甘琪海
（中国铁路南宁局集团有限公司， 南宁 530029）
我国高速铁路的外部电源电压等级一般为220 kV或330 kV，部分变电所短路电流超过了10 kA［1-2］。作为维护高速铁路牵引变电所安全可靠运行的重要措施，接地网的应用确保了牵引变电站的稳定运行和设备和人员的安全［3］。然而，如果接地网接地电阻过高，变电所内部发生短路故障，故障电流将引起接地网电位过高，威胁二次设备的安全运行［4-8］。同时，故障电流也将引起过高的跨步电压和接触电压，威胁运营人员的安全。
牵引变电所的接地网会定期检测，当检测到接地网的接地电阻过高时，需有针对性地进行改造［9-11］。常用的改造措施包括增大接地网面积、换填土、外引接地网和垂直接地极等。对于既有牵引变电所，增大接地网面积往往受征地范围的限制，换填土会影响到既有电气设备的运行，采用外引接地网和垂直接地极是既有变电所常用的改造方案。
本文针对某高速铁路牵引变电所接地电阻超标的问题，采用土壤电阻率勘察确定了接地网布置位置，分析了外引接地网形状、网孔数量和垂直接地极位置等因素对接地网的接地电阻的影响，给出外引接地网与垂直接地极相配合的降阻方案。
1.1 接地网需求
该牵引变电所位于两山之间，场坪由山体推平而成，场坪前后左三面高出原始地表5 m左右。牵引变电所建成后实测接地网接地电阻约为1.28 Ω。
该牵引变电所所内27.5 kV侧发生短路故障时，短路电流主要通过接地网导体流回变压器，流入大地的电流非常少。因此，接地电阻以220 kV侧最大运行方式下单相接地短路为主。该所单相接地最大短路电流为23.3 kA，入地分流的系数取0.5，最大入地短路电流I为11.65 kA。
根据GB 50065 - 2011《交流电气装置的接地设计规范》和TB 10009 - 2016《铁路电力牵引供电设计规范》，变电所接地网电位一般不超过2 000 V，由式（1）可计算接地电阻值R。
计算得R≤0.17 Ω，结合GB 50065 - 2011《交流电气装置的接地设计规范》规定：“2）当接地网的接地电阻不符合本规范式（4.2.1-1）的要求时，可通过技术经济比较适当增大接地电阻。在符合本规范第4.3.3条的规定时，接地网地电位升高可提高至5 kV。”即：
计算得R≤0.43 Ω，因此本牵引变电所接地网的降阻基本目标为0.43 Ω，最优目标为0.17 Ω。
1.2 周边土壤电阻率情况
外引接地网要达到有效的降阻效果，首先要选择土质较好的地方，通过初步勘探，确定了两处位置，分别为：
（1）牵引变电所入所道路50 m处，此处存在一小水沟，水沟下方可能存在土壤电阻率较低的含水层。
（2）牵引变电所左侧边坡下方山谷的水泥路旁的场坪边坡，空地到牵引变电所围墙距离为5 m。此处位于牵引变电所征地范围内。
采用温纳四极法对上述两处的土壤电阻率进行测量，间距a值和土壤电阻率如表1所示。
表1 土壤电阻率测量数据表
采用CDEGS软件对两处土壤电阻率进行仿真分析，得到两处的土壤结构如表2所示。从表2可以看出，随着深度的增加，水沟处土壤电阻率在不断增大，水沟下方应为较致密的岩土或砂石层；
牵引变电所边坡下方的土壤层存在一处厚度为109 m的低土壤电阻率层，土壤层含水与离子极为丰富，因此选择该处作为外引接地网的布置位置。
表2 土壤结构及参数表
2.1 外引接地网的仿真模型
为选择经济有效的降阻方案，在降低变电所接地网接地电阻的同时节省工程费用，需研究不同措施的降阻效果，本节将重点分析水平接地网的影响。由表2中建立的牵引变电所土壤结构模型，结合牵引变电所接地网的设计资料建立了接地网的仿真模型，如图1所示。
图1 接地网模型示意图
接地网为边长70 m的正方形，接地导体埋设深度为0.8 m，采用的是半径为0.06 m的铜绞线。接地网的网孔间距约为7 m，接地网最外侧增加一圈导体以降低接地网边沿的跨步电压和接触电压。将建立的模型进行仿真分析，得到的接地网接地电阻为1.3 Ω，与实测结果的1.28 Ω非常接近。
在牵引变电所既有接地网上增加水平外引接地网，如图2所示。外引接地网的长为b，宽为a，到主接地网边沿的距离为4m，网格的间距为5 m，接地导体的材料、半径和埋设深度与主接地网相同。
图2 外引接地示意图
2.2 外引接地网面积对降阻效果的影响
改变接地网的长度b和宽度a，得到接地网的接地电阻如表3所示。
从表3可以看出，接地网的面积大小是影响降阻效果的主要因素，随着面积的增加，接地网的降阻效果不断增大。当外引接地网面积为40 m2时，接地电阻为1.16 Ω，当接地网面积增大到1 000 m2时，接地电阻下降到0.7 Ω。
