地鐵接地問題研究
北京市城建設計研究院(100037) 黃德勝
[摘 要]：淺埋地下車站結構鋼筋，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”的設計者，作者提出取消這種作法，直接利用地下車站的結構鋼筋作為自然接地體，地下結構本身就是地鐵的“地”。利用地下結構作地鐵的“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據表明，取消地鐵的“外引接地”是可行的。
[關鍵詞]：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 三相四線制接零系統 三相四線制接地系統 中性點絕緣 中性點直接接地
一、前言
關于電氣設備的接地技術，各種專業論述和規范很多，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，地鐵的電氣設備和地面大型公用建筑的電氣設備的唯一的差別就是地鐵有直流牽引供電系統，正極接觸網供電，負極走行軌回流，從走行軌向道床和地下結構泄漏雜散電流。過去三十多年來，地鐵的接地裝置一直是按照最初設想的方式，設備基礎槽鋼進行絕緣處理，采用外引接地極，絕緣引入。認為地下結構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，就是對地下結構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。實際上，地下結構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，接地極可以從側墻穿出，上海地鐵和廣州地鐵車站為連續墻法施工，在結構底板下打接地極是順理成章的事。北京地鐵復--八線發展到每個車站要打四組外引接地極，強電、弱電、通信信號分別設置，并且提出距離多遠等等。因是永久性設施，接地極材質要銅的，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。因為地下結構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備，又有弱電設備；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鋼筋作自然接地體？飛機、輪船上即有強電，也有弱電設備，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，把地下結構當成地鐵的“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計時，電氣設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，構成一個龐大的等電位法拉第籠，用結構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活動，是很安全的，是電氣設備理想的 “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：一是由結構鋼筋構成的法拉第籠的接地電阻是多少？誰也說不清楚；二是低壓配電系統采用三相四線制接零系統，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計在峒外，從側墻穿出，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場實驗，證實了這兩條理由現在已不復存在。
三、地鐵接地網的構成
1.接地網構成
變電所的接地網是由兩部分組成的，一部分是由設備的基礎槽鋼用鍍鋅扁鋼聯接起來構成的內部接地網；另一部分就是外引接地極用鍍鋅扁鋼聯接起來構成外部接地網。外部接地網絕緣引入在接地端接箱處和內部接地網聯接構成地鐵的接地網。
1965年當北京地鐵開始設計時，牽引變電所的接地系統首先要確定的是屬于小接地電流系統還是大接地電流系統？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系統為三相四線制接地系統，而北京地鐵選擇了三相四線制接零系統，和地面建筑低壓配電系統一致。牽引變電所的交流設備和直流設備采用共同的外引接地裝置，地下結構鋼筋與接地網進行絕緣處理，地下結構外設防水層，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、電氣設備的基礎槽鋼、結構鋼筋、走行軌，它們之間究竟是什么關系，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，把變電所內部接地網和外部接地網在接地端接箱處斷開。測試結果如表一、表二、表三所示。
表一 鋼筋、走行軌、基礎槽鋼對外引接地極之間的過渡電阻
表二 結構鋼筋、接地網、基礎槽鋼對走行軌的過渡電阻
表三 設備基礎、接地網對結構鋼筋的過渡電阻
注：表二、表三中的接地網為內、外接地網在接地端接箱處聯接
3.現場測試結論
上面三個表中所列的結構鋼筋、設備基礎槽鋼(內部接地網)、走行軌、外引接地極相互之間的過渡電阻是經過多次測試，各次所測數據穩定，差別甚微。當然上面一些數據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。通過上面所測數據可以得出以下幾個重要結論，這些結論和設計的初衷是不一樣的:
⑴ 設備的基礎槽鋼（變電所內部接地網）對結構鋼筋并非是絕緣的，它們之間的過渡電阻僅有0.05W。盡管在設計和施工中要求基礎槽鋼對結構鋼筋進行絕緣處理，但在大規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，可以認為設備的基礎槽鋼（變電所內部接地網）和結構鋼筋實際上是不可分割的一個整體，是聯在一起的。
⑵ 設備的基礎槽鋼（變電所內部接地網）以及結構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起來，其過渡電阻還是比較小的。
⑶ 設備的基礎槽鋼（變電所內部接地網）、結構鋼筋、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接，而是獨立的。它們之間完全是靠大地聯接起來的。
通過上面的三點結論，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，因為變電所的內部接地網和結構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，短路電流通過基礎槽鋼、結構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構鋼筋流向走行軌（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出信號，交直流設備共用同一組接地裝置。當直流發生接地后對交流有無影響？尤其是電力變壓器低壓側中性點直接接地，中性點是否會發生偏移？為了澄清這些問題，只有通過現場實驗才能得出正確的結論。作者于1979年曾作過一次現場實驗，實驗結果如下。
試驗線路如圖二所示。整個變電所是處在正常供電狀態。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，一次為回流開關斷開；一次為串聯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上，拍攝
示波圖，從圖中可以看出:
⑴ 因走行軌回流開關斷開，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，開關斷開后即消失。
750V接地試驗結果綜合分析見表四。
表四 示波圖分析綜合表
四、現場實驗結論
