城市轨道交通接地的设计

□ 杭州铁路设计院有限责任公司 蔡永明

摘要：城市轨道交通由于采用直流牵引，为防止杂散电流的危害，接地系统十分复杂，其做法与一般工程有所区别。但终其目的及作用，仍是提供功能性接地、保护性接地。

关键词：轨道交通；接地；杂散电流

引 言

轨道交通已为城市重要的基础交通设施之一，解决了城市高密集人群的交通出行问题。轨道交通系统繁杂，设备多样，合理的接地形式是设备运行稳定及人身安全的基本保障。一般工程采用综合接地、等电位联结被大家所认同。但由于轨道交通多采用直流牵引工作制式，所形成的杂散电流需要加以限制，引起接地系统需要一些特殊处理措施。本文拟从相关规范和接地基本要求出发，浅谈在轨道交通工程中对接地的设计。

1.接地的概念及作用

1.1接地概念

如何接地是说明系统、设备与地的相对关系，而“地”不仅仅指大地，它还指能提供相对“零”电位的任何导体，如飞机、轮船的壳体。在轨道交通工程中，“地”也有多个概念，有大地、结构地、牵引系统地等，其中，牵引系统地一般指作为回流导体的钢轨，它要求与结构地、大地尽量保持绝缘，以限制流入地中的杂散电流。因地下结构体防水层采用具有一定绝缘作用的材料，与大地有一定隔离，理论上也是防止杂散电流外逸的措施，但对地铁的各系统接地造成一定困惑，应以那个“地”为基准。一般工程中，结构地作为自然接地极优先使用，不满足要求时，再在大地中埋入接地极作为人工接地装置，两者相联结，作为综合接地装置，这是常见做法。但在地铁中为防止杂散电流和独立测试需要，人工接地与结构地在地下不直接连接，人工接地采用与结构体绝缘引上的方式，在适当位置设置多组接地母排，分别用于强电、弱电、装置外导电部分接地之用等。考虑人身安全，除直流设备外，一般需要把结构体配筋与设备接地进行等电位联接。

1.2接地作用

接地的作用主要是防止人身遭受电击、保障电气系统正常运行、设备和线路遭受损坏、防止雷击、防止静电损害。

1.2.1防止人身遭受电击

将电气设备正常运行时不带电金属外壳部分与接地极之间作良好的金属连接，以保护人体的安全，防止人身遭受电击。若设备不接地，由于绝缘损坏外壳带电，电流流经人体，通过大地，经接地中性点或线路与地间容抗构成回路，使人体遭受电击伤害。若设备接地，即使外壳带电，人体接触后，与设备接地线形成并联，由于接地线远小于人体电阻，电流几乎全部经接地线流走，人体遭受电击伤害程度大大降低。

1.2.2保障电气系统正常运行

中性点直接接地系统，中性点可稳定接近地电位。在发生接地故障时，非故障相接近于相电压，有利于系统的稳定运行，防止系统振荡，且系统中的电气设备和线路只需按相电压来考虑其绝缘水平，可降低电气设备的制造成本和线路的建设费用。中性点接地的系统，还可以保证继电保护的可靠动作。在中压系统中，为提高供电可靠性，常采用不接地系统或经电阻、阻抗等形式的接地系统，非故障相电压有所提高，设备绝缘需按此工况考虑。

电子设备为了稳定电位、需要稳定的参考点，同时为防止干扰而设置接地。

1.2.3防止雷击

是针对防雷保护的需要而设置的接地。例如避雷针（线）、避雷器的接地，目的是使雷电流顺利导入大地，以利于降低雷电过电压。

1.2.4其它

接地还有防止静电干扰、防止电磁干扰、检修作业安全、检测接地故障、等电位联结等多种作用

2.接地的分类

接地按其作用一般分为功能性接地和保护性接地。功能性接地是使系统取得地电位作为参考电位，保证系统的正常安全运行。如工作性接地、电信号接地等。保护性接地是以人身和设备安全为目的，如保护接地、防过电压、防静电接地等。但在轨道交通项目中按照系统分类的方法，对施工和管理应该更加有利，可分为交流系统接地、直流牵引供电系统接地、防雷及过电压接地、弱电系统接地等。

2.1交流系统接地

交流系统包含中压系统和低压动力照明系统，接地的内容主要为工作接地和保护接地。中压系统的工作接地按照中压电缆网络的容性电流大小，选择低电阻接地、消弧线圈接地、不接地等方式。低压系统工作接地一般为TN-S型中性点直接接地系统。

