當雷電波擊中桿塔或者避雷線時，大部分雷電流會通過接地裝置流入大地，如果接地電阻過高，雷電流會在塔頂產生極高的電壓，造成絕緣子閃絡，引起線路跳閘。近年來我國許多地區連續發生因為雷擊造成的停電事故，其大多是由于接地電阻過高造成的，因此準確評估接地裝置的接地電阻對于合理設計線路桿塔接地體型式以及降低雷擊損害具有重要的指導意義。

      接地體的評判指標通常采用接地電阻，接地電阻可分為工頻接地電阻和沖擊接地電阻。當前很多工程檢測人員簡單將工頻接地電阻作為沖擊接地電阻進行評判，這樣的做法是錯誤的且存在很大問題。兩種接地電阻分別對應不同的應用場景，不可混為一談。雷電等沖擊電流通過接地裝置流向大地的時候，接地裝置所呈現的電阻稱為沖擊接地阻抗，通常習慣稱為沖擊接地電阻。

      沖擊接地電阻阻值是接地體對地沖擊電壓波形幅值與沖擊電流波形幅值之間的比值。為使沖擊接地電阻具有更加明確的含義，取接地體沖擊響應電壓最大值與沖擊電流最大值的比值作為沖擊接地電阻。沖擊接地電阻和工頻接地電阻之間的比值稱為沖擊系數。在現有標準和研究文獻中已經給出了部分接地體在不同土壤電阻率下的沖擊系數，用于將工頻接地電阻轉換為沖擊接地電阻。

      然而在實測中發現，利用沖擊系數和工頻接地電阻獲取沖擊接地電阻數值時，接地體越大誤差就越大。對于城市軌道交通線路這種狹長分布的大型接地體而言，軌道線路的接地體形狀與當前常見地網或接地體的形狀差別甚大，現有的相關沖擊系數計算曲線無法適用于城市軌道交通線路的接地體模型，應盡可能采用有針對性的實測方法獲取沖擊接地電阻。

研究現狀分析

2.1 現有標準體系分析

2.1.1 測試方法標準

      當前關于沖擊接地電阻的主要測試標準有3 個，分別為 GB/T 17949.1-2000《接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則 第 1 部分：常規測量》、DL/T 266-2012《接地裝置沖擊特性參數測試導則》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 與IEEE STD 81-2012 中的標準內容基本一致 [1-3]。

GB/T 17949.1-2000 中測試沖擊接地電阻，要求測試源發出的沖擊電流波形采用 8/20 μs 或者是 4/10 μs，電流幅值為 1 ～100 kA[1]。DL/T 266-2012 中認為對于正在運行中的大型接地裝置，為避免引起地電位升高而危及人員設備安全，不應使用大幅值的沖擊電流。因此DL/T 266-2012 要求試驗電源最大輸出電壓為 5000 V，沖擊電壓波頭/波長時間為1 ～5μs/50 ～80μs，沖擊電流峰值不小于 5A[3]。

2.1.2 限值標準

      GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》中的相關要求：對于一類防雷建筑物，根據 4.2.1-4.2.4 條規定，獨立接閃桿、架空接閃線或架空接閃網的接地裝置引下線（指用于將雷電流從接閃器傳導至接地裝置的導體）的沖擊接地電阻不宜大于10Ω，在土壤電阻率高的地區，可適當增大沖擊接地電阻，但在 3000Ω.m 以下的地區，沖擊接地電阻不應大于30Ω ；對于二類防雷建筑物，根據 4.3.6 條中規定，其防雷引下線沖擊接地電阻不宜超過 10Ω，超過的話需要對接地體進行相應改造達到標準中的相關要求[4]。

      參考 GB 50057-2010 中防雷建筑物的分類要求，以及城市軌道交通運營對安全性極高的重視程度，建議城市軌道交通線路的沖擊接地電阻不宜超過 10Ω，現場地質環境極為特殊或土壤電阻率過高的復雜區域可適當提高限值但不應超過 30 Ω。

2.2 現有研究文獻分析

      沖擊接地電阻的測試分析方法主要包括實測、模擬、計算 3 方面。其中，文獻 [5] 給出了常見接地體的工頻接地電阻與沖擊接地電阻的換算系數 [5]。文獻 [6]提出了利用沖擊信號傳播時的電感效應，在接地網內部完成沖擊接地電阻測試的方法 [6]。文獻 [7] 提出了綜合模擬測試和數值計算的沖擊接地電阻測量方法 [5，7]。文獻 [8] 對桿塔模型的沖擊接地電阻測試提出了仿真分析模型，并分析了沖擊接地電阻的受影響因素 [8]。文獻[9] 提出了以多頻率組合測量代替標準雷電波形進行沖擊接地電阻測試的方法 [9]。

