地鐵接地問題研究
北京市城建設(shè)計研究院(100037) 黃德勝 　

[摘 要]：淺埋地下車站結(jié)構(gòu)鋼筋，由于雜散電流防護的要求，其橫向主筋和縱向分布筋需相互焊接，形成一個龐大的等電位體--法拉第籠，這就是所有電氣設(shè)備（強電、弱電）最理想的“地”。這個法拉第籠的接地電阻在0.1--0.5W之間，完全符合接地電阻的要求。作為北京地鐵第一組“外引接地”的設(shè)計者，作者提出取消這種作法，直接利用地下車站的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體，地下結(jié)構(gòu)本身就是地鐵的“地”。利用地下結(jié)構(gòu)作地鐵的“地”，不是靠理論推導出來的，而是用三十多年的工程實踐證明出來的，作者列舉了大量的實驗及測試數(shù)據(jù)表明，取消地鐵的“外引接地”是可行的。
[關(guān)鍵詞]：自然接地體 外引接地極 等電位法拉第籠 三相五線制(TN-S)系統(tǒng) 三相四線制接零系統(tǒng) 三相四線制接地系統(tǒng) 中性點絕緣 中性點直接接地

一、前言
關(guān)于電氣設(shè)備的接地技術(shù)，各種專業(yè)論述和規(guī)范很多，這里不準備再進行討論，本文僅對地鐵的接地問題進行探討。實際上，地鐵的電氣設(shè)備和地面大型公用建筑的電氣設(shè)備的唯一的差別就是地鐵有直流牽引供電系統(tǒng)，正極接觸網(wǎng)供電，負極走行軌回流，從走行軌向道床和地下結(jié)構(gòu)泄漏雜散電流。過去三十多年來，地鐵的接地裝置一直是按照最初設(shè)想的方式，設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼進行絕緣處理，采用外引接地極，絕緣引入。認為地下結(jié)構(gòu)因有防水層對地是絕緣的，不得進行人為接地。所謂絕緣引入，就是對地下結(jié)構(gòu)的鋼筋和外引接地體之間進行絕緣處理，免得雜散電流從外引接地極流出而影響城市的地下金屬管網(wǎng)。實際上，地下結(jié)構(gòu)自然接地體的接地電阻值遠比外引接地極的接地電阻值小得多，接地極的絕緣引入已沒有任何意義。本文就是結(jié)合工程實踐中所作實驗和測試,針對地鐵所特有的這些問題加以探討。
北京地鐵一期工程為明挖法施工，接地極可以從側(cè)墻穿出，上海地鐵和廣州地鐵車站為連續(xù)墻法施工，在結(jié)構(gòu)底板下打接地極是順理成章的事。北京地鐵復--八線發(fā)展到每個車站要打四組外引接地極，強電、弱電、通信信號分別設(shè)置，并且提出距離多遠等等。因是永久性設(shè)施，接地極材質(zhì)要銅的，每組接地極需有3個以上的引入點，且要絕緣處理，工藝要求復雜。這種作法的必要性有多大？值得懷疑。因為地下結(jié)構(gòu)的鋼筋就是一個約五萬立方米大的等電位法拉第籠，就是地鐵的“地”，是一切電氣設(shè)備需要的理想的 “地”，舍此而另外去找“地”，實在是令人費解。地面的高層公用建筑，所占地皮有限，向哪里打接地極？公用建筑大樓里既有強電設(shè)備，又有弱電設(shè)備；其工作接地、保護接地、防雷接地、屏蔽接地等還不是利用大樓的廂型基礎(chǔ)鋼筋作自然接地體？飛機、輪船上即有強電，也有弱電設(shè)備，它們需要接地時，也是在其機身、外殼上想辦法；就是地鐵的電動客車也是既有強電也有弱電，而且車體本身就是牽引電機的負極，各種電氣設(shè)備需要接地時也不可能另外再找“地”去，而只能是以自身的金屬外殼作自然接地體。這樣看來，把地下結(jié)構(gòu)當成地鐵的“地”是合乎邏輯的。
