地鐵車站綜合接地系統設計探討及案例分析

鄭 悅

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，河南 鄭州 450001）

隨著城鎮化的不斷推進，城市軌道交通已經成為大型城市基礎建設中不可缺少的部分，地鐵車站集供電系統、配電系統、電子信息系統等各類功能系統于一體，各功能系統的正常運行都必須滿足其對接地要求，同時要保障地鐵車站人員的人身安全和設備正常運行，地鐵綜合接地設計對整個地鐵設計來說尤其重要。以鄭州地鐵12號線西周站為例，從設計角度對地鐵車站綜合接地系統進行研究討論，并對接地裝置跨越結構變形縫的處理措施進行分析，提出綜合接地設計方案。

1 地鐵綜合接地的作用

民用建筑的電氣設計及低壓配電系統中，接地措施必不可少，它是建筑物、設備及人身安全的有力保證。地鐵車站是集多種機電系統于一體、設備管線敷設集中的公共建筑，其接地系統尤為綜合：有牽引變電所及降壓變電所供電系統的工作接地；有為保證人身安全和設備安全的保護接地；有通信信號系統等弱電設備的系統接地、邏輯接地、屏蔽接地；有車站地面結構的防雷接地[1]。

目前地鐵工程中普遍采用綜合接地的形式，即上述多種接地共用一個接地網。它由接地網、接地引出線、接地端子排等部分組成。綜合接地系統在防雷電流、防雜散電流、工作接地等方面均起到重要作用，是地鐵工程人身安全、設備安全及運營可靠性的重要保證[2]。

2 地鐵綜合接地系統的設置原則

（1）綜合接地裝置的設計需要滿足人身安全、設備安全和運營可靠性并兼顧經濟性。

（2）綜合接地系統應兼顧雜散電流腐蝕防護的要求。在接地安全設計與電流腐蝕防護設計發生矛盾時，優先考慮接地安全設計[3]。

（3）車站室外接地網采用人工接地體及自然接地體相結合的設計，車站設置綜合接地網，強電接地、弱電接地共用室外接地網，構成綜合接地網。

（4）變電所、動力照明強電系統與通信、信號、火災報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、自動售檢票系統（AFC）等弱電系統，共用一組綜合接地裝置。

（5）接地引入線妥善保管，不得丟失、斷裂。強電設備接地母排設置在變電所夾層內，弱電設備接地母排設置于站臺板下弱電井附近。接地引入線要考慮引上點位置的防水要求。

（6）接地系統的設計滿足強、弱電設備接地、保護接地的要求，綜合接地體電阻值應符合其中最小值要求[4]。

3 地鐵綜合接地系統組成

3.1 自然接地體

根據《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）規定：變電所應利用車站結構鋼筋或變電所結構基礎鋼筋等自然接地極作為接地裝置，并宜敷設以水平接地極為主的人工接地網。自然接地裝置和人工接地網間應采用不少于兩根導體在不同地點相連接。自然接地極與人工接地網的接地電阻值應能分別測量[5]。

有別于其他民用建筑，在地鐵項目中自然接地裝置即為車站的主體結構鋼筋。對于接地系統，地鐵與其他建筑物的主要區別在于地鐵的牽引供電系統為750 V或1 500 V的直流供電模式，通過饋電線路送至接觸網，機車通過受電弓從機車上方接觸網獲得電力，通過機車走行軌作為回流線路，將電流引回至牽引變電所從而完成電流的回流[6]。由于走行軌與大地之間無法做到完全絕緣，通過走形軌回流至牽引變電所的電流必有一部分通過大地流回，這就是雜散電流。所以在早期的地鐵設計中很大部分接地都只采用人工接地網，未考慮自然接地體。根據新規，并結合雜散電流排流措施，該工程利用自然接地體做綜合接地，其中強電接地母排不少于兩處與車站結構柱鋼筋預埋件可靠焊接，設置的人工接地網與車站主體的結構鋼筋網等自然接地體共用接地系統。

3.2 人工接地網

地鐵車站綜合接地網位于車站主體結構底板墊層的下方或者結構頂板的上方。人工接地網由水平接地體、垂直接地極和接地引出裝置等組成。垂直埋設的接地極宜采用圓鋼、鋼管、角鋼等，水平埋設的接地極及其連接導體宜采用扁鋼、圓鋼等[7]。人工接地網的邊緣應采用圓弧轉角。接地網需要包含變電所房屋投影區域，接地網的大小直接影響到接地網接地電阻的大小。

