再谈地铁接地问题
黄德胜
(北京城建设计研究总院 100037)
【摘 要】作者提出一个与目前习惯做法不同的接地方案，并说明提出这一方案的理论根据—国家、地方和行业标准;实践根据—现场实验、测试结果。明确提出利用地下结构钢筋作为自然接地体，它的接地电阻在0.5Ω以下,完全符合电气设备的接地要求。地下结构钢筋是一个等电位法拉第笼，是地铁这个电磁环境中一切设备的地。
【关键词】自然接地体 等电位 法拉第笼 接地电流 崩溃电压
1.概述
关于电气设备的接地, 地面工程有一套完整的规程、规范和规定，本文不做论述。关于地铁接地问题，虽有其特殊性，但更具有普遍性。作者曾发表过两篇文章[1][2] ，对地铁接地电阻的测试方法、接地实验线路、测试数据的来源等做了详细说明，本文亦不再重复。主要是根据相关结论[1] , 直接提出一个新的接地方案, 希望能引起业内专业人士的关注，就算抛砖引玉吧。关于地铁接地问题，并非哪个设计者、哪个设计单位的事情，而是全行业共同存在的问题。这个问题就是：地下结构钢筋能不能作为自然接地装置？作者根据现行技术规范的要求和自身的工程实践，提出了一个新的接地方案，这个方案并不是根据计算，也不是根据理论分析，只是根据工程实践和现场测试，提出来供读者参考和验证。这里所说的验证，只能是实践、现场测试，不是坐而论道式的空谈。“实践是检验真理的唯一标准”，不仅适用于社会科学，自然科学也完全适用。
目前，地铁的地下变电所，无一例外地采用“外引式接地极，绝缘引入，接地装置与结构钢筋绝缘处理。”作者对40年前的北京地铁的第一组接地极就是如此处理的，直到今天，仍是这种做法，无人提出质疑。作者试图自己否定自己，提出一个新的接地方案，供读者参考。
２．确定地铁接地方案构成的理论根据：
（1）根据《地铁设计规范》GB50157[3]
14.7.5条的规定：“变电所接地宜利用自然接地体作为接地装置”和14.7.13条的规定:“当杂散电流腐蚀防护与接地有矛盾时，应以接地安全为主”的两项规定；
（2）根据《城市轨道交通设计规范》DGJ08-109-2004[4]
16.2.5条的规定：“变电所的接地装置，应利用自然接地体”的规定；
（3）根据《交流电气装置的接地》DL/T 621-1997[5]
3.1条的规定：“接地装置应充分利用自然接地极”的规定。
以上三个标准中, 对利用地下结构钢筋做自然接地体, (1)是“宜”(国家标准)、(2)是“应”(地方标准)、(3)是“充分”(行业标准),看来利用地下结构钢筋作自然接地体的理论根据是充分的,应用规范是合适的。根据上述三个规程规定，确定地铁接地方案时，完全可以利用地下结构钢筋作为自然接地体。
３．确定地铁接地方案的实践根据
40年前北京地铁第一组接地极为什么是“外引接地、绝缘引入”而不利用地下结构钢筋做自然接地体，当初也曾经研究、讨论，甚至争论，争论的结果，由两个问题无人能解释清楚：
●利用地下结构钢筋作自然接地体，接地电阻是多少？无人能预知。当初认为地下结构外的防水层，所谓“三毡四油”，对大地是绝缘的，其接地电阻会很大。
●当时地铁交流低压系统是三相四线制接零系统，钢筋兼作地线，有零序电流存在，对测试钢筋中的杂散电流有什么影响,谁也无法说得清。
现在这两个理由都不存在了，地下结构虽然经防水处理，其接地电阻却很小，在0.5Ω以下[１] ，符合电气设备接地的要求;因为地铁交流低压系统采用三相四线制TN-S系统，有专用地线（ＰＥ线）和中性线，钢筋中不存在零序电流，故对测试杂散电流没有影响。
(1) 作者曾于1979年在北京地铁一线和环线做过接地实验和现场测试[1] ，得出的结论是：
①变电所内部接地网（设备基础槽钢）与地下结构钢筋并不绝缘，而是电气联接在一起，尽管在设计中要求设备基础槽钢进行绝缘处理，但效果并不明显；
②变电所地下结构钢筋的接地电阻均在0.5Ω以下, 而且很稳定；
③外引接地极的接地电阻均在1Ω以上（当时按小接地电流系统设计，要求接地电阻小于４Ω），对变电所接地电阻的大小已不起作用；
④外引接地极可以取消，利用结构钢筋作自然接地极完全符合规程要求；