交流系统设备的保护接地是电气装置外壳与就近的接地母排或端子直接相连。为了保证人身安全，在设备所在区域应有等电位联结措施，等电位联结范围包括电气装置外露可导电部分、装置外导电部分、结构物金属配筋、低压系统的PE线。等电位虽是局部的联结，但所联接的管线、配筋、PE线确是整体联通的，这与限制杂散电流的措施，不同系统尽量有隔离绝缘的基本思路产生了矛盾。但却符合当杂散电流腐蚀防护与安全接地有矛盾时应以安全接地为主的理念［2］。

2.2直流系统接地

轨道交通直流系统的设备主要有牵引整流器、直流开关设备、上网开关设备、钢轨限位装置、接触网、回流轨等。系统、设备与地关系同样包含2方面的内容，一个是系统与地的关系，另一是设备外壳与地的关系。两部分若与地有电气连接，都会造成直流电流直接入地，对地下金属物产生电化学腐蚀性危害，是我们所不希望的。因此，直流采用不接地系统，直流设备采用绝缘安装。若发生系统短接外壳故障，采用直流框架泄露保护装置，断开相关直流电源，起到安全保护的作用。

作为回流导体的钢轨，在直流电流增大的情况下，钢轨电位会提高至危险电位。车体电位也会提高，上、下车处会有跨步电压。消除这类危害，一是采用钢轨电位限制装置，进行检测和临时接地；另一是站台门与车站主体绝缘安装，并在站台距边沿大于0.9m范围敷设绝缘垫。

3.接地的做法

不同的系统对接地有不同要求，多种系统集合在一个区域时，不可能每一系统单独各做接地，仅能采用综合接地的方式，满足各系统要求，并能在同一“电位”上，避免相互的干扰。要满足接触电压和跨步电压，需实施等电位的措施，保证人身安全。直流系统不接地，需要尽量与地之间增大绝缘电阻，增大结构体纵向阻值，都是减少杂散电流的基本思路。这样看综合接地、等电位的观点与限制杂散电流的措施相互间不一致，在工程中如何处理，应以解决主要问题为主。

3.1综合接地

每一车站结构层下部设独立人工接地装置，分多组引上，并与结构层绝缘，分别用于强电接地母排、弱电接地母排、装置外导电装置接地母排等，区间设电缆支架接地线，将相邻车站接地连为一体。强电母排设在牵引所或变电所，供高低压电气设备接引，所内结构配筋也应接入，形成局部等电位。弱电母排设在车站运营控制区，车控、信号、通信、环控设备接地与该母排联结。

人工接地引上线与结构层绝缘，大概有两种考虑，一是减少杂散电流向车站外逸出；另一是考虑结构体、人工接地装置可独立测试接地电阻［1］，这也是规范的要求。

3.2直流设备与地

直流系统不接地，负极与钢轨连接，作为回流线路，钢轨与道床轨枕间设绝缘垫、绝缘扣件，道床结构配筋与主体结构配筋不得接触。道床配筋作为排流收集网，也与接地不可有电气相连。主体结构盾构段管片之间电气隔离，增大结构体纵向电阻。

牵引整流器、直流开关设备，包括直流进线柜、直流馈线柜、负母线柜、钢轨电位限制装置，安装于牵引变电所内，其外露可导电部分不与地电气连接。直流框架泄露保护装置安装在设备外壳连接线与地之间。这点与地的连接只是装置检测的需要，不形成接地通路。

直流系统虽然采取了多种绝缘措施，但由于回流轨线路长，环境湿度大，与结构地之间存在过渡电阻，结构体与大地之间阻值也是较低，人工接地与结构地之间直接连为一体或直接利用结构体自然接地装置作为综合接地装置，是现阶段讨论的热点。

4.结语

接地是系统运行的稳定，人身安全的保证，是工程中一项非常重要的内容，轨道交通兼顾限制杂散电流的需要，接地与一般工程相比多了些特殊处理措施，大大增加工程的复杂性。采用四轨滑触方案是限制杂散电流好的方式，也从根本解决了屏蔽门接地、钢轨电位限制等问题。轨道交通工程接地还需从安全、经济、施工、维护管理等方面统筹考虑，深入研究，寻求适合的解决途径。

浙江省轨道交通建设与管理协会