二、地鐵為什么采用外引接地極
1965年當北京地鐵開始設(shè)計時，電氣設(shè)備的工作接地和保護接地如何解決，有兩種意見，一種意見認為，地下車站的橫向主鋼筋和縱向分布鋼筋因雜散電流防護的要求，進行相互焊接，構(gòu)成一個龐大的等電位法拉第籠，用結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體是很合適的，人就在等電位的法拉第籠內(nèi)活動，是很安全的，是電氣設(shè)備理想的 “地”。另一種意見則認為，不能用鋼筋作自然接地體，需另外打接地極，理由有兩個：一是由結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成的法拉第籠的接地電阻是多少？誰也說不清楚；二是低壓配電系統(tǒng)采用三相四線制接零系統(tǒng)，在鋼筋中有不平衡的交流電流通過，對測試鋼筋中的雜散電流有無影響？誰也無法說清楚。正是由于這兩個當時無法說清楚的原因，作者才將北京地鐵第一組接地極設(shè)計在峒外，從側(cè)墻穿出，并名曰“外引接地極，絕緣引入”。正是這兩個誰也無法說清楚的原因，才使得地鐵不能利用自然接地體而需在峒外另打外引接地極。通過三十多年的工程實踐和現(xiàn)場實驗，證實了這兩條理由現(xiàn)在已不復存在。
三、地鐵接地網(wǎng)的構(gòu)成
1.接地網(wǎng)構(gòu)成
變電所的接地網(wǎng)是由兩部分組成的，一部分是由設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼用鍍鋅扁鋼聯(lián)接起來構(gòu)成的內(nèi)部接地網(wǎng)；另一部分就是外引接地極用鍍鋅扁鋼聯(lián)接起來構(gòu)成外部接地網(wǎng)。外部接地網(wǎng)絕緣引入在接地端接箱處和內(nèi)部接地網(wǎng)聯(lián)接構(gòu)成地鐵的接地網(wǎng)。
1965年當北京地鐵開始設(shè)計時，牽引變電所的接地系統(tǒng)首先要確定的是屬于小接地電流系統(tǒng)還是大接地電流系統(tǒng)？當時可以參考的就是莫斯科地鐵，但莫斯科地鐵的低壓380/220V系統(tǒng)為三相四線制接地系統(tǒng)，而北京地鐵選擇了三相四線制接零系統(tǒng)，和地面建筑低壓配電系統(tǒng)一致。牽引變電所的交流設(shè)備和直流設(shè)備采用共同的外引接地裝置，地下結(jié)構(gòu)鋼筋與接地網(wǎng)進行絕緣處理，地下結(jié)構(gòu)外設(shè)防水層，當時認為對地的絕緣性能良好。故變電所的接地電阻設(shè)計為小于4 W。這種作法是否合適，還有待工程實踐進行驗證。
2.接地網(wǎng)各部分之間過渡電阻測試
對于淺埋地鐵，外引接地極、電氣設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼、結(jié)構(gòu)鋼筋、走行軌，它們之間究竟是什么關(guān)系，是絕緣？還是存在過渡電阻？這個電阻是多少？作者于1979年對北京地鐵各部分之間的過渡電阻用電流電壓法進行了測試，測試各部分的示意圖如圖一所示。

