再談地鐵接地問題
黃德勝
(北京城建設(shè)計研究總院 100037)

【摘 要】作者提出一個與目前習(xí)慣做法不同的接地方案，并說明提出這一方案的理論根據(jù)—國家、地方和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);實踐根據(jù)—現(xiàn)場實驗、測試結(jié)果。明確提出利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，它的接地電阻在0.5Ω以下,完全符合電氣設(shè)備的接地要求。地下結(jié)構(gòu)鋼筋是一個等電位法拉第籠，是地鐵這個電磁環(huán)境中一切設(shè)備的地。
【關(guān)鍵詞】自然接地體　等電位　法拉第籠　　接地電流　　崩潰電壓

1.概述
關(guān)于電氣設(shè)備的接地, 地面工程有一套完整的規(guī)程、規(guī)范和規(guī)定，本文不做論述。關(guān)于地鐵接地問題，雖有其特殊性，但更具有普遍性。作者曾發(fā)表過兩篇文章[1][2] ，對地鐵接地電阻的測試方法、接地實驗線路、測試數(shù)據(jù)的來源等做了詳細(xì)說明，本文亦不再重復(fù)。主要是根據(jù)相關(guān)結(jié)論[1] , 直接提出一個新的接地方案, 希望能引起業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的關(guān)注，就算拋磚引玉吧。關(guān)于地鐵接地問題，并非哪個設(shè)計者、哪個設(shè)計單位的事情，而是全行業(yè)共同存在的問題。這個問題就是：地下結(jié)構(gòu)鋼筋能不能作為自然接地裝置？作者根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的要求和自身的工程實踐，提出了一個新的接地方案，這個方案并不是根據(jù)計算，也不是根據(jù)理論分析，只是根據(jù)工程實踐和現(xiàn)場測試，提出來供讀者參考和驗證。這里所說的驗證，只能是實踐、現(xiàn)場測試，不是坐而論道式的空談。“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，不僅適用于社會科學(xué)，自然科學(xué)也完全適用。
目前，地鐵的地下變電所，無一例外地采用“外引式接地極，絕緣引入，接地裝置與結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣處理。”作者對40年前的北京地鐵的第一組接地極就是如此處理的，直到今天，仍是這種做法，無人提出質(zhì)疑。作者試圖自己否定自己，提出一個新的接地方案，供讀者參考。
２．確定地鐵接地方案構(gòu)成的理論根據(jù)：
（1）根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB50157[3]
14.7.5條的規(guī)定：“變電所接地宜利用自然接地體作為接地裝置”和14.7.13條的規(guī)定:“當(dāng)雜散電流腐蝕防護(hù)與接地有矛盾時，應(yīng)以接地安全為主”的兩項規(guī)定；
（2）根據(jù)《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范》DGJ08-109-2004[4]
16.2.5條的規(guī)定：“變電所的接地裝置，應(yīng)利用自然接地體”的規(guī)定；
（3）根據(jù)《交流電氣裝置的接地》DL/T 621-1997[5]
3.1條的規(guī)定：“接地裝置應(yīng)充分利用自然接地極”的規(guī)定。
以上三個標(biāo)準(zhǔn)中, 對利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋做自然接地體, (1)是“宜”(國家標(biāo)準(zhǔn))、(2)是“應(yīng)”(地方標(biāo)準(zhǔn))、(3)是“充分”(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)),看來利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體的理論根據(jù)是充分的,應(yīng)用規(guī)范是合適的。根據(jù)上述三個規(guī)程規(guī)定，確定地鐵接地方案時，完全可以利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體。
３．確定地鐵接地方案的實踐根據(jù)
40年前北京地鐵第一組接地極為什么是“外引接地、絕緣引入”而不利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋做自然接地體，當(dāng)初也曾經(jīng)研究、討論，甚至爭論，爭論的結(jié)果，由兩個問題無人能解釋清楚：