⑤ 地下结构钢筋已人为接地，外引接地极不仅无益，反而有害，因为提供了一个地铁杂散电流向外扩散的通路。
推论：
●轨道电位限制器所接的“地”就是地下结构的钢筋;
●走行轨对“地”的电位就是对地下结构钢筋的电位。
(2) 北京地铁对已运行的一线和环线的全部变电所的接地电阻测试结果,接地电阻均在0.5Ω以下[2] ，事隔二十年,由不同的单位、不同的测试人员、用不同的设备,所测结果完全相同,这一数据是可信的。
⑶在现实工程中,外引接地极绝缘引入，变电所接地装置与结构钢筋绝缘处理几乎做不到。这样一个庞大的工程，所有电气设备都有基础槽钢、都需要接地，地线都接至变电所的内部接地网，而这个接地网又处于一个深埋地下的巨大的等电位法拉第笼中，无法保证变电所接地装置与地下钢筋绝缘。
４．接地电流与崩溃电压
⑴ 接地电流
关于接地电流，地下和地面牵引变电所是不同的，地下牵引变电所直流正极接地电流的大小，并不受接地电阻的制约；而地面牵引变电所直流正极接地电流的大小受接地电阻的制约。
①地下牵引变电所直流正极接地时，其接地电流不受接地电阻制约
地下牵引变电所的直流正极直接接地时，其电流的大小和变电所的接地电阻的大小没有关系；和走行轨对“地”（结构钢筋）的过渡电阻也没有关系，近于牵引变电所的正负极出口短路，其接地短路电流很大，足以使变电所的直流馈线开关跳闸。接地短路电流并不是通过接地极流向走行轨（负极），通过外引接地极的电流只占总接地电流的1.3%-3.3%[1]，可以忽略不计，而绝大部分接地短路电流是通过结构钢筋直接流向走行轨的。
②地面牵引变电所直流正极接地时其接地电流由接地电阻制约
地面牵引变电所的直流正极直接接地，其接地电流的大小完全由变电所的接地电阻值决定，这一结论在地面的接地规程中不难找到根据。其接地电流回路从变电所接地网通过大地到走行轨，然后流回到变电所的负极。这一电流的大小完全由变电所的接地电阻和走行轨对地的过渡电阻的大小来决定。
⑵崩溃电压
在走行轨对结构钢筋间，存在一个过渡电阻，这个过渡电阻为0.3Ω[1],这个过渡电阻在低电压时是稳定的，但当电压高时，0.3Ω的过渡电阻变成一个非常小的数值，至使接地短路电流很大, 相当于变电所出口短路。当走行轨对结构钢筋间电压为825V时，如果过渡电阻０.3Ω还存在, 那么接地短路电流应为2750A,而实际上, 接地短路电流在10000A以上[1], 足以使直流快速开关大电流整定跳闸。这就说明，在走行轨和结构钢筋之间存在一个崩溃电压，达到这个电压值时，两者之间的过渡电阻0.3Ω就不存在了, 使过渡电阻急剧降低的电压,即是走行轨和“地”(结构钢筋)间的崩溃电压。在崩溃电压下，过渡电阻突然非线性降低，而当崩溃电压消失后，过渡电阻仍然恢复。
5. 地铁综合接地系统的构成
（1）地下变电所接地装置利用结构钢筋作为自然接地体，因地下车站结构钢筋按杂散电流防护的要求，其横向主筋和纵向辅筋进行焊接，形成一个50000m3的等电位法拉第笼，这个等电位法拉第笼深埋于地面10m以下，这就是地铁的地，是地铁这个电磁环境中一切电气设备的地，它的接地电阻小于0.5Ω，无需另设接地装置。
（2）地下车站结构钢筋形成一个等电位体，是所有电气设备的综合接地装置，在变电所设综合接地母排。
（3）地上变电所单独设接地装置，其接地电阻小于0.5Ω，是所有电气设备的综合接地装置，设综合接地母排。
（4）各地下车站变电所接地网通过接地扁钢连接，形成一个地下综合接地系统。
（5）各地上变电所接地网通过接地扁钢连接，形成一个地上综合接地系统。
（6）地上、地下综合接地系统不进行电气联接，见图01。
这个地铁接地系统的构成方式与目前国内通行的作法有差异，其根本差异就在于是否把地铁结构钢筋作为自然接地装置。
6.地铁接地方案的验证方法
本文的接地方案是否成立、是否可行？地下结构钢筋的接地电阻是否小于0.5Ω?外引接地极是否无用?要验证这些, 在40年前是无法办到的，现在就变得非常容易，因为我们国家已投入运营的地铁线路有北京、上海、广州、南京、深圳等多条线路，验证的方法很简单，就是实践，在现已运行的地下变电所，在接地母排处将外引接地极拆开，就测量接地母排的接地电阻是否小于0.5Ω?问题就而迎刃而解。切忌以设计图纸作依据进行理论分析、作文章，那样会钻进死胡同而不能自拔。
