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摘要阐述了城市轨道交通综合接地系统及车站共用接地装置的组成与作用。针对沈阳地铁九号线工程首批开工段4站综合接地设计及过程中出现的问题，结合国内其他城市轨道交通综合接地设计方案进行了深入分析与计算。在考虑沈阳地区特点的基础上，充分借鉴沈阳既有地铁线路情况，得出适用的设计方案。
关键词地铁综合接地 接地电阻
中图分类号： U231 文献标识码：A
1、地铁综合接地设计
为满足地铁供电、通信、信号等设备系统的工作接地及安全接地要求，防止可能发生的触电事故，地铁一般设置综合接地系统。与地面工程接地系统相比，地铁综合接地系统要兼顾防止地铁直流牵引供電系统产生的杂散电流向道床和地下结构泄漏。整个接地系统包括全线所有车站的共用接地装置和区间跟随所接地装置等。各车站及区间跟随所的接地装置通过敷设在区间隧道的镀锌接地扁钢及电缆的金属铠装层进行连接，从而使整个地铁线构成一套完整的综合接地网。地铁综合接地设计应满足以下功能要求：
保护运营人员及乘客安全，防止电击。
满足沿线因接触导线和馈电线断线可能搭触到设备的安全接地要求。
满足变电所设备工作接地与安全接地要求。
满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地和安全接地要求。
满足车站其它设备工作接地和安全接地要求。
满足接触网系统工作接地和车辆基地防雷接地要求。
车站共用接地装置由接地网及用来连接强弱电设备及金属管线、架构和接地网的接地线构成。接地网由多个垂直接地体和水平连接导体构成，通过接地引出线连接到强、弱电接地母排，并通过强、弱电接地母排连接至车站系统机房接地端子箱。接地网设计要结合各车站的具体结构形式，其工频接地电阻应不大于1Ω，跨步电压与接触电势应满足安全标准。
2、沈阳地铁九号线首批开工段4站综合接地设计
2.1、沈阳地铁九号线工程概况
沈阳地铁九号线是近期沈阳地铁建设规划中“两L”线中的一条重要线路。本工程近期实施范围为线路起点至建筑大学站，线路全长28.996km，均为地下线，共设23座车站，平均站间距约1.282km。首批开工的四个车站分别为吉力湖街站、汪河路站、曹仲站和沈苏西路站。
2.2、首批开工段4站综合接地系统设计中出现的问题
根据首批开工段岩土工程勘察报告，这4个车站在人工接地体设置位置的土壤电阻率见下表。
表14站土壤电阻率情况
站名 接地装置埋深（米） 相应的土壤电阻率（欧姆·米）
吉力湖街站 16 178.83
汪河路站 16 66.05
曹仲站 17.5 181.85
沈苏西路站 16.5 108.48
依据上表中数据，结合车站结构形式，对4个车站接地网的接地电阻进行了核算，计算公式如下：
式中 ——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；
——等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，Ω；
S——接地网的总面积，m²；
d——水平接地极的直径或等效直径，m;
h——水平接地极的埋设深度，m；
L0——接地网的外缘边线总长度，m；
L——水平接地极的总长度，m；
ρ——土壤电阻率，Ω·m。
经计算，当仅采用人工接地体做车站的综合接地装置且不采取其他措施（如使用降阻剂）时，汪河路站、沈苏西路站接地装置的工频接地电阻理论计算值分别为0.57Ω和0.9Ω，能满足设计要求。而吉力湖街站、曹仲站综合接地装置的工频接地电阻的理论计算值不满足不大于1Ω的要求，需采取降低接地电阻措施。
2.3、降低接地电阻的措施及优缺点分析
减小接地电阻的措施主要有以下几种，下面分别对其优缺点及适用情况进行分析：
（1）增大接地网面积
