城轨交通供电系统的接地装置

一、接地的基本概念与分类

1. 接　地

接地是指供电系统中将电气设备或电气装置的某些金属用导体（接地线）与埋设在土壤中的金属导体（接地体）相连，并与大地做可靠的电气连接。它的主要作用是防止人身受到电击，保证电力系统的正常运行，保护线路和设备免遭损坏，预防电气火灾，防止雷击和防止静电损害等。接地处理的正确与否，对供电系统安全运行、保护设备绝缘免受异常过电压破坏、防止人身遭受电击具有极其重要的作用。

在供电系统中，接地的范围非常广，凡是电气系统和设备都涉及接地的问题。这里“地”的概念包括大地或指范围更加广泛、能用来代替大地的等效导体，比如飞机、轮船的金属外壳等。

在城轨交通供电系统中，“地”的种类也很多，比如：大地、结构地、牵引系统地等，其中牵引系统地即为直流牵引供电系统回流用的走行轨。

在供电系统接地中，接地一般指与变电所接地母排直接连接，或通过设备中的接地排与变电所接地母排连接，而不是指与埋在大地内的接地极直接相连接。

2. 接地装置

接地体是指埋入土壤内并与大地直接接触的金属导体或导体组，也叫接地极；接地线是连接于接地体与电气设备接地部分之间的金属导线；接地线与接地体合称接地装置。

接地装置是完成系统、设备接地功能的材料和设备的总称，包括接地母排、接地线和接地极等，其材料一般多选用扁钢或圆钢。表征接地装置的重要参数之一是接地电阻，接地装置的接地电阻值应始终满足各接地系统接地电阻最小值的要求，接地装置的各个组成部分应有足够的截面，满足在接地故障的条件下的动热稳定，接地装置的材质和规格在其所处环境内应具备抗机械损伤、腐蚀和其他有害影响的能力。装置本身就是安全装置，对于防止触电事故的发生有十分重要的意义。

3. 接地的分类

按照供电系统电流制式和频率可分为交流供电系统的工频接地、直流牵引供电系统的接地和雷电及过电压的冲击接地。

按照供电系统电压等级可划分为高压系统的接地、中压系统的接地和低压系统的接地。

按照接地的作用可分功能性接地和保护性接地。

（1）功能性接地

功能性接地是为了系统正常运行的可靠性及异常情况下保障系统的稳定性而设置的，分为工作接地、逻辑接地、屏蔽接地、信号接地四种。如电源（发电机或变压器）的中性点直接（或经消弧线圈）接地、电压互感器一次侧中性点的接地、两线一地制供电方式中接地相的接地等，都属于工作接地。

工作接地是为了保证供电系统的正常运行，防止系统振荡，保证继电保护的可靠性。如工作接地采用直接接地方式，可在系统发生接地故障时，产生较大的接地故障电流，使继电保护迅速动作，切除故障回路。在交流系统中，此点一般为中性点。

逻辑接地是为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的金属件作为参考零电位，需获得零电位的电子器件接在此金属件上。

屏蔽接地是将金属壳或金属网接地，保护壳内或网内的电子设备不受外界的电气干扰，或者使壳内或网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。

信号接地是为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地。

（2）保护性接地

保护性接地是以人身和设备安全为目的而设置的，分为保护接地、防雷接地、防静电接地、防电蚀接地四种。

保护接地是将设备的外露导体部分接地，是为了防止电气设备绝缘被损坏，或产生漏电时，使正常运行不带电的电气设备、外露可导电部分或电气装置外露可导电部分带电而导致电击危险。保护接地能够在设备绝缘破坏时，降低电气设备外露可导电部分对地的电压，从而降低人身接触该可导电部分对地的接触电压。保护接地还为接地故障电流提供了返回电源的通路，但只有系统接地为直接接地或小电阻接地时，才会形成较大的故障电流，保护装置快速动作切除故障回路。

