升逐渐减小，靠近高速铁路综合接地系统侧地表电位升变化快。2）与高速铁路综合接地系统距离越远，地表电位升变化越小，但并没有出现明显的水平段。同一土壤电阻率下，为了使相同布线长度的电流极对高速铁路综合接地系统流散电流产生的电流场畸变最小，电流极应布置在电流注入点的贯通地线垂线上。以等电位升曲线以内的部分表示高速铁路综合接地系统作用范围。随土壤电阻率的增大，接地系统作用范围增大。当土壤电阻率为100Ω•m时，高速铁路综合接地系统作用范围垂直方向上的最远点距离≤900m；当土壤电阻率为5000Ω•m时，则可达4478m。

3高速铁路综合接地系统散流特性

综合接地系统流散到大地中的电流离电流注入点越远，经综合接地系统散流到大地中的电流就越小。定义贯通地线方向上的地电位升为10%电流注入点地电位升的地表观测点组成的区域在高速铁路段的长度为接地系统散流长度。贯通地线线电流密度分布计算模型如图9所示，以电流注入点两侧各1.5km的贯通地线作为研究对象，计算得到不同土壤电阻率下接地系统线电流密度沿贯通地线分布和散流比例，分别见图10和图11。不同均匀土壤电阻率下高速铁路综合接地系统散流长度见表3。

电流注入点的地电位升是接地系统各段单位长度在电流注入点产生电位的叠加。离电流注入点一定距离处，各单位长度综合接地系统在电流注入点产生的地电位升之和与这段长度内的接地系统在电流注入点产生的地电位升之和相比，可以忽略不计。这时虽然仍有电流经过这个长度后的接地系统散流到大地中，但对计算或测量得到的接地阻抗的影响很小。定义这个区段的长度为高速铁路综合接地系统接地阻抗有效测量长度。不同土壤电阻率下铁路综合接地系统有效测量长度见表4。不同土壤电阻率下高速有效测量长度与接地阻抗的关系曲线如图12所示。从表4、图12可以看出：1）相同土壤电阻率下，贯通地线的线电流密度在电流注入点附近最大，从电流注入点向两侧逐渐减小。在贯通地线横连处，由于导体散流的屏蔽作用，使得横连节点附近贯通地线的线电流密度变小，曲线在横连节点附近产生凹陷。2）随着土壤电阻率的增大，贯通地线的线电流密度逐渐减小，电流注入点两侧相同距离处的贯通地线散流比例也逐渐减小。100Ω•m时1.5km段可散流47.5%，而3000Ω•m时1.5km段的散流只有14.5%。说明随着土壤电阻率的增大，流入高速铁路综合接地系统的电流将会经过更长区段流散到大地中。3）随着土壤电阻率的增大，接地系统的散流长度也逐渐增大。土壤电阻率为100Ω•m时，接地系统散流长度约4km；土壤电阻率为5000Ω•m时达30km。4）随着土壤电阻率的增大，接地系统的有效测量长度也逐渐增大。当土壤电阻率为100Ω•m时，接地系统接地阻抗有效测量长度约2km；当土壤电阻率为5000Ω•m时，接地系统接地阻抗有效测量长度达10km。5）接地阻抗有效测量长度小于电流流散到大地中经过的高速铁路综合接地系统散流长度，说明接地系统远端对降低接地阻抗的作用减小。

4结论

1）随着土壤电阻率的增大，高速铁路综合接地系统接地阻抗与土壤电阻率呈近似幂函数关系，电抗分量占接地阻抗的比例不能忽略，综合接地系统应测量接地阻抗。土壤电阻率≤3000Ω•m时，接地阻抗<1Ω。2）随着土壤电阻率的增大，高速铁路综合接地系统的作用范围逐渐增大。高速铁路综合接地系统作用范围垂直方向上的最远点距离与土壤电阻率呈近似幂函数关系。3）随着土壤电阻率的增大，高速铁路综合接地系统的散流长度也逐渐增大。当土壤电阻率为100Ω•m时，高速铁路综合接地系统散流长度约为4km，5000Ω•m时达30km。4）随着土壤电阻率的增大，高速铁路综合接地系统接地阻抗有效测量长度逐渐增大。土壤电阻率为100Ω•m时高速铁路综合接地系统接地阻抗有效测量长度约为2km，5000Ω•m时达10km。接地阻抗有效测量长度小于散流长度。

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作者：王建国 樊亚东 张义 周蜜 孙建明 戚广枫 单位：武汉大学电气工程学院 中铁第四勘察设计院集团公司