贵阳市轨道交通1号线综合接地网优化设计方案探讨

杨旋（中铁二院工程集团有限责任公司地铁院，四川 成都 610031）

摘要  根据贵阳轨道交通1号线实际施工情况，总结出在各种不同情况下适合采用适合的方案以达到综合地网阻值小于1欧的要求。为今后在综合接地网设计方案合理优化提供理论依据。

一、 贵阳市轨道交通1号线综合地网的设置情况

由于城市轨道交通工程空间狭小、机电设备种类繁多、数目庞大、人员密集。为保证人身安全和设备的安全、可靠的运行，接地系统的稳定是十分关键的。曾经有过因接地装置问题引起的主设备损坏，从而影响了地铁运行的情况。近些年轨道交通对安全的越来越重视，接地系统的要求也越来越严格。现在我们就从贵阳市轨道交通1号线的接地装置在不同情况中的设计及实施后情况探讨一下，何种情况下的综合接地设置才是优化合理的设计。

1号线线路全长34.308km，其中地下线29.022km，高架及地面线5.286km；共设车站23座，其中地下站19座，地面站2座，高架站2座，换乘车站5座。联络线1处（设于诚信路站西北象限）。在下麦西设金阳车辆段1座，在场坝村设小河停车场1座，在诚信路站附近设控制中心1处。贵阳市地形比较复杂，1号线穿过的属山地、溶丘与洼地为主的地区，中部层状地貌明显，主要有贵阳—中曹司向斜盆地—花溪—青岩构成的多级溶丘洼地地貌。对于综合接地网来说，土壤电阻率是决定地网方案的最重要的因素。由于1号线的地质状态各异，有黄土有岩石土壤电阻率从几十至几千欧.米都有。贵阳这种多变的地形就决定了贵阳1号线的综合接地网的敷设方式、所用材料的多种多样。

1号线接地系统按综合接地系统概念进行设计。贵阳在每座车站、车场、主变电所、控制中心设置一个综合接地网，并通过沿线敷设的接地扁钢、电缆金属铠装和接触网架空地线等互相连接，使全线形成统一的、高低压兼容、强弱电合一的综合接地系统。综合接地网就是整个综合接地系统中最重要的部分，能否保证人身和设备的安全关键就在于综合接地网能否达到要求的接地电阻同时满足接触电压和跨步电压的要求。

一起来看一下综合接地网的主要构成：

1）在每座车站、车场、主变电所、控制中心各主体建筑下方分别设置一个综合接地网，供各种设备的工作接地、安全接地和防雷接地。综合接地网的接地电阻应≤0.5Ω在比较困难的地方可以适当放宽，并应满足弱电系统的接地要求（在各弱电接地端子排处的接地电阻应≤1Ω），同时应满足接触电压和跨步电压的要求。

2）综合接地网由多个垂直接地体和水平连接导体组成，设于地下车站底板下方、高架车站变电所建筑物下方、车场变电所建筑物下方、主变电所建筑物下方和控制中心建筑物下方。综合接地网通过接地引出线分别连接到强、弱电接地母排。

3）强、弱电系统的接地母排（每组不少于四根）应从综合接地网的不同点引出，且强、弱电接地母排引出点应间隔20m以上的距离，并在穿出结构底板处做好绝缘和防水处理。

二、在不同土壤情况下接地网的不同处理办法

贵阳地质情况复杂，1号线全线共23个站，有些站土壤条件较好，土壤电阻率在100Ω.m左右。有些泥质灰岩或夹泥岩，土质硬，土壤电阻率高有时可以达到600Ω.m；有些地方出现了岩石，坚硬且土壤电阻率有时可以达到1000Ω.m以上。从节约投资减小施工难度的角度考，综合地网的设计方案不能统一制定，需要针对不同情况作出调整。

根据的估算公式看来，减小综合地网的最简单办法就是增加综合地网的面积。其次就是降低土壤电阻率，减小土壤电阻率的方法有几种，根据可实施的难易顺序就是：使用降阻剂、增大接地体的有效截面和使用离子接地体。下面我们就贵阳1号线的几个典型站分析一下，几种综合地网设计方案。

（一） 增大综合地网的面积：这是做综合接地网时候最常用

的方法。一般综合地网设置在车站主体范围，当土壤条件较好时候不需要车站投影面积下全部不满综合地网。当接地计算满足要求时候，可以根据实际情况适当减小地网面积。比如车站有化粪池或者消防水池时候，可以不在这些地方布设综合地网。一般这种方法都使用在土壤电阻率不高，且土壤条件好的时候。

例如：人民广场。土电性（电阻率）统计表，该处多为中风化泥岩，土壤电阻率为159Ω.m。施工完毕后该站的测试电阻为0.98欧。

（二） 使用降阻剂

这也是在降低阻值时候我们很常用的方法。根据开挖方法的简易程度，一般放置水平接地网时候需要开挖一个梯形的工作截

面。用降阻剂将水平接地体完全包裹。为了减小操作难度，降阻剂的敷设一般在开挖坡的底部。降阻剂在使用时加水后会呈现跟水泥相似的半固体状态。所以在底部敷设会相对简单。当计算综合地网的接地电阻值满足要求时，我们一般会推荐以下敷设方式。这种方法多使用在土壤电阻率小于200Ω.m，车站面积较小，综合地网已经满铺时候。在贵阳由于大部分地方土壤电阻率偏高，单独使用降阻剂的车站不多。很多车站是与增大接地体有效面积的方法共同使用。

（三） 增大接地体的有效面积。当土壤电阻率在200-600Ω.m

时候仅仅使用降阻剂和扩大地网面积都无法达到接地电阻值小于1欧的要求。此时就要考虑增大接地体的有效面积，这就是我们通常说的换土。

接地体周围施加降阻剂后扩大了接地体的等效体积，对于一个半径为r的半球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体的面积距球心2r的半球面内，如果将r至2r的土壤电阻值降低，就可以使接地电阻大大减小。