圖一測試各部分示意圖

在進行測試時，把變電所內(nèi)部接地網(wǎng)和外部接地網(wǎng)在接地端接箱處斷開。測試結(jié)果如表一、表二、表三所示。

表一 鋼筋、走行軌、基礎(chǔ)槽鋼對外引接地極之間的過渡電阻

表二 結(jié)構(gòu)鋼筋、接地網(wǎng)、基礎(chǔ)槽鋼對走行軌的過渡電阻

表三 設(shè)備基礎(chǔ)、接地網(wǎng)對結(jié)構(gòu)鋼筋的過渡電阻

注：表二、表三中的接地網(wǎng)為內(nèi)、外接地網(wǎng)在接地端接箱處聯(lián)接
3.現(xiàn)場測試結(jié)論
上面三個表中所列的結(jié)構(gòu)鋼筋、設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼(內(nèi)部接地網(wǎng))、走行軌、外引接地極相互之間的過渡電阻是經(jīng)過多次測試，各次所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，差別甚微。當然上面一些數(shù)據(jù)是在低壓下測出來的。電壓改變時，其過渡電阻還可能有變化，只能是隨著電壓的升高而變小。通過上面所測數(shù)據(jù)可以得出以下幾個重要結(jié)論，這些結(jié)論和設(shè)計的初衷是不一樣的:
⑴ 設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼（變電所內(nèi)部接地網(wǎng)）對結(jié)構(gòu)鋼筋并非是絕緣的，它們之間的過渡電阻僅有0.05W。盡管在設(shè)計和施工中要求基礎(chǔ)槽鋼對結(jié)構(gòu)鋼筋進行絕緣處理，但在大規(guī)模的施工中很難達到絕緣的要求。0.05W的過渡電阻是很微小的，可以忽略不計，可以認為設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼（變電所內(nèi)部接地網(wǎng)）和結(jié)構(gòu)鋼筋實際上是不可分割的一個整體，是聯(lián)在一起的。
⑵ 設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼（變電所內(nèi)部接地網(wǎng)）以及結(jié)構(gòu)鋼筋對走行軌之間的過渡電阻為0.3W，說明走行軌軌枕下絕緣墊還是起作用的，但大量的絕緣墊并聯(lián)起來，其過渡電阻還是比較小的。
⑶ 設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼（變電所內(nèi)部接地網(wǎng)）、結(jié)構(gòu)鋼筋、走行軌三者對外引接地極的過渡電阻為1.3-1.5W之間，說明外引接地極和前三者并無任何電氣聯(lián)接，而是獨立的。它們之間完全是靠大地聯(lián)接起來的。
通過上面的三點結(jié)論，可以作如下判斷：
⑴ 直流750V正極接地時，絕不是小接地電流系統(tǒng)，因為變電所的內(nèi)部接地網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋對走行軌的過渡電阻只有0.3W，當直流750V正極接地短路時，短路電流通過基礎(chǔ)槽鋼、結(jié)構(gòu)鋼筋而直接流向走行軌（負極）。
⑵ 直流750V正極接地，其接地電流大部分通過結(jié)構(gòu)鋼筋流向走行軌（負極），只有小部分通過外引接地極流向走行軌（負極）。
三、直流750V接地試驗
長期以來，認為750V接地電流是由變電所的接地電阻決定的，在保護上采用了接地后發(fā)出信號，交直流設(shè)備共用同一組接地裝置。當直流發(fā)生接地后對交流有無影響？尤其是電力變壓器低壓側(cè)中性點直接接地，中性點是否會發(fā)生偏移？為了澄清這些問題，只有通過現(xiàn)場實驗才能得出正確的結(jié)論。作者于1979年曾作過一次現(xiàn)場實驗，實驗結(jié)果如下。
試驗線路如圖二所示。整個變電所是處在正常供電狀態(tài)。實驗是在復興門站變電所進行，實驗時用SC10十線示波器拍攝以下十條曲線,動力照明系統(tǒng)的三個線電壓、三個相電壓、變電所直流母線電壓、鋼筋對負母線(走行軌)電壓、總的接地電流、通過外引接地極的接地電流。

圖二 接地實驗線路圖
750V接地試驗分四次進行，一次為回流開關(guān)斷開；一次為串聯(lián)0.987W電阻；另兩次為直接進行接地短路。下面摘錄其中的兩張示波圖。如圖79610-03，79614-02所示。
1. 回流開關(guān)GK2斷開，合DS10-2快速斷路器，將直流750V正極接于變電所的接地網(wǎng)上，拍攝

示波圖，從圖中可以看出:

