城市轨道交通地上线路接地体的冲击接地电阻测试研究

王朝阳，马九洋，魏志恒，王文斌

（1. 北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100068；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）

1 引言

当雷电波击中杆塔或者避雷线时，大部分雷电流会通过接地装置流入大地，如果接地电阻过高，雷电流会在塔顶产生极高的电压，造成绝缘子闪络，引起线路跳闸。近年来我国许多地区连续发生因为雷击造成的停电事故，其大多是由于接地电阻过高造成的，因此准确评估接地装置的接地电阻对于合理设计线路杆塔接地体型式以及降低雷击损害具有重要的指导意义。

接地体的评判指标通常采用接地电阻，接地电阻可分为工频接地电阻和冲击接地电阻。当前很多工程检测人员简单将工频接地电阻作为冲击接地电阻进行评判，这样的做法是错误的且存在很大问题。两种接地电阻分别对应不同的应用场景，不可混为一谈。雷电等冲击电流通过接地装置流向大地的时候，接地装置所呈现的电阻称为冲击接地阻抗，通常习惯称为冲击接地电阻。

冲击接地电阻阻值是接地体对地冲击电压波形幅值与冲击电流波形幅值之间的比值。为使冲击接地电阻具有更加明确的含义，取接地体冲击响应电压最大值与冲击电流最大值的比值作为冲击接地电阻。冲击接地电阻和工频接地电阻之间的比值称为冲击系数。在现有标准和研究文献中已经给出了部分接地体在不同土壤电阻率下的冲击系数，用于将工频接地电阻转换为冲击接地电阻。

然而在实测中发现，利用冲击系数和工频接地电阻获取冲击接地电阻数值时，接地体越大误差就越大。对于城市轨道交通线路这种狭长分布的大型接地体而言，轨道线路的接地体形状与当前常见地网或接地体的形状差别甚大，现有的相关冲击系数计算曲线无法适用于城市轨道交通线路的接地体模型，应尽可能采用有针对性的实测方法获取冲击接地电阻。

2 研究现状分析

当前国内关于冲击接地电阻的测试方法有着多种标准要求，但是不同标准的应用面临不同的现场可操作性和操作难度问题。而且将相关标准用于城市轨道交通地上线路接地体的冲击接地电阻测试时，应对方法中的具体参数设置进行适当优化。

2.1 现有标准体系分析

2.1.1 测试方法标准

当前关于冲击接地电阻的主要测试标准有3个，分别为GB/T 17949.1-2000 《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则 第1部分：常规测量》、DL/T 266-2012 《接地装置冲击特性参数测试导则》和IEEE STD 81-2012《IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System》，其中GB/T 17949.1-2000与IEEE STD 81-2012中的标准内容基本一致[1-3]。

GB/T 17949.1-2000中测试冲击接地电阻，要求测试源发出的冲击电流波形采用8/20 μs或者是 4/10 μs，电流幅值为1～100 kA[1]。DL/T 266-2012中认为对于正在运行中的大型接地装置，为避免引起地电位升高而危及人员设备安全，不应使用大幅值的冲击电流。因此DL/T 266-2012要求试验电源最大输出电压为5 000 V，冲击电压波头/波长时间为1～5 μs/50～80 μs，冲击电流峰值不小于5 A[3]。

2.1.2 限值标准

GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》中的相关要求：对于一类防雷建筑物，根据4.2.1-4.2.4条规定，独立接闪杆、架空接闪线或架空接闪网的接地装置引下线（指用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体）的冲击接地电阻不宜大于10 Ω，在土壤电阻率高的地区，可适当增大冲击接地电阻，但在3 000 Ω · m以下的地区，冲击接地电阻不应大于30 Ω；对于二类防雷建筑物，根据4.3.6条中规定，其防雷引下线冲击接地电阻不宜超过10 Ω，超过的话需要对接地体进行相应改造达到标准中的相关要求[4]。

参考GB 50057-2010中防雷建筑物的分类要求，以及城市轨道交通运营对安全性极高的重视程度，建议城市轨道交通线路的冲击接地电阻不宜超过10 Ω，现场地质环境极为特殊或土壤电阻率过高的复杂区域可适当提高限值但不应超过30 Ω。

2.2 现有研究文献分析

冲击接地电阻的测试分析方法主要包括实测、模拟、计算3方面。其中，文献[5]给出了常见接地体的工频接地电阻与冲击接地电阻的换算系数[5]。文献[6]提出了利用冲击信号传播时的电感效应，在接地网内部完成冲击接地电阻测试的方法[6]。文献[7]提出了综合模拟测试和数值计算的冲击接地电阻测量方法[5，7]。文献[8]对杆塔模型的冲击接地电阻测试提出了仿真分析模型，并分析了冲击接地电阻的受影响因素[8]。文献[9]提出了以多频率组合测量代替标准雷电波形进行冲击接地电阻测试的方法[9]。