在接地网埋设深度及土壤电阻率固定的情况下，接地网的工频接地电阻主要取决于接地网的有效面积，有效面积越大，其工频接地电阻值就越小。在地铁工程中，由于受地下工程结构外部条件的限制多采用外引式接地装置，将外引式接地装置埋设在车站结构范围以外土壤电阻率较低的地下。此方法降低接地电阻的效果比较明显，但对工程造价的影响较大。
（2）深打垂直接地极
地铁车站的接地网是由水平接地极和垂直接地极组成的立体接地网。流过大地的电流在均匀电阻率的土壤中呈半球形等位面扩散，深打垂直接地极可充分利用电流在垂直方向的扩散分量，将较大的电流引入大地的深层，同时增大了接地体与土壤的有效接触面积。
（3）换土和使用降阻剂
当接地电阻达不到要求时，可对接地网埋设区域局部换土或使用降阻剂。置换土一般采用电阻率较低的土壤，如粘土、黑土等。降阻剂常见的有化学和物理两大类，其表面有活性剂，能够使接地体与土壤紧密接触，形成足够大的电流流通面。换土和使用降阻剂对降低接地电阻的效果比较明显，但一般来看流失都比较严重，时效性相对较差，且降阻剂一般对接地体都有较强的腐蚀性。地铁为百年工程，工程建成后一般没有条件对地下车站接地系统进行置换。
（4）利用自然接地体
目前国内的城市轨道交通工程中，有些综合接地系统的接地网在采用人工接地体的同时也利用了自然接地体。此方法适用于土壤电阻率较大的环境中，用于减小接地网的工频接地电阻，投资小，效果较明显。利用自然接地体又有两种做法，其一是将车站综合接地装置直接与车站主体结构钢筋进行电气连接，使整个车站成为一个等电位的“法拉第笼”。其二是利用结构围护桩钢筋，按一定的距离将结构外围围护桩内的钢筋用镀锌扁钢进行焊接，连成一圈接地体，而后将车站底板下埋设的人工接地体与这圈接地体进行电气连接。
2.4、沈阳地铁已开通线路的综合接地设计情况
沈阳地铁既有一、二号线车站接地装置设计均未采取降阻剂的措施，也未利用自然接地体，仅利用了人工接地体。接地装置与车站结构钢筋绝缘。
2.5、设计方案
通过上述分析，考虑九号线综合接地设计方案尽量与既有线路方案一致，对吉力湖街站和曹仲站采用利用结构围护桩钢筋降低工频接地电阻的方案，同时以深打垂直接地极的方法做为实测电阻率仍不满足要求时的补救措施。连接结构围护桩钢筋的做法见图1和图2。
图1 利用镀锌扁钢连接围护桩钢筋示意图
图2 利用镀锌扁钢连接围护桩钢筋剖面图
如图所示，连接结构围护桩钢筋后，相当于将车站底板下埋设的人工接地体与结构围护桩主筋及连接主筋的扁钢构成的接地体进行了并联。人工接地体采用的是材质为T2紫铜的扁铜排，考虑到不同金属材质之间的电离反应，在焊接时要求采用热熔焊，且搭接长度不小于100mm。我们对连接结构围护桩钢筋后的接地网接地电阻进行了核算，计算公式如下：
式中R——接地装置的计算电阻，Ω；
——单根钢筋体的接地电阻，Ω；
——外围结构围护桩钢筋的总电阻，Ω；
K——钢筋体的形状系数；
L——单根钢筋体的长度，m；
n——做为接地体的结构围护桩钢筋的根数，根；
——结构围护桩钢筋之间的屏蔽系数。
根据核算，吉力湖街站及曹仲站采用利用结构围护桩钢筋降低工频接地电阻的方案后，综合接地装置工频接地电阻分别为0.56Ω和0.57Ω，均能满足不大于1Ω的要求。
3、结束语
沈阳地铁九号线工程吉力湖街站和曹仲站最终采用利用结构围护桩钢筋降低接地电阻的设计方案。对后续设计的车站，在设计综合接地方案前应对综合接地装置的接地电阻进行核算，若不能满足不大于1Ω要求，则也应进一步考虑采用其他措施。
综合接地系统是城市轨道交通长期、安全、可靠运行的重要保障。因各地的地质条件差异很大，故选择接地装置的设计方案应因地制宜，以满足功能要求为前提，适当考虑工程实施的可行性和经济因素。
参考文献
[1] 《地铁设计规范》GB 50157-2003 北京：中国计划出版社，2003
[2] 《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008 北京：中国建筑工业出版社，2008