⑴ 因走行軌回流開關(guān)斷開，所以總接地電流和流入外引接地極的電流都等于零；
⑵ 接地后變電所的直流母線電壓UC沒變化；
⑶因斷開回流開關(guān)GK2，鋼筋上有一電壓存在（而合上回流軌這一電壓消失），當750V接地時，鋼筋上的電壓Ug即為直流母線電壓UC；
⑷ 750V正極接地時對380/220伏系統(tǒng)的線電壓、相電壓都沒有影響，接于三相的照明燈無變化。
第二次直接接地試驗示波圖如79614-02

從圖中可以看出：
⑴ 接地電流IkdS=9060A，流入接地極電流IKdj=120A
⑵對380/220V系統(tǒng)無影響，接于三相的照明燈無變化。
⑶鋼筋對走行軌電壓有一突變，開關(guān)斷開后即消失。
750V接地試驗結(jié)果綜合分析見表四。
表四 示波圖分析綜合表

四、現(xiàn)場實驗結(jié)論
通過現(xiàn)場實驗,進一步說明了以下幾個問題。
1. 地下鐵道直流750V接地，其接地電流的大小不受外引接地極的接地電阻的影響(或影響甚微)，而是受變電所內(nèi)部接地網(wǎng)與走行軌間的過渡電阻的影響。
2. 750V直流設(shè)備與交流設(shè)備采用共同保護接地裝置，750V接地時，屬大接地電流系統(tǒng)而不是小接地電流系統(tǒng)，接地電流可高達9kA。此時鋼筋－走行軌間的過渡電阻不是0.3W，而是在0.07W以下。
3.接地短路電流并不是通過接地極流向走行軌（負極），而是96%以上的接地短路電流通過結(jié)構(gòu)鋼筋直接流向走行軌的，通過接地極的電流只占總接地電流的1.3%-3.6%。
4. 直流750V系統(tǒng)與交流系統(tǒng)采用共用接地裝置，750V發(fā)生接地時對交流380/220V系統(tǒng)沒有影響。
5. 750V接地保護應動作跳閘，而不應只發(fā)出接地信號。
五、地鐵接地電阻測試
在測試接地電阻時，將內(nèi)部接地網(wǎng)和外部接地網(wǎng)在接地端接箱處斷開。前面已經(jīng)談到，變電所的內(nèi)部接地網(wǎng)（設(shè)備的基礎(chǔ)槽鋼）和結(jié)構(gòu)鋼筋之間并不存在什么絕緣問題，其過渡電阻在0.05W以下，而基礎(chǔ)槽鋼對走行軌的過渡電阻與結(jié)構(gòu)鋼筋對走行軌的過渡電阻相同，皆為0.3W，因此可以把設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼和結(jié)構(gòu)鋼筋看成是等電位體。而過去認為地下結(jié)構(gòu)的外層作了防水層，對大地是絕緣的，因此地下結(jié)構(gòu)對地不僅具有防水性能，同時也具有絕緣性能。通過現(xiàn)場實驗，證實了這種設(shè)想與實際情況是不相符的。
1.1979年測試結(jié)果
作者于1979年7月份對北京地鐵的一線六個車站和環(huán)線的三個車站變電所的內(nèi)部接地網(wǎng)和外部接地網(wǎng)進行了實地測試，測試結(jié)果如表五所示。

表五 北京地鐵車站變電所接地電阻測試結(jié)果

注：變電所總接地電阻為內(nèi)部接地網(wǎng)與外部接地網(wǎng)聯(lián)接后所測接地電阻，使用ZC-8型接地電阻測量儀，測試季節(jié)為7月。