对于冲击接地电阻测试的影响分析主要包括冲击信号源、接地体、土壤特性、测试电流极等几方面。其中，文献[10]从冲击信号注入点位置、接地网埋深对测试的影响及接地体有效泄流面积进行了分析[10]。文献[11]说明了冲击波形的时间参数以及正负极性对于测试结果的影响程度[11]。文献[12-13]着重分析了接地体形状、电感效应、火花效应及土壤特性对于接地体冲击接地电阻测试的影响；接地体在冲击电流作用下存在有效面积，单纯增大地网面积对冲击接地电阻的降低作用有限；接地体的冲击接地电阻主要受到地表浅层30 m深度土壤的影响，评价接地体冲击接地电阻时，只需要获取一定深度的土壤电阻率，不必进行大范围深层土壤电阻率测量[12-13]。文献[14-15]从测试电流极的形状、接地电阻角度分析了对冲击接地电阻测试结果的影响[14-15]。

2.3 当前问题分析

目前关于接地体冲击接地电阻测试方面的研究已有很多相关文献资料，对于测试过程和测试方法中的影响因素也有较为细致的研究。但是对于城市轨道交通线路这种由垂直接地体、水平接地体等通过串并联方式形成的立体狭长形状的接地系统，还没有明确的研究成果。

对于城市轨道交通线路接地体应该采用何种形式的冲击信号源、狭长型接地系统的有效泄流范围、测试电压幅值及测试电缆摆放方式对测试结果的影响等实际操作中会遇到的问题，还没有明确的相关规定。

3 测试分析

3.1 冲击源波形参数设置

GB/T 17949.1-2000和DL/T 266-2012分别对冲击信号发生器的输出电流和输出电压的波形参数进行了规定，这直接影响测试设备的选取、现场测试难易度及工作量。对于单一接地体而言，由于现场工程对接地体铺设以及回填土的填埋、接地体下方的原始土壤地质特点和土壤率的影响，小型接地体的冲击接地电阻很容易达到10 Ω级别。如果按照GB/T 17949.1-2000中的要求，在电流幅值达到1～100 kA情况下，则接地体电位升会达到10～1 000 kV级别。能够产生如此高幅值冲击电位的冲击信号源往往都是实验室内所用的测试设备，而且此类设备自身体积和重量十分巨大，进行现场测试时搬运十分困难。

一方面，在城市轨道交通线路建成投入运营之后，相关电气电子设备均处于正常工作，或与线路间正常电气连接的状态，因此对于处于工作状态的城市轨道交通线路接地体，应避免使用大幅值的冲击电流，以免出现引起地电位抬升过高而危及人员、设备安全的情况。另一方面，从国家标准体系分类角度，行业标准要严于国家标准，而且更具有针对性。

因此对于城市轨道交通线路的冲击接地电阻测试方法推荐参考DL/T 266-2012中的相关要求。建议冲击信号源的输出电压不宜低于2 000 V；对于杆塔等小型独立接地体，输出电压不宜低于500 V；输出的浪涌波形应满足冲击电压波头/波长时间在1～5 μs/50～80 μs内。冲击信号源发出的某种标准浪涌信号波形如图1所示。

图1 典型冲击源发出的浪涌波形图

图中的浪涌波形中，波头时间为1.2 μs，波长时间为50 μs。在测试过程中，可根据测试中得到的接地体对地电位波形，对冲击源发出的浪涌波形参数进行调整，调整范围满足波头时间在1～5 μs内，波长时间在50～80 μs内即可。测试时可采用不同充电电压量级依次进行3～5次测量，然后取平均值作为测试结果。

3.2 地上线路接地体的有效泄流范围

接地体在经受冲击电流时所体现出来的散流特性决定了接地体受冲击电流引起的电位抬升水平与雷击防护水平。

由于冲击电流含有较高的高频分量，因此除接地体自身电阻特性外，接地体的电感和电容分布参数也会受到非常明显的影响。其影响程度，一方面与接地体的形状设定有关，另一方面还和冲击电流的波形、幅值以及土壤电阻率相关。

由于接地体自身电感对冲击电流形成的阻碍效应，冲击电流难以从注入点流向大型接地体的远端，进而难以充分利用全部接地体进行电流泄散。根据现有研究结果，地网的冲击接地电阻数值在一定范围内会随着地网面积的增大而逐渐减小，但是到达与冲击波形、地网自身参数和土壤电阻率相关的某个临界值之后，就不会再与地网面积出现相关性，冲击接地电阻的数值也近似稳定。