3.3 車站等電位聯結

3.3.1 弱電設備接地

地鐵車站其他設備專業房間如AFC控制室、綜合監控設備室、車控室、通號電纜間、通信電源室、信號設備室等設備房內均應設置弱電接地端子箱，端子箱的具體規格以及設置數量、位置均由各設備專業自行設計，各設備專業房間內弱電接地端子排引出的接地線由各設備專業自行設計實施。接地干線采用電纜以手拉手方式將各設備房屋內的弱電端子箱相連，并接入弱電總接線端子排。

3.3.2 局部等電位聯結

在電氣設計中非常重視等電位聯結，通過等電位聯結可以消除設備超額的電位差，它對用電安全、人身安全、防雷擊侵害、機電設備以及弱電設備的正常工作和安全使用，都是十分有效的保障措施。

地鐵車站面積大、設備房屋多，在各設備房屋以及衛生間、水泵房內都要設置局部等電位的預埋，局部等電位端子預埋件通常設置在結構柱上，預埋件與結構柱內兩根主鋼筋可靠聯結。房間內的金屬設備外殼等可導電部分就近與局部等電位聯結。

4 接地電阻值的確定

國內很多地鐵車站接地設計中，接地電阻均要求不大于0.5 Ω。該取值并沒有相關標準或規范作為依據，只是地鐵建設早期參照其他國家的做法。有些說法認為通信及信號等專業的弱電設備系統除了設備外殼和線纜屏蔽層的工作接地，還需要有精密集成電路基準電位的接地，所以接地電阻要求為0.5 Ω[8]。

弱電設備基準電位的接地主要是指電路內部的高頻電流接地，而非防雷擊電磁沖擊和短路接地。電路內部的高頻電流接地的電阻值與工頻接地電阻不同，一味地降低工頻阻值對提高弱電設備工作接地效果意義不大。弱電設備的高頻接地應根據其工作頻段選擇阻抗合適的接地電纜通過接入弱電接地母排（WCE）來實現接地。因此無需單純為了達到更低的阻值而犧牲工程的經濟性或因此而無謂地增加施工難度。

根據《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019）規定：建筑物各電氣系統的接地，除另有規定外，應采用同一接地裝置，接地裝置的接地電阻應符合其中最小值的要求。各系統不能確定接地電阻值時，接地電阻不應大于1 Ω。研究認為地鐵車站接地電阻值按不大于1 Ω設計更為合理。

5 鄭州地鐵12號線車站綜合接地系統設計方案

5.1 車站概況

西周站是本線路第4 座車站，地下三層島式車站，車站設1個出入口，2個風道，整個車站建筑面積約18 900 m2。車站設一座0.4 kV 降壓變電所和一座牽引變電所。在設備層兩端分別設置了環控電控室，在站廳、設備層、站臺的兩端分別設置了照明配電室。辦公用房有吊頂，弱電設備機房有防靜電地板。站廳層公共區有吊頂，吊頂下凈空3.5 m，站廳層地面墊層厚0.15 m。站臺層公共區有吊頂，吊頂下凈空3.2 m，站臺層地面墊層厚0.1 m。

5.2 綜合接地網設計

西周站綜合接地裝置由人工接地體（水平接地極和垂直接地極組成，水平接地極采用50 mm×5 mm 扁銅）及自然接地體（車站構筑物內不小于Φ16鋼筋）組成。綜合接地裝置埋設時躲過地下車站的基礎梁的位置，設置在結構底板墊層以下800 mm處，并可根據結構基礎情況進行相應調整。水平接地極之間設均壓帶，均壓帶采用50 mm×5 mm扁銅，銅的材料選用紫銅。接地網外緣各轉角均設置成圓弧狀，這樣環內的電位會更平、均壓效果更好、環內被保護物體越安全。車站綜合接地系統設計方案如圖1所示。

圖1 車站綜合接地系統設計方案

5.3 系統設備構成

5.3.1 接地引入線的設置

在地鐵接地設計中綜合接地網與接地母排之間采用接地引入線進行聯結。本項目的強、弱電接地系統獨立設置接地引入線，并且強、弱電引入線需要間距至少20 m。每組接地引入線引出3 條端子，其中1條備用，故本次設計共設置6組接地引入線。為便于設備接入，弱電接地母排WCE設置在距離弱電井較近的3、4 軸之間，同時引入線位置設置在WCE附近；強電接地母排PCE設置在11、12軸之間牽引變電所夾層內且就近與結構柱鋼筋聯結，引入線位置設置在PCE附近。