上面表中所列變電所接地電阻是二十年前所測得的數(shù)據(jù)，從所測數(shù)據(jù)可以得出以下幾點結(jié)論：
⑴ 九個車站內(nèi)部接地網(wǎng)的接地電阻均在0.5W以下，而外引接地體的接地電阻均31W，接地裝置總電阻的大小取決于內(nèi)部接地網(wǎng)的接地電阻。
⑵ 二期環(huán)線三個車站（表中的前三個車站）的內(nèi)部接地網(wǎng)的接地電阻值和一期工程的六個車站的內(nèi)部接地網(wǎng)的接地電阻值差別不大,這說明此電阻值不受通車及修建年限的影響。
⑶ 一期六個站的內(nèi)部接地網(wǎng)電阻值的大小,略受車站水位高低影響,東邊幾個站的水位高其電阻值也略小些。
⑷ 北京地下鐵道各車站內(nèi)部接地網(wǎng)的接地電阻值差別不大,且數(shù)值大小穩(wěn)定,完全能滿足規(guī)程上對接地電阻值的要求。
2.1988—1997年測試結(jié)果
在三十多年的運營中，北京地鐵公司也曾對北京地鐵一線和環(huán)線的車站變電所的接地電阻進行了多次全面的測試，其測試結(jié)果摘錄如表六、表七所示。
表六 北京地鐵一線各變電所接地電阻實測值

注：所測接地電阻為內(nèi)部接地網(wǎng)與外部接地網(wǎng)在接地端接箱處聯(lián)接所得數(shù)值，使用ZC-8型接地電

阻測量儀，測試季節(jié)為4月至6月15日。
表七 北京地鐵環(huán)線各變電所接地電阻實測值

注：所測接地電阻為內(nèi)部接地網(wǎng)與外部接地網(wǎng)在接地端接箱處聯(lián)接所得數(shù)值，使用ZC-8型接地電阻測量儀，測試季節(jié)為4月至6月15日。