●利用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體，接地電阻是多少？無人能預(yù)知。當(dāng)初認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)外的防水層，所謂“三氈四油”，對大地是絕緣的，其接地電阻會很大。
●當(dāng)時地鐵交流低壓系統(tǒng)是三相四線制接零系統(tǒng)，鋼筋兼作地線，有零序電流存在，對測試鋼筋中的雜散電流有什么影響,誰也無法說得清。
現(xiàn)在這兩個理由都不存在了，地下結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)防水處理，其接地電阻卻很小，在0.5Ω以下[１] ，符合電氣設(shè)備接地的要求;因為地鐵交流低壓系統(tǒng)采用三相四線制TN-S系統(tǒng)，有專用地線（ＰＥ線）和中性線，鋼筋中不存在零序電流，故對測試雜散電流沒有影響。
(1) 作者曾于1979年在北京地鐵一線和環(huán)線做過接地實驗和現(xiàn)場測試[1] ，得出的結(jié)論是：
①變電所內(nèi)部接地網(wǎng)（設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼）與地下結(jié)構(gòu)鋼筋并不絕緣，而是電氣聯(lián)接在一起，盡管在設(shè)計中要求設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼進(jìn)行絕緣處理，但效果并不明顯；
②變電所地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻均在0.5Ω以下, 而且很穩(wěn)定；
③外引接地極的接地電阻均在1Ω以上（當(dāng)時按小接地電流系統(tǒng)設(shè)計，要求接地電阻小于４Ω），對變電所接地電阻的大小已不起作用；
④外引接地極可以取消，利用結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地極完全符合規(guī)程要求；
⑤ 地下結(jié)構(gòu)鋼筋已人為接地，外引接地極不僅無益，反而有害，因為提供了一個地鐵雜散電流向外擴(kuò)散的通路。
推論：
●軌道電位限制器所接的“地”就是地下結(jié)構(gòu)的鋼筋;
●走行軌對“地”的電位就是對地下結(jié)構(gòu)鋼筋的電位。
(2) 北京地鐵對已運行的一線和環(huán)線的全部變電所的接地電阻測試結(jié)果,接地電阻均在0.5Ω以下[2] ，事隔二十年,由不同的單位、不同的測試人員、用不同的設(shè)備,所測結(jié)果完全相同,這一數(shù)據(jù)是可信的。
⑶在現(xiàn)實工程中,外引接地極絕緣引入，變電所接地裝置與結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣處理幾乎做不到。這樣一個龐大的工程，所有電氣設(shè)備都有基礎(chǔ)槽鋼、都需要接地，地線都接至變電所的內(nèi)部接地網(wǎng)，而這個接地網(wǎng)又處于一個深埋地下的巨大的等電位法拉第籠中，無法保證變電所接地裝置與地下鋼筋絕緣。
４．接地電流與崩潰電壓
⑴　接地電流
關(guān)于接地電流，地下和地面牽引變電所是不同的，地下牽引變電所直流正極接地電流的大小，并不受接地電阻的制約；而地面牽引變電所直流正極接地電流的大小受接地電阻的制約。
①地下牽引變電所直流正極接地時，其接地電流不受接地電阻制約
地下牽引變電所的直流正極直接接地時，其電流的大小和變電所的接地電阻的大小沒有關(guān)系；和走行軌對“地”（結(jié)構(gòu)鋼筋）的過渡電阻也沒有關(guān)系，近于牽引變電所的正負(fù)極出口短路，其接地短路電流很大，足以使變電所的直流饋線開關(guān)跳閘。接地短路電流并不是通過接地極流向走行軌（負(fù)極），通過外引接地極的電流只占總接地電流的1.3%-3.3%[1]，可以忽略不計，而絕大部分接地短路電流是通過結(jié)構(gòu)鋼筋直接流向走行軌的。
②地面牽引變電所直流正極接地時其接地電流由接地電阻制約
地面牽引變電所的直流正極直接接地，其接地電流的大小完全由變電所的接地電阻值決定，這一結(jié)論在地面的接地規(guī)程中不難找到根據(jù)。其接地電流回路從變電所接地網(wǎng)通過大地到走行軌，然后流回到變電所的負(fù)極。這一電流的大小完全由變電所的接地電阻和走行軌對地的過渡電阻的大小來決定。
⑵崩潰電壓