提出这一方案的实践根据就是已运行三十多年的北京地铁一号线和二号线（40km）, 尽管施工按设计要求“外引接地、绝缘引入”, 但实际结果却是把地下结构钢筋作为自然接地体, 外引接地极反而不起作用了, 北京地铁一号线、二号线就是如此。
既然外引接地极无用而仍继续打下去, 从设计到施工再到运营,大家为此而付出了财力和艰辛的劳动, 接地极越打越高级，材质从角钢到铜管、有的甚至还要求换土、使用降阻剂，这些真的有用吗？如不起作用，岂不是劳而无功、劳民伤财。取消地铁的外引接地体，不仅可以节省大量铜材，还可以减化施工程序，无疑对地铁的建设和运营是非常有利的。
７．杂散电流参考地极
结构钢筋是地铁的地，杂散电流测防用的参考地电位如何办？这很简单，杂散电流要求参考接地极仍然是“绝缘引入、绝缘安装”，因为是单地极、一根线，绝缘引入后用绝缘子固定安装，可以保证是真正地铁以外的大地电位。
参考文献
[1]《地铁与轻轨》 1998—２ “关于地铁接地问题探讨” 黄德胜
[2]《地铁第十四届学术交流会论文集》 中国科学技术出版社2002年 北京
“地铁接地问题研究” 黄德胜
[3]《地铁设计规范》 GB50157—2003 中国计划出版社
[4]《城市轨道交通设计规范》 DGJ08—109—2004 上海市工程建设规范
[5]《交流电气装置的接地》 DL/T621—1997 电力工业部 发布
New Solution for Grounding in Metro Project
Desheng Huang
Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co., Ltd 100037
【Abstract】The writer proposes a new grounding scheme, which is different from the common method, and make a description about two foundations of the scheme. One is the theory foundation, including National standard, Local standard and Industrial standard. The other one is practice foundation, including field test and testing result. And this paper definitely proposed that use the subway structure reinforcing steel bar as nature earth conductor, because the ground-resistance of the structure reinforcing steel bar less than or equal to 0.5 Ω,which can satisfy the earth requirment of electrical equipment. The subway structure reinforcing steel bar can be seen as a Faraday's cage, and it also is earth conductor of all equipment that installed in the metro electromagnetism environment.
【Key words】 nature grounding conductor, equipotenTIAl, Faraday's cage, earthing current, breakdown voltage