冲击电流在线路上向下泄散过程中，会引起线路方向不同程度的地电位抬升。通过线路上不同位置处地电位抬升的测试可以明确冲击电流在城市轨道交通线路上的有效泄流范围。测试注入点和注入点一侧距离50 m、100 m处的地电位抬升情况，测点选择在钢支柱的接地引线处，冲击电流的回流极选择在线路上行侧130 m处，地电位测点的零电位参考点选择在线路下行侧30 m处。测试过程中，相关测试线缆离地平均高度0.5 m。测试结果如表1所示。

表1 地电位抬升测试数据表

通过测试数据可知，50 m位置处接地体上的冲击电位衰减降低至注入点地电位抬升量的10%；100 m处降低至注入点的3%左右。不同位置接地体冲击电位分布图如图2所示，根据地电位抬升的分布规律，可以认为冲击电流在城市轨道交通线路上的有效泄散范围不超过 100 m。

图2 接地体冲击电位分布图

3.3 测试电压幅值的影响

使用不同幅值冲击电压分别进行冲击接地电阻测试，测试结果如表2所示。

根据测试结果，较大冲击电压或是冲击电流对应的接地体冲击接地电阻，比低幅值冲击信号所得到的数值要小。这是因为当雷电流经过接地体泄放的时候，由于接地体周边土壤中的电场强度较强，超过2.5～3 kV/cm时，容易出现局部放电的情况，由于局部放电击穿了一定区域内的土壤，从而降低了冲击接地电阻。根据表2中的测试数据绘制出的图形如图3所示。

表2 冲击接地电阻测试数据表

由图3可以看出，冲击接地电压幅值与接地体对地冲击电位之间是线性关系。冲击接地电阻测试结果与冲击电压幅值之间是非线性关系，这是由于接地体进行冲击电流测试时，土壤中产生火花放电效应所导致。火花放电效应类似于减少土壤电阻率或增加接地体导体直径所起到的效果。出现土壤击穿的区域越多，冲击接地电阻的降低幅度越大。

图3 冲击电压幅值对测试的影响分析图

3.4 测试电缆离地高度的影响

将测试线缆通过绝缘支架悬挂于距离地面一定高度，由于线缆的弧垂效应，因此实际上的电缆离地高度是变化的，分布范围在0.4～1 m之间，平均高度经过现场测量和计算，取值0.6 m。测试结果如图4所示。

图4 测试线缆离地高度的影响分析图

由于受到测试线缆对地电容、电感分布参数影响，导致测试结果受到测试电缆离地高度的明显影响，线缆平铺于地表与离地平均高度0.6 m时相比，测试结果平均提高20%左右。因此在冲击接地电阻测试中，应尽可能采用绝缘支架将测试线缆架起一定高度，降低线缆对地参数的干扰影响。

4 结论

（1）对城市轨道交通地上线路接地体进行冲击接地电阻测试时，为避免影响处于运行状态的设备安全，可参考DL/T 266-2012中的相关要求，设置冲击信号源的输出电压不宜低于2 000 V，输出的浪涌波形应满足冲击电压波头/波长时间在1～5 μs/50～80 μs内。

（2）由于冲击电流在泄放过程中，受到电感效应影响，接地体的泄流范围受到限制，根据实测结果，城市轨道交通地上线路接地体的泄流范围在100 m之内。

（3）冲击电压会对冲击接地电阻的测试结果产生明显影响，且呈现非线性对应关系，这是由于随着冲击电压幅值的升高，土壤中出现火花放电效应导致。

（4）测试电缆距离地面的高度会对结果产生明显影响，应尽可能采用绝缘材料将测试线缆保持一定的离地高度；同时线缆之间成一定角度的分离状态，减小线缆之间的电磁耦合对测试结果的影响。

在实测过程中发现，城市环境中的轨道交通线路周边往往很难找到理想的空旷测试环境，当线路周边存在大型建筑物时，冲击接地电阻测试结果很容易受到周边建筑物的接地体干扰影响。因此可继续展开相关研究，避免线路周边建筑物对测试结果造成的干扰影响，得出在城市环境中的测试方法。

为制定城市轨道交通的防雷冲击接地电阻相关标准，仍需进一步对城市轨道交通线路冲击接地电阻展开实测研究，统计更多测试样本，加深理论分析深度，总结出针对城市轨道交通的测试方法和测试限值要求。