防雷接地是将雷电导入大地，防止雷电流使建筑物、构筑物、电气设备等遭受雷电流的破坏，防止人身遭受雷击。防雷接地分为直击雷接地和雷电感应过电压保护装置的接地。直击雷通过防雷装置进行防护，由接闪器、防雷引下线和接地极组成，直击雷的接地就是将接闪器引导的雷电流经过防雷引下线引至接地极。对雷电感应过电压应设置避雷器保护，避雷器安装在配电装置内，避雷器一端与相线连接，另一端接地，当雷电感应过电压超过避雷器的放电值时，避雷器被击穿，从而保护电气设备绝缘不被损坏。

防静电接地是将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。

防电蚀接地是在地下埋设金属体作为牺牲阳极或牺牲阴极，保护与之连接的金属体。

二、综合接地体及接地原则

1. 综合接地体概述

在供电系统中，同时存在多个用于不同目的、不同用途的接地系统。比如，在交流系统中，任一电压等级都同时存在工作接地和保护接地，110/35 kV主变电所中存在110 kV设备的保护接地、35 kV系统的工作接地和35 kV设备的保护接地；车站35/0.4 kV降压变电所中存在35 kV设备的保护接地、0.4 kV系统的工作接地和0.4 kV设备的保护接地。

城轨供电系统中的通信等其他设备系统也需要设置用于设备正常工作以及设备和人身安全的工作接地、防雷接地和保护接地，因此，一个车站内要求接地的系统和设备有很多。在对接地装置的要求上，可以共用接地装置，也可以分设接地装置，但分设接地装置时强电和弱电接地装置需要相距20 m以上。在分开设置不同的接地装置时，若距离不能满足要求，将导致由于接地装置电位不同所带来的不安全问题，而且不同接地导体之间的耦合影响也难以避免，会引起相互干扰。因此，目前城轨交通供电系统中多采用综合接地系统。

综合接地系统是指供电系统和需要接地的其他设备系统的工作接地、保护接地和防雷接地等采用共同的接地装置，并实施等电位联结措施。各类接地可以采用单独的接地线，但接地极和“等电位面”是共用的，不存在不同接地系统接地导体之间的耦合问题，也避免了采用不同接地导体时产生的电位不同的问题。综合接地装置的接地电阻值按照接入设备的要求和人身安全防护的要求等几方面综合确定，不能大于接入设备所要求的最小接地电阻值。

综合接地系统一般由共用接地极引出两个接地母排：其一是强电接地母排，其二是弱电接地母排，分别用于供电系统和通信信号等弱电系统的各类接地，如图6.9所示。

图6.9　城轨交通供电系统的综合接地系统

2. 城轨交通接地系统的接地原则

城轨交通接地系统的接地原则有以下几点：

① 全线接地按综合接地系统的概念进行设计，使全线形成统一的高低压兼容、强弱电统一的接地系统；

② 满足沿线接触导线和馈电线断线可能搭触到设备的安全接地要求；

③ 满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地与安全接地要求；

④ 满足其他车站设备工作接地与安全接地要求；

⑤ 满足接触网系统工作接地与防雷接地要求；

⑥ 当杂散电流防护设计与安全接地发生矛盾时，优先考虑安全接地。

3. 城轨交通接地系统的构成

城轨交通接地系统的构成：

① 每个车站单独设置一个接地网，供车站各种设备的工作接地和安全接地用；

② 沿线电缆支架上敷设一贯通的接地金属体，供沿线区间电气、通信、信号等机电设备安全接地用；

③ 架设架空地线，供接触网系统设备工作接地、安全接地和防雷接地用；

④ 牵引回流系统采用浮空不接地方式，钢轨、负回流线、直流开关柜、整流器及负极柜采用绝缘法安装；

⑤ 全线各车站、车辆段和停车场设钢轨电位限制装置。

三、交流供电系统的接地

交流接地系统指包括高压、中压和低压配电系统的工作接地、保护接地、防雷及过电压接地等。

城轨交流供电系统的电压等级一般有110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV等，其接地内容包括工作接地、电磁兼容接地等功能性接地和电气装置的接地、防雷接地、过电压设备接地等保护性接地。