如图所示的一个半球形接地体，原土壤电阻率为ρ₂，将r至r₁范围内的电阻率为ρ₂的土壤用低电阻率的材料ρ₁置换，则半球接地体的接地电阻为

故接地电阻减小的百分数为

由此可以看出，用低电阻率的置换半球附近高电阻率的土壤，由于几何尺寸的增加减小了土壤电阻率，用低电阻率的材料将半球半径增大一倍，接地电阻将减小50%。

使用降阻剂和增加有效接地面积在贵阳多是同时使用。例如：蛮坡站。蛮坡站的平均土壤电阻率为588Ω.m。在这个站的综合接地网以上三种方法都使用了。蛮坡站的地网不仅在主体全部敷设，在一些可以使用的附属结构下面也敷设了综合地网。在敷设水平接地体时候使用了降阻剂，且在改变了开挖方式，使敷设水平接地体的周围有一个直径达到1200mm的球半体空间。在土壤的填充区需要用土壤电阻率不大于30Ω.m的素土或粘土回填。蛮坡站施工完毕后的测试电阻值为0.82欧。

（四）使用特殊的接地体

根据综合接地网的构成，除了水平接地体外还有垂直接地体。通常在理论计算时候如果水平接地网已经达到了阻值要求，垂直接地体的接地值以及整个地网的阻值就不用在计算了。但是当地质条件十分不好，比如地网所在的位置处于坚硬的岩层，只采用更换回填土或者以上三种方法都不能满足要求，又或者可以用换土的方法达到减小阻值的情况，但是增大填土面积需要在岩石上开凿，导致工程投资增大工期延长时，我们可以考虑采用一些新型的离子接地体。先计算出水平接地体的电阻，然后单根垂直接地极的电阻，根据要求整个综合接地网的阻值不能小于1欧返过来推算垂直接地极需要多少根才能满足要求。从另一个角度来讲，增加垂直接地极的数量也能降低接地电阻。

1）水平接地极的接地电阻

Rv：水平接地极接地电阻值；L：水平接地极的总长度；D: 水平接地极的直径或等效直径；K：降阻剂系数；ρ：土壤电阻率；A:水平接地极的形状系数

2）垂直接地极组接地电阻

①先计算单根接地极的接地电阻：

Rv: 单根深井离子接地极的接地电阻: Ω；ρ:土壤电阻率；L：

接地极的长度；d：接地极的等效直径；k：接地极对土壤的调节系数。

②需要接地极的数目：

Ri：地网总接地电阻；n：接地极的数目；Rvi：单根接地极的接地电阻；Rh：水平接地网接地电阻；ηi：接地极间相互影响的利用系数

3）地网总接地电阻

Ri：接地网总接地电阻；n：接地极的数目；Rvi：单根接地极的接地电阻；Rh：水平接地网的接地电阻；ηi：接地极间相互影响的利用系数

垂直接地极的材质很多，其中比较经济耐久的是镀铜钢棒，这是采用电镀的方法在钢棒外加镀一层铜以达到更好的防腐蚀及导电的效果。由于钢比铜的价格低，所以镀铜钢棒的价格较纯铜便宜，且硬度也较铜棒更好。目前地铁综合地网采用最多的就是这种接地极。

但是当遇到土壤电阻率大于600Ω.m时，需要考虑采用离子型的垂直接地极。贵阳在此种情况下采用的是专用离子接地体。其基本原理是利用电极单元内的复合填料进行吸水保水的特性保持周围土壤的的含水量，同时向周围释放电解离子，增大周围土壤中的离子浓度，进一步降低土壤电阻率。此种离子接地体的缺点是它需要释放离子液。使用寿命可能达不到100年。所以贵阳在使用这种离子接地体时候没有全部采用此种离子接地体，而是与纯铜垂直接地体交替使用。

例如：白云行政中心站，该站整个综合接地网仅有3980平方米。没有地方再增加地网面积，根据地勘资料显示该站处多为岩石，土壤电阻率为1120.48Ω.m。本站采用了所有的降阻方法。为保证整个地网满足条件，一共使用了24个纯铜接地极和24个离子接地极。

贵阳一号线现在已开通一年多时间，各方面运营正常。综合接地网的稳定可靠也为此出了一份力。

三、结语

综合接地系统的核心是综合接地网的可靠稳定。综合接地网的核心就是用最经济适用的方法满足接地电阻及接触电压跨步电压的要求。

降低电阻的方案也不是固定不变的，各个地方也会因为地质、环境等因素改变，所采取的办法因地方不同经济效果也不尽相同。就拿贵阳跟成都比较。贵阳市范围内很难找到素土或者粘土，所以换土较使用降阻剂来说并不是一个经济的办法。所以如果土壤电阻率不算高时一般会先考虑使用降阻剂，在考虑采用换土的办法。然而成都土地肥沃，主城区以外甚至就在每个站开挖的较浅处就是黑色的粘土。这种土除了肥沃之外，土壤电阻率也是极低的。所以在成都条件好的时候一般会先考虑换土，然后再使用降阻剂。

我们的设计工作很多会因个人的不同有很多种处理方法。也许每个方法都对，但是哪一种才是最好的方案是我们值得深思的问题。精益求精，经得住推敲的设计才是完美的设计。

参考文献

【1】 GB T50065—2011交流电气装置的接地

【2】 GB 50157-2013 地铁设计规范

【3】 实用电力接地技术  李景禄 胡毅 刘春生著

【4】 贵阳1号线综合接地施工图设计