通過現場實驗,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)，而是受變電所內部接地網與走行軌間的過渡電阻的影響。
2. 750V直流設備與交流設備采用共同保護接地裝置，750V接地時，屬大接地電流系統而不是小接地電流系統，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構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系統與交流系統采用共用接地裝置，750V發生接地時對交流380/220V系統沒有影響。
5. 750V接地保護應動作跳閘，而不應只發出接地信號。
五、地鐵接地電阻測試
在測試接地電阻時，將內部接地網和外部接地網在接地端接箱處斷開。前面已經談到，變電所的內部接地網（設備的基礎槽鋼）和結構鋼筋之間并不存在什么絕緣問題，其過渡電阻在0.05W以下，而基礎槽鋼對走行軌的過渡電阻與結構鋼筋對走行軌的過渡電阻相同，皆為0.3W，因此可以把設備基礎槽鋼和結構鋼筋看成是等電位體。而過去認為地下結構的外層作了防水層，對大地是絕緣的，因此地下結構對地不僅具有防水性能，同時也具有絕緣性能。通過現場實驗，證實了這種設想與實際情況是不相符的。
1.1979年測試結果
作者于1979年7月份對北京地鐵的一線六個車站和環線的三個車站變電所的內部接地網和外部接地網進行了實地測試，測試結果如表五所示。
表五 北京地鐵車站變電所接地電阻測試結果
注：變電所總接地電阻為內部接地網與外部接地網聯接后所測接地電阻，使用ZC-8型接地電阻測量儀，測試季節為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據，從所測數據可以得出以下幾點結論：
⑴ 九個車站內部接地網的接地電阻均在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部接地網的接地電阻。
⑵ 二期環線三個車站（表中的前三個車站）的內部接地網的接地電阻值和一期工程的六個車站的內部接地網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 一期六個站的內部接地網電阻值的大小,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部接地網的接地電阻值差別不大,且數值大小穩定,完全能滿足規程上對接地電阻值的要求。
2.1988—1997年測試結果
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：所測接地電阻為內部接地網與外部接地網在接地端接箱處聯接所得數值，使用ZC-8型接地電
阻測量儀，測試季節為4月至6月15日。
表七 北京地鐵環線各變電所接地電阻實測值
注：所測接地電阻為內部接地網與外部接地網在接地端接箱處聯接所得數值，使用ZC-8型接地電阻測量儀，測試季節為4月至6月15日。
3.測試結論
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 地下結構鋼筋的接地電阻在0.5W以下
從1979年的測試數據中可以看出,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，所測結果完全一致，說明這些數據是可靠的，結論是可信的。
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構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構鋼筋作自然接地體的第一個理由，既地下結構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程要求的。
⑵ 地下結構鋼筋中沒有交流不平衡電流
北京地鐵一期工程和環線工程的低壓配電系統采用三相四線制接零系統，在結構鋼筋中存在交流不平衡電流。隨著科學技術的不斷發展,地鐵的低壓配電系統向國際上接軌,向地面工程靠攏,從上海地鐵一號線開始,低壓配電系統已采用三相五線制(TN-S)系統,北京地鐵的復--八線、廣州地鐵一號線均采用這一系統,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構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。當初不能用結構鋼筋作自然接地體的理由就這兩條，沒有其它任何原因。現在，不能用地下結構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，設備基礎槽鋼、結構鋼筋、外引接地極是聯在一起的，地下結構鋼筋已經人為接地，外引接地極不僅多余反而有害。不管原來設想如何進行絕緣處理，其結果也是無濟于事。實際上北京地鐵就是在用地下結構作自然接地體、結構鋼筋進行人為接地的狀態下運行了三十多年。這可一直被認為是“違犯規程”的，但確是事實。結構鋼筋本身屬于自然接地，有外引接地極反而把結構鋼筋人為接地了，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、結論
1.地下結構鋼筋可以作自然接地體
地下車站結構的鋼筋可以作為地鐵電氣設備(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，結構的橫向主筋和縱向分布筋相互焊接，構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備最理想的“地”，經測試，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，利用地鐵這個現成的自然接地體，不僅可以節省大量銅材，還可以減化施工程序，無疑對地鐵建設是非常有利的。
2.低壓TN-S 系統使結構鋼筋中沒有交流不平衡電流
電力變壓器低壓側中性點直接接地， 低壓配電系統采用三相五線制(TN-S)系統，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，當然結構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.不能用結構鋼筋作自然接地體的理由已不存在
經過三十多年的實踐，經現場實驗、測試和分析，當初北京地鐵開始設計時，認為不能用地下結構鋼筋作自然接地體、而必須采用外引接地極的兩個理由已不存在了，實踐證明，地下結構鋼筋本身就是地鐵的 “地”,其根據就是以下三點:
⑴地下結構鋼筋和變電所內部接地網是聯在一起的，其過渡電阻甚微僅為0.05W;
⑵地下結構鋼筋的接地電阻經多次測試，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)經結構鋼筋流入走行軌(負極)，而只有1-3%的短路電流經過外引接地極。
目前地面大型公用建筑的發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構可以作為自然接地體，地鐵也應和地面公用建筑一樣，充分利用地下結構作為電氣設備的共用自然接地體。
七、結束語
通過三十多年的工程實踐和多次現場實驗和測試，得出了上面的三條結論，希望關心地鐵建設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，并得出必要的結論。實踐是檢驗真理的唯一標準，以科學實驗和測試數據作根據，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
1. 地鐵直流825V接地試驗報告 基建工程兵北京指揮部科研設計院(北京市城建設計研究院前身) 1979.11
2. 地鐵強弱電系統接地技術研究 北京地鐵總公司科研所 1997.11
3. 建筑電氣設計手冊 中國建筑工業出版社 1993
4. 民用建筑電氣設計規范 中國計劃出版社 1993