系统的工作接地包括电源中性点、中性线、保护中性线、电流互感器、电压互感器、三工位负荷开关、接地开关等接地。电源中性点、中性线、保护中性线的接地是指主变压器、配电变压器中性点的接地方式与变电所接地母排是直接连接关系。电流互感器、电压互感器、三工位负荷开关、接地开关等设备或电气元件均设在成套开关设备中，这些接地不直接与变电所接地母排单独连接，而先与开关设备中的接地排相连，然后通过设备的保护接地线与变电所接地母排相连。

电气装置的保护接地为各种电气装置外露可导电部分与变电所接地母排的电气连接；防雷接地指接闪器通过防雷引下线与大地的连接；过电压设备的接地就是为防止过电压击穿设备绝缘而设置的避雷器的接地，避雷器也设在开关设备内，因此避雷器的接地端与开关设备接地排相连接，通过开关设备的保护接地线与变电所接地母排连接，实现接地。

1. 工作接地

对于不同电压等级的交流供电系统，其工作接地具有一定的特殊性，而保护接地的要求和做法是基本相同的。

交流高压供电系统的接地方式是由当地城市电力部门确定的。城轨交通供电系统中交流中压系统均采用电缆，其接地方式既有消弧线圈接地，也有小电阻接地方式。

低压系统的工作接地，分为中性点直接接地和不接地两种方式。在具体形式上，我国等效采用国际电工委员会（IEC）标准，将工作接地和低压电气设备接地进行组合，形成了TN、TT、IT三种接地形式。

TN、TT、IT其意义如下：

第一个字母表示电力系统的对地关系；

T——电源端有一点直接接地，即中性点直接接地；

I——电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，即中性点不接地；

TN、TT、IT其意义如下：第二个字母表示电气装置外壳的对地关系；

T——电气装置的外壳部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点；

N——电气装置的外壳部分与电源接地点有直接电气连接。

配电系统导线代号：

电源的中性线：代号（N），它的功能一是用来接额定电压为相电压的单相用电设备，二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流，三是用来减小负荷中性点的电位偏移。

保护线：代号（PE），它的功能是保障人身安全，防止触电事故发生。

保护中性线：代号（PEN），它兼有中性线（N线）和保护线（PE线）的功能。这种保护中性线在我国通称为“零线”，俗称“地线”。

（1）TN系统

TN系统是电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过中性导体或保护导体连接到此接地点是接地形式。

根据中性导体和保护导体的组合情况，TN系统有三种形式：TN—S系统、TN—C系统和TN—C—S系统。

TN—S系统：整个系统的中性导体和保护导体是分开的，如图6.10所示。

图6.10　TN—S系统

TN—C系统：整个系统的中性导体和保护导体是合一的，如图6.11所示。

图6.11　TN—C系统

TN—C—S系统：系统中一部分线路的中性导体和保护导体是合一的，如图6.12所示。

图6.12　TN—C—S系统

（2）TT系统

TT系统是电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点的接地形式，如图6.13所示。

图6.13　TT系统

（3）IT系统

IT系统是电源端的带电部分不接地或有一点通过高阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地的接地形式，如图6.14所示。

图6.14　IT系统

2. 保护接地

交流设备的保护接地就是处理电气装置或电气设备的外露可导电部分，即金属外壳与地的关系。无论系统接地采用什么形式，交流系统电气装置的外露可导电部分均要接地。实施保护接地可以降低预期接触电压，提供接地故障电流回路，为过电压保护装置接地提供条件，实施等电位联结。