在走行軌對結(jié)構(gòu)鋼筋間，存在一個過渡電阻，這個過渡電阻為0.3Ω[1],這個過渡電阻在低電壓時是穩(wěn)定的，但當(dāng)電壓高時，0.3Ω的過渡電阻變成一個非常小的數(shù)值，至使接地短路電流很大, 相當(dāng)于變電所出口短路。當(dāng)走行軌對結(jié)構(gòu)鋼筋間電壓為825V時，如果過渡電阻０.3Ω還存在, 那么接地短路電流應(yīng)為2750A,而實際上, 接地短路電流在10000A以上[1], 足以使直流快速開關(guān)大電流整定跳閘。這就說明，在走行軌和結(jié)構(gòu)鋼筋之間存在一個崩潰電壓，達(dá)到這個電壓值時，兩者之間的過渡電阻0.3Ω就不存在了, 使過渡電阻急劇降低的電壓,即是走行軌和“地”(結(jié)構(gòu)鋼筋)間的崩潰電壓。在崩潰電壓下，過渡電阻突然非線性降低，而當(dāng)崩潰電壓消失后，過渡電阻仍然恢復(fù)。
5. 地鐵綜合接地系統(tǒng)的構(gòu)成
（1）地下變電所接地裝置利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，因地下車站結(jié)構(gòu)鋼筋按雜散電流防護(hù)的要求，其橫向主筋和縱向輔筋進(jìn)行焊接，形成一個50000m3的等電位法拉第籠，這個等電位法拉第籠深埋于地面10m以下，這就是地鐵的地，是地鐵這個電磁環(huán)境中一切電氣設(shè)備的地，它的接地電阻小于0.5Ω，無需另設(shè)接地裝置。
（2）地下車站結(jié)構(gòu)鋼筋形成一個等電位體，是所有電氣設(shè)備的綜合接地裝置，在變電所設(shè)綜合接地母排。
（3）地上變電所單獨設(shè)接地裝置，其接地電阻小于0.5Ω，是所有電氣設(shè)備的綜合接地裝置，設(shè)綜合接地母排。
（4）各地下車站變電所接地網(wǎng)通過接地扁鋼連接，形成一個地下綜合接地系統(tǒng)。
（5）各地上變電所接地網(wǎng)通過接地扁鋼連接，形成一個地上綜合接地系統(tǒng)。
（6）地上、地下綜合接地系統(tǒng)不進(jìn)行電氣聯(lián)接，見圖01。

這個地鐵接地系統(tǒng)的構(gòu)成方式與目前國內(nèi)通行的作法有差異，其根本差異就在于是否把地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地裝置。
6.地鐵接地方案的驗證方法
本文的接地方案是否成立、是否可行？地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻是否小于0.5Ω?外引接地極是否無用?要驗證這些, 在40年前是無法辦到的，現(xiàn)在就變得非常容易，因為我們國家已投入運營的地鐵線路有北京、上海、廣州、南京、深圳等多條線路，驗證的方法很簡單，就是實踐，在現(xiàn)已運行的地下變電所，在接地母排處將外引接地極拆開，就測量接地母排的接地電阻是否小于0.5Ω?問題就而迎刃而解。切忌以設(shè)計圖紙作依據(jù)進(jìn)行理論分析、作文章，那樣會鉆進(jìn)死胡同而不能自拔。
提出這一方案的實踐根據(jù)就是已運行三十多年的北京地鐵一號線和二號線（40km）, 盡管施工按設(shè)計要求“外引接地、絕緣引入”, 但實際結(jié)果卻是把地下結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體, 外引接地極反而不起作用了, 北京地鐵一號線、二號線就是如此。
既然外引接地極無用而仍繼續(xù)打下去, 從設(shè)計到施工再到運營,大家為此而付出了財力和艱辛的勞動, 接地極越打越高級，材質(zhì)從角鋼到銅管、有的甚至還要求換土、使用降阻劑，這些真的有用嗎？如不起作用，豈不是勞而無功、勞民傷財。取消地鐵的外引接地體，不僅可以節(jié)省大量銅材，還可以減化施工程序，無疑對地鐵的建設(shè)和運營是非常有利的。
７．雜散電流參考地極
結(jié)構(gòu)鋼筋是地鐵的地，雜散電流測防用的參考地電位如何辦？這很簡單，雜散電流要求參考接地極仍然是“絕緣引入、絕緣安裝”，因為是單地極、一根線，絕緣引入后用絕緣子固定安裝，可以保證是真正地鐵以外的大地電位。

參考文獻(xiàn)
[1]《地鐵與輕軌》 1998—２ “關(guān)于地鐵接地問題探討”　黃德勝
[2]《地鐵第十四屆學(xué)術(shù)交流會論文集》 中國科學(xué)技術(shù)出版社2002年 北京
“地鐵接地問題研究” 黃德勝
[3]《地鐵設(shè)計規(guī)范》 GB50157—2003 中國計劃出版社
[4]《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范》 DGJ08—109—2004 上海市工程建設(shè)規(guī)范
[5]《交流電氣裝置的接地》 DL/T621—1997 電力工業(yè)部 發(fā)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