3.測試結(jié)論

通過三十多年的工程實踐證明，當初地鐵不能用自然接地體而要另外打外引接地極的兩個理由已不復存在。
⑴ 地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻在0.5W以下
從1979年的測試數(shù)據(jù)中可以看出,二十年前所測試的變電所的接地電阻值,和近十年北京地鐵公司所測得的結(jié)果是驚人的相似。在時間跨度二十多年的時間里由不同的單位、不同的參加測試人員、在不同的時間、用不同的測試儀器，所測結(jié)果完全一致，說明這些數(shù)據(jù)是可靠的，結(jié)論是可信的。
通過二十多年前的測試和近十幾年的測試,都證明了地下車站的結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻值很低,都在0.5W以下。這給三十六年前不能用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體的第一個理由，既地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻究竟有多大？是否符合接地電阻的要求？通過實際測試，在工程實踐中作了明確的答復：這一電阻值是完全符合規(guī)程要求的。
⑵ 地下結(jié)構(gòu)鋼筋中沒有交流不平衡電流
北京地鐵一期工程和環(huán)線工程的低壓配電系統(tǒng)采用三相四線制接零系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)鋼筋中存在交流不平衡電流。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,地鐵的低壓配電系統(tǒng)向國際上接軌,向地面工程靠攏,從上海地鐵一號線開始,低壓配電系統(tǒng)已采用三相五線制(TN-S)系統(tǒng),北京地鐵的復--八線、廣州地鐵一號線均采用這一系統(tǒng),地線和中性線分開,在地線中沒有交流不平衡電流,對測試鋼筋中的雜散電流沒有影響。這就給三十年前不能用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體的第二個理由作了答復,即鋼筋中不存在交流不平衡電流。當初不能用結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體的理由就這兩條，沒有其它任何原因。現(xiàn)在，不能用地下結(jié)構(gòu)的鋼筋作自然接地體的理由已不復存在了，這不僅是依靠理論推導和論證,而是用三十多年的工程實踐證明了這一點。
⑶ 外引接地極不僅多余反而有害
實踐證明，設(shè)備基礎(chǔ)槽鋼、結(jié)構(gòu)鋼筋、外引接地極是聯(lián)在一起的，地下結(jié)構(gòu)鋼筋已經(jīng)人為接地，外引接地極不僅多余反而有害。不管原來設(shè)想如何進行絕緣處理，其結(jié)果也是無濟于事。實際上北京地鐵就是在用地下結(jié)構(gòu)作自然接地體、結(jié)構(gòu)鋼筋進行人為接地的狀態(tài)下運行了三十多年。這可一直被認為是“違犯規(guī)程”的，但確是事實。結(jié)構(gòu)鋼筋本身屬于自然接地，有外引接地極反而把結(jié)構(gòu)鋼筋人為接地了，為雜散電流向外擴散提供了可能的通路。因此建議北京地鐵把已投入運營的地下車站各變電所的外引接地極取消，以減少雜散電流可能向外擴散的通路。
六、結(jié)論
1.地下結(jié)構(gòu)鋼筋可以作自然接地體
地下車站結(jié)構(gòu)的鋼筋可以作為地鐵電氣設(shè)備(包括強電和弱電)的共用的自然接地體。由于雜散電流防護的要求，結(jié)構(gòu)的橫向主筋和縱向分布筋相互焊接，構(gòu)成一個龐大的等電位法拉第籠，這個法拉第籠約有50000m3，這就是地鐵的“地”,是一切需要接地的電氣設(shè)備最理想的“地”，經(jīng)測試，它的接地電阻在0.5W以下，有的甚至達到0.1W以下。這一電阻值很穩(wěn)定，無論是新建地鐵還是已運營多年的地鐵，這一接地電阻值幾乎沒有什么變化。取消外引接地極，利用地鐵這個現(xiàn)成的自然接地體，不僅可以節(jié)省大量銅材，還可以減化施工程序，無疑對地鐵建設(shè)是非常有利的。
2.低壓TN-S 系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)鋼筋中沒有交流不平衡電流
電力變壓器低壓側(cè)中性點直接接地， 低壓配電系統(tǒng)采用三相五線制(TN-S)系統(tǒng)，地線和中性線在變電所一點接地，低壓饋出分開，負荷端中性線不接地,因而地線中沒有不平衡交流電流，當然結(jié)構(gòu)鋼筋中也不存在不平衡交流電流，故對測試雜散電流沒有影響。
3.不能用結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體的理由已不存在
經(jīng)過三十多年的實踐，經(jīng)現(xiàn)場實驗、測試和分析，當初北京地鐵開始設(shè)計時，認為不能用地下結(jié)構(gòu)鋼筋作自然接地體、而必須采用外引接地極的兩個理由已不存在了，實踐證明，地下結(jié)構(gòu)鋼筋本身就是地鐵的 “地”,其根據(jù)就是以下三點:
⑴地下結(jié)構(gòu)鋼筋和變電所內(nèi)部接地網(wǎng)是聯(lián)在一起的，其過渡電阻甚微僅為0.05W;
⑵地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻經(jīng)多次測試，均在0.5W以下，有的甚至在0.1W以下;
⑶直流750V接地短路電流絕大部分(96%以上)經(jīng)結(jié)構(gòu)鋼筋流入走行軌(負極)，而只有1-3%的短路電流經(jīng)過外引接地極。
目前地面大型公用建筑的發(fā)展趨勢是充分利用自然接地體，采用共用接地裝置。北京地鐵的實踐證明了地下結(jié)構(gòu)可以作為自然接地體，地鐵也應和地面公用建筑一樣，充分利用地下結(jié)構(gòu)作為電氣設(shè)備的共用自然接地體。
七、結(jié)束語
通過三十多年的工程實踐和多次現(xiàn)場實驗和測試，得出了上面的三條結(jié)論，希望關(guān)心地鐵建設(shè)和對接地問題有研究和感興趣的同志，提出建議和意見。更期望已建成運營的上海地鐵、廣州地鐵的同行也能作些相應的實驗和測試，并得出必要的結(jié)論。實踐是檢驗真理的唯一標準，以科學實驗和測試數(shù)據(jù)作根據(jù)，用事實說話，避免坐而論道，可能是解決地鐵接地問題的最好辦法。

參考文獻
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