[3] 《工业与民用配电设计手册》-3版 北京：中国电力出版社，2005
[4] 《沈阳地铁九号线工程初步设计技术要求》
[5]黄德胜 《地铁供电与随笔》北京城建设计研究总院，2005
关键词地铁综合接地 接地电阻
中图分类号： U231 文献标识码：A
1、地铁综合接地设计
为满足地铁供电、通信、信号等设备系统的工作接地及安全接地要求，防止可能发生的触电事故，地铁一般设置综合接地系统。与地面工程接地系统相比，地铁综合接地系统要兼顾防止地铁直流牵引供電系统产生的杂散电流向道床和地下结构泄漏。整个接地系统包括全线所有车站的共用接地装置和区间跟随所接地装置等。各车站及区间跟随所的接地装置通过敷设在区间隧道的镀锌接地扁钢及电缆的金属铠装层进行连接，从而使整个地铁线构成一套完整的综合接地网。地铁综合接地设计应满足以下功能要求：
保护运营人员及乘客安全，防止电击。
满足沿线因接触导线和馈电线断线可能搭触到设备的安全接地要求。
满足变电所设备工作接地与安全接地要求。
满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地和安全接地要求。
满足车站其它设备工作接地和安全接地要求。
满足接触网系统工作接地和车辆基地防雷接地要求。
车站共用接地装置由接地网及用来连接强弱电设备及金属管线、架构和接地网的接地线构成。接地网由多个垂直接地体和水平连接导体构成，通过接地引出线连接到强、弱电接地母排，并通过强、弱电接地母排连接至车站系统机房接地端子箱。接地网设计要结合各车站的具体结构形式，其工频接地电阻应不大于1Ω，跨步电压与接触电势应满足安全标准。
2、沈阳地铁九号线首批开工段4站综合接地设计
2.1、沈阳地铁九号线工程概况
沈阳地铁九号线是近期沈阳地铁建设规划中“两L”线中的一条重要线路。本工程近期实施范围为线路起点至建筑大学站，线路全长28.996km，均为地下线，共设23座车站，平均站间距约1.282km。首批开工的四个车站分别为吉力湖街站、汪河路站、曹仲站和沈苏西路站。
2.2、首批开工段4站综合接地系统设计中出现的问题
根据首批开工段岩土工程勘察报告，这4个车站在人工接地体设置位置的土壤电阻率见下表。
表14站土壤电阻率情况
站名 接地装置埋深（米） 相应的土壤电阻率（欧姆·米）
吉力湖街站 16 178.83
汪河路站 16 66.05
曹仲站 17.5 181.85
沈苏西路站 16.5 108.48
依据上表中数据，结合车站结构形式，对4个车站接地网的接地电阻进行了核算，计算公式如下：
式中 ——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；
——等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，Ω；
S——接地网的总面积，m²；
d——水平接地极的直径或等效直径，m;
h——水平接地极的埋设深度，m；
L0——接地网的外缘边线总长度，m；
L——水平接地极的总长度，m；
ρ——土壤电阻率，Ω·m。
经计算，当仅采用人工接地体做车站的综合接地装置且不采取其他措施（如使用降阻剂）时，汪河路站、沈苏西路站接地装置的工频接地电阻理论计算值分别为0.57Ω和0.9Ω，能满足设计要求。而吉力湖街站、曹仲站综合接地装置的工频接地电阻的理论计算值不满足不大于1Ω的要求，需采取降低接地电阻措施。
2.3、降低接地电阻的措施及优缺点分析
减小接地电阻的措施主要有以下几种，下面分别对其优缺点及适用情况进行分析：
（1）增大接地网面积
在接地网埋设深度及土壤电阻率固定的情况下，接地网的工频接地电阻主要取决于接地网的有效面积，有效面积越大，其工频接地电阻值就越小。在地铁工程中，由于受地下工程结构外部条件的限制多采用外引式接地装置，将外引式接地装置埋设在车站结构范围以外土壤电阻率较低的地下。此方法降低接地电阻的效果比较明显，但对工程造价的影响较大。