接地引入線需要穿越車站的結構底板，因此引入線必須要做好絕緣、防水、防腐。工程綜合接地裝置的接地引入采用成套裝置，在穿越結構底板時，要求做防水和絕緣處理，具體做法如圖2所示。

圖2 接地引入線大樣圖

5.3.2 局部等電位的設置

車站的照明配電間、環控電控室、污水泵房、環控機房、冷凍機房、淋浴間設置在地下二層設備層；廢水泵房、照明配電室等設置在地下三層站臺層，在以上房屋內均設置局部等電位聯結箱，局部等電位聯結箱應與房間內預留接地預埋件聯結?？刹捎妹餮b或暗裝的安裝方式，底邊距建筑地面0.3 m。局部等電位聯結預埋件做法如圖3所示。

圖3 局部等電位聯結預埋件做法大樣圖

本項目弱電設備接地設計為各弱電專業在本設備房屋內自設接地箱，動照專業采用1X95燃燒性能等級為B1 級的低煙無鹵阻燃電纜連接各接地箱。各設備專業接地箱位置參見各專業布置圖。在實際設計工作中對于有特殊需求的專業，動照專業會在其設備房內多預留10 m 接地電纜供其使用。接地干線采用環形接線（手拉手），將各設備房接地箱接入弱電總接地端子箱。弱電接地系統干線圖詳見圖4。

圖4 弱電接地系統干線圖

5.4 車站變形縫等電位的設置

地鐵車站從結構上劃分為車站主體結構和車站附屬結構，其中附屬結構又分為出入口附屬、風道風亭附屬。由于主體結構與各個附屬結構間的沉降程度、施工時間以及施工工藝的不同，在主體結構與各個附屬結構之間會設置有結構變形縫。結構變形縫的設置相當于將主體結構與附屬結構分割開來，形成了獨立的結構體。

由于車站出入口用電設備較為集中，一般都會有電扶梯、局部水泵、出入口卷簾門等設備，因此出入口附屬也應敷設有接地裝置并且該接地體應與主體接地體形成等電位。目前普遍的做法是在出入口吊頂內設置一根通長的鍍鋅扁鋼并引至各設備及配電箱處進行接地。

車站綜合接地網設置于主體結構投影面積內，出入口設備一般位于附屬且遠離車站主體的車站入口附近，為了使出入口設備與車站主體接地良好接通形成等電位，僅僅是通過扁鋼聯結兩個結構間的接地體是不夠的，需要加強此處的等電位可靠性。本站在出入口變形縫兩端設置兩處等電位預埋件，具體做法為在變形縫兩側距頂板下500 mm處設置兩處總等電位預埋件，動照專業采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼電氣聯結，并在變形縫兩側與總等電位預埋件聯結。這樣在確保2個結構體接地等電位可靠聯結的同時，也可以進一步加強接地裝置應對結構間沉降差異的能力，有效提高出入口設備的接地安全。

5.5 接地電阻計算

綜合接地網工頻接地電阻取值應滿足綜合接地系統中各設備要求接地電阻之中的最小值。根據國內地鐵項目經驗，在既保證車站使用安全又兼顧節約投資、節省資源的前提下，本項目的做法是接地電阻取值不大于1 Ω。

地鐵綜合接地網的接地電阻值受接地體接地極材料、接地體布置情況、接地體附近土壤電阻率、接地網聯結方式等情況影響計算復雜，在工程設計上參照《交流電氣裝置的接地設計規范》[9]（GB/T 50065—2011）中的簡化公式計算。

式中：ρ為接地體所處土壤電阻率，Ω·m；S為閉合接地網的面積，m2（須大于100 m2）。

該車站底板埋深深度約為28 m，根據地勘資料此處地質土層為粉質黏土，土壤電阻率取值65.1 Ω，閉合接地網設置于車站投影面積內，設計面積為2 920 m2，經計算本項目接地網工頻接地電阻值約為0.6 Ω，滿足設計要求。

6 結語

地鐵已成為大多數大中型城市的主要交通工具，地鐵車站接地系統的安全可靠直接影響地鐵內人員的人身安全以及設備的正常運行。文章對地鐵車站綜合接地系統做了全面詳細的論述。通過工程實例給出一整套設計方案，并對接地裝置跨越結構變形縫的處理措施提出了改進措施，為地鐵綜合接地系統設計的進一步研究與優化提供參考。