表3 水平外引接地网的接地电阻表（Ω）
2.3 外引接地网长宽比对降阻效果的影响
由表3可知，相同接地网宽度下，随着接地网的长度增加，接地电阻快速下降；
相同接地网长度下，随着接地网的宽度增加，接地网接地电阻的下降速度较慢。为了研究接地网的形状对接地电阻的影响，选取相同面积的接地网数据对比，结果如图3所示。
图3 外引接地网形状对接地电阻的影响图
图3中选取的外引接地网面积均为160 m2，接地网为狭长形时，其接地电阻更低，长宽比越大，接地电阻更低。
2.4 网孔数对降阻效果的影响
为了进一步明确外引水平接地网参数的影响，选取外形接地网尺寸为6 m×8 m，网孔数分别为2、4、8、16和32，如图4所示。
图4 不同网孔数量的外引接地网图
仿真得到的不同网孔数量下的外引接地网接地电阻如表4所示。由表4可知，随着网孔数量的增加，外引接地网的电阻在下降，但总体下降的幅度并不大；
当网孔数量从2增加到32时，接地电阻仅下降了0.11 Ω，但使用的导体长度增加了164 m。
3.1 垂直接地极布置（方案Ⅰ）
为了对比垂直接地极对牵引变电所接地网的降阻效果，对32个网孔的水平外引接地网按照图5中的顺序逐一增加垂直接地极。垂直接地极长度为30 m，先用钻机打孔再放入导体，为了更均匀地散流，并节约工程费用，垂直接地极均采用直径为40 mm的圆钢管。
图5 垂直接地极布置图（方案Ⅰ）
将垂直接地极数量由1根逐渐增加到5根，仿真得到的对牵引变电所降阻效果，如表5所示。
表5 方案Ⅰ不同垂直接地极数量的接地电阻表
从表5可以看出，增加垂直接地极的效果要比增加网孔数量更好，但随着垂直接地极的数量增加，降阻效果快速下降。增加1根垂直接地极时，接地电阻下降了0.21 Ω，增中到2根垂直接地极后，接地电阻又下降了0.11 Ω，到第5根接地极时，接地电阻仅下降了0.03 Ω。造成该现象的主要原因是，在方案1中，垂直接地极4和5与原有的垂直接地极1和3的距离过小，二者相互屏蔽，从而削弱了垂直接地极的降阻效果。方案Ⅰ接地电阻最终为0.32 Ω。
3.2 垂直接地极布置（方案Ⅱ）
为了进一步降低接地电阻，减少垂直接地极之间的屏蔽效应，方案Ⅱ将地网沿公路方向进行直线延伸。同时，为了减少成本，将水平接地网的网孔数量减少为16个。采用4根垂直接地极的方案如图6（a）所示，在4的位置增加一根垂直接地极，并采用导体将水平外引地网与该垂直接地极相连。采用5根垂直接地极的方案如图6（b）所示。为不同接地极数量的接地电阻仿真结果如表6所示。
图6 垂直接地极图（方案Ⅱ）
表6 方案Ⅱ不同垂直接地极数量的接地电阻表
从表6可以看出，本方案减少了垂直接地极之间的屏蔽效应，更加有效地利用了导体。当垂直接地极为3根时，接地电阻与表5中3根垂直接地极的计算结果相同；
增加到4根垂直接地极时，接地电阻下降了0.07 Ω；
增加到5根垂直接地极后，接地电阻下降到0.25 Ω。与表5中的5根垂直接地极相比，本方案接地电阻多降了约21.8%。
根据分析结果，该变电所采用的设计方案如图6（b）所示。在实际工程施工中，当钻机打入地下5 m时，5个垂直接地极位置均有地下水渗出，证明了地下有土壤电阻率较低的区域，有利于降低接地网接地电阻。牵引变电所的接地网改造实施完成后，最终接地网接地电阻的实测结果为0.17 Ω，小于计算结果0.25 Ω，超过原定的基本降阻目标，并达到了最优降阻目标。
本文针对某高速铁路牵引变电所接地电阻过高的问题，研究了采用外引接地网的方式进行降低接地电阻的方案，得到主要结论包括：
（1）科学合理地测定变电所的土壤电阻是进行外引接地网设计的基础工作。通过对牵引变电所周边勘测，发现不同位置的土壤电阻率差异非常大。附近水沟位置从表面看存在地表水，但下层土壤电阻率非常高，而变电所边坡下方存在深层含水层，更适合布置外引接地网。
（2）外引接地网的形状对降阻效果有很大的影响，如接地网面积均为160 m2时，接地网长宽比为40时的接地电阻要比长宽比为2.5时的接地电阻减少了1／3。接地网的网孔数量对接地电阻的影响较少，将接地网的网孔数增加16倍时，接地电阻仅下降了1／8。狭长形的地网能更有效地利用接地导体。
（3）由于接地极之间的屏蔽作用，多根垂直接地极的降阻效率受接地极的位置和间距影响。当多根垂直接地极布置在一条直线上，且接地极之间的间距大于其长度时，可以取得较好的降阻效果。与将垂直接地极布置在水平接地网周围相比，将5根30 m的垂直接地极按间隔为40 m布置在一条直线上时，接地电阻多下降21.8%。
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