（2）深打垂直接地极
地铁车站的接地网是由水平接地极和垂直接地极组成的立体接地网。流过大地的电流在均匀电阻率的土壤中呈半球形等位面扩散，深打垂直接地极可充分利用电流在垂直方向的扩散分量，将较大的电流引入大地的深层，同时增大了接地体与土壤的有效接触面积。
（3）换土和使用降阻剂
当接地电阻达不到要求时，可对接地网埋设区域局部换土或使用降阻剂。置换土一般采用电阻率较低的土壤，如粘土、黑土等。降阻剂常见的有化学和物理两大类，其表面有活性剂，能够使接地体与土壤紧密接触，形成足够大的电流流通面。换土和使用降阻剂对降低接地电阻的效果比较明显，但一般来看流失都比较严重，时效性相对较差，且降阻剂一般对接地体都有较强的腐蚀性。地铁为百年工程，工程建成后一般没有条件对地下车站接地系统进行置换。
（4）利用自然接地体
目前国内的城市轨道交通工程中，有些综合接地系统的接地网在采用人工接地体的同时也利用了自然接地体。此方法适用于土壤电阻率较大的环境中，用于减小接地网的工频接地电阻，投资小，效果较明显。利用自然接地体又有两种做法，其一是将车站综合接地装置直接与车站主体结构钢筋进行电气连接，使整个车站成为一个等电位的“法拉第笼”。其二是利用结构围护桩钢筋，按一定的距离将结构外围围护桩内的钢筋用镀锌扁钢进行焊接，连成一圈接地体，而后将车站底板下埋设的人工接地体与这圈接地体进行电气连接。
2.4、沈阳地铁已开通线路的综合接地设计情况
沈阳地铁既有一、二号线车站接地装置设计均未采取降阻剂的措施，也未利用自然接地体，仅利用了人工接地体。接地装置与车站结构钢筋绝缘。
2.5、设计方案
通过上述分析，考虑九号线综合接地设计方案尽量与既有线路方案一致，对吉力湖街站和曹仲站采用利用结构围护桩钢筋降低工频接地电阻的方案，同时以深打垂直接地极的方法做为实测电阻率仍不满足要求时的补救措施。连接结构围护桩钢筋的做法见图1和图2。
图1 利用镀锌扁钢连接围护桩钢筋示意图
图2 利用镀锌扁钢连接围护桩钢筋剖面图
如图所示，连接结构围护桩钢筋后，相当于将车站底板下埋设的人工接地体与结构围护桩主筋及连接主筋的扁钢构成的接地体进行了并联。人工接地体采用的是材质为T2紫铜的扁铜排，考虑到不同金属材质之间的电离反应，在焊接时要求采用热熔焊，且搭接长度不小于100mm。我们对连接结构围护桩钢筋后的接地网接地电阻进行了核算，计算公式如下：
式中R——接地装置的计算电阻，Ω；
——单根钢筋体的接地电阻，Ω；
——外围结构围护桩钢筋的总电阻，Ω；
K——钢筋体的形状系数；
L——单根钢筋体的长度，m；
n——做为接地体的结构围护桩钢筋的根数，根；
——结构围护桩钢筋之间的屏蔽系数。
根据核算，吉力湖街站及曹仲站采用利用结构围护桩钢筋降低工频接地电阻的方案后，综合接地装置工频接地电阻分别为0.56Ω和0.57Ω，均能满足不大于1Ω的要求。
3、结束语
沈阳地铁九号线工程吉力湖街站和曹仲站最终采用利用结构围护桩钢筋降低接地电阻的设计方案。对后续设计的车站，在设计综合接地方案前应对综合接地装置的接地电阻进行核算，若不能满足不大于1Ω要求，则也应进一步考虑采用其他措施。
综合接地系统是城市轨道交通长期、安全、可靠运行的重要保障。因各地的地质条件差异很大，故选择接地装置的设计方案应因地制宜，以满足功能要求为前提，适当考虑工程实施的可行性和经济因素。
参考文献
[1] 《地铁设计规范》GB 50157-2003 北京：中国计划出版社，2003
[2] 《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008 北京：中国建筑工业出版社，2008
[3] 《工业与民用配电设计手册》-3版 北京：中国电力出版社，2005
[4] 《沈阳地铁九号线工程初步设计技术要求》
[5]黄德胜 《地铁供电与随笔》北京城建设计研究总院，2005