对于变电所内的电气设备，接地做法为外露可导电部分直接通过接地线与接地母排进行电气连接。

交流电气设备的接地范围：

① 主变压器、牵引变压器、配电变压器的底座和外壳；

② 交流高压封闭式组合电器（GIS）和箱式变电所的金属箱体；

③ 中压、低压开关设备的金属外壳；

④ 交直流电源屏的金属外壳；

⑤ 电气用各类金属构架、支架；

⑥ 电缆桥架和金属线槽；

⑦ 电力电缆、控制电缆的穿线金属管；

⑧ 电力电缆、控制电缆的金属护套和外铠装等。

四、直流供电系统的接地

直流接地系统是城市轨道交通工程有别于其他工程的接地系统，由直流牵引供电系统的工作接地、保护接地、防雷及过电压接地组成。

城市轨道交通工程的牵引供电制式多采用直流750 V或直流1 500 V，直流牵引供电系统的主要设备有牵引整流器、直流开关设备、上网开关设备、钢轨电位限制装置、接触网、回流轨等。

1. 系统接地方式

城轨直流牵引供电系统的负极相当于交流系统的中性点，直流牵引供电的工作接地问题就是负极对地关系问题。为减小直流杂散电流对金属结构的腐蚀，直流牵引供电的工作接地采用不接地系统，即正常情况下系统设备的所有正极和负极均与地绝缘。这里的“地”包括大地也包括结构地。

采用走行轨回流，在直流大双边越区供电情况下，走行轨对地电位将高于正常双边供电电位，有时会超过允许值。另外在运行过程中，走行轨也可能出现不明原因的电位升高，此时为保护乘客及运行人员的安全，可通过钢轨电位限制装置将走行轨与地进行短时电气连接，以钳制走行轨对地电位。

走行轨对地电位超过允许限值时，为避免乘客上下车受到跨步电压的影响，钢轨电位限制装置本应将走行轨与结构地短时连接，但考虑到杂散电流问题，目前做法是将走行轨与外引接地装置短时连接，这个外引接地装置的电位要与结构地的电位基本相当。

2. 牵引变电所内直流牵引供电设备的接地

牵引整流器和直流开关设备，包括直流进线柜、直流馈线柜、负母线柜、钢轨电位限制装置，都安装于牵引变电所内，其外露可导电部分即金属外壳不与地直接进行电气连接，而是通过直流框架泄漏保护装置与地形成单点电气连接。

金属外壳与基础槽钢之间设有硬质绝缘板，设备固定采用绝缘安装方法。当系统标称电压为750 V时，绝缘电阻一般不小于50 kΩ；当标称电压为1 500 V时，绝缘电阻一般不小于100 kΩ。各设备金属外壳之间采用电缆实现电气连接，一般在负母线柜接地端子单点通过电缆与直流框架泄漏保护装置连接后，接至变电所接地母排，实现变电所内直流牵引供电设备单点接地。

3. 区间直流上网开关设备的接地

区间直流上网开关包括区间检修线隔离开关，设备的接地可以有以下四种方式：

① 当上网开关设备设在站台的独立设备房间或牵引变电所内时，纳入直流开关柜的框架泄漏保护中，在发生设备外壳漏电时框架保护联跳直流馈出断路器。上网开关设备安装要求与牵引变电所内直流牵引供电设备相同，金属外壳与基础槽钢之间设置硬质绝缘板。这种方式需增加接地电缆。

② 采用非金属绝缘外壳，当柜内发生直流漏电时，设备外壳不会带直流异常电位，也没有杂散电流泄漏问题。这种方式设备投资较高。

③ 设备外壳与基础槽钢之间设置硬质绝缘板，设备外壳与附近走行轨进行电气连接，发生直流漏电时会产生系统正负短路，直流馈线保护动作并切除故障。这种方式要求设备操作维护只能在直流停电后进行，应用受限。

④ 设备金属外壳直接与附近结构钢筋进行电气连接，相当于交流低压IT系统的接地方式。这种方式需要保证并保持正极对外壳的绝缘，使正常泄漏的直流电流不能对结构钢筋产生腐蚀，并需要在正极碰壳发生时能迅速切除故障或进行报警。

4. 车辆段、停车场直流上网开关等设备的接地

车辆段、停车场范围大，直流上网开关设备与检修设备的数量多、分布广，内部金属管线较多。因此直流上网开关等设备的接地问题可通过柜内设置绝缘护板、绝缘电缆支架或采用非金属绝缘外壳等措施解决。