      對于沖擊接地電阻測試的影響分析主要包括沖擊信號源、接地體、土壤特性、測試電流極等幾方面。其中，文獻 [10] 從沖擊信號注入點位置、接地網埋深對測試的影響及接地體有效泄流面積進行了分析 [10]。文獻[11] 說明了沖擊波形的時間參數以及正負極性對于測試結果的影響程度 [11]。文獻[12-13] 著重分析了接地體形狀、電感效應、火花效應及土壤特性對于接地體沖擊接地電阻測試的影響；接地體在沖擊電流作用下存在有效面積，單純增大地網面積對沖擊接地電阻的降低作用有限；接地體的沖擊接地電阻主要受到地表淺層 30m 深度土壤的影響，評價接地體沖擊接地電阻時，只需要獲取一定深度的土壤電阻率，不必進行大范圍深層土壤電阻率測量 [12-13]。文獻 [14-15] 從測試電流極的形狀、接地電阻角度分析了對沖擊接地電阻測試結果的影響 [14-15]。

2.3 當前問題分析

      目前關于接地體沖擊接地電阻測試方面的研究已有很多相關文獻資料，對于測試過程和測試方法中的影響因素也有較為細致的研究。但是對于城市軌道交通線路這種由垂直接地體、水平接地體等通過串并聯方式形成的立體狹長形狀的接地系統，還沒有明確的研究成果。

      對于城市軌道交通線路接地體應該采用何種形式的沖擊信號源、狹長型接地系統的有效泄流范圍、測試電壓幅值及測試電纜擺放方式對測試結果的影響等實際操作中會遇到的問題，還沒有明確的相關規定。

測試分析

3.1 沖擊源波形參數設置

      GB/T 17949.1-2000 和 DL/T 266-2012 分別對沖擊信號發生器的輸出電流和輸出電壓的波形參數進行了規定，這直接影響測試設備的選取、現場測試難易度及工作量。對于單一接地體而言，由于現場工程對接地體鋪設以及回填土的填埋、接地體下方的原始土壤地質特點和土壤率的影響，小型接地體的沖擊接地電阻很容易達到10Ω 級別。如果按照 GB/T 17949.1-2000中的要求，在電流幅值達到 1～100kA 情況下，則接地體電位升會達到10～1000 kV級別。能夠產生如此高幅值沖擊電位的沖擊信號源往往都是實驗室內所用的測試設備，而且此類設備自身體積和重量十分巨大，進行現場測試時搬運十分困難。

       一方面，在城市軌道交通線路建成投入運營之后，相關電氣電子設備均處于正常工作，或與線路間正常電氣連接的狀態，因此對于處于工作狀態的城市軌道交通線路接地體，應避免使用大幅值的沖擊電流，以免出現引起地電位抬升過高而危及人員、設備安全的情況。另一方面，從國家標準體系分類角度，行業標準要嚴于國家標準，而且更具有針對性。

      因此對于城市軌道交通線路的沖擊接地電阻測試方法推薦參考 DL/T 266-2012 中的相關要求。建議沖擊信號源的輸出電壓不宜低于2000V ；對于桿塔等小型獨立接地體，輸出電壓不宜低于500 V ；輸出的浪涌波形應滿足沖擊電壓波頭/ 波長時間在1～5μs/50～80μs 內。沖擊信號源發出的某種標準浪涌信號波形如圖 1 所示。

       圖中的浪涌波形中，波頭時間為 1.2μs，波長時間為 50μs。在測試過程中，可根據測試中得到的接地體對地電位波形，對沖擊源發出的浪涌波形參數進行調整，調整范圍滿足波頭時間在 1～5μs 內，波長時間在 50～80μs 內即可。測試時可采用不同充電電壓量級依次進行 3～5次測量，然后取平均值作為測試結果。

3.2 地上線路接地體的有效泄流范圍

      接地體在經受沖擊電流時所體現出來的散流特性決定了接地體受沖擊電流引起的電位抬升水平與雷擊防護水平。

      由于沖擊電流含有較高的高頻分量，因此除接地體自身電阻特性外，接地體的電感和電容分布參數也會受到非常明顯的影響。其影響程度，一方面與接地體的形狀設定有關，另一方面還和沖擊電流的波形、幅值以及土壤電阻率相關。

      由于接地體自身電感對沖擊電流形成的阻礙效應，沖擊電流難以從注入點流向大型接地體的遠端，進而難以充分利用全部接地體進行電流泄散。根據現有研究結果，地網的沖擊接地電阻數值在一定范圍內會隨著地網面積的增大而逐漸減小，但是到達與沖擊波形、地網自身參數和土壤電阻率相關的某個臨界值之后，就不會再與地網面積出現相關性，沖擊接地電阻的數值也近似穩定。

      沖擊電流在線路上向下泄散過程中，會引起線路方向不同程度的地電位抬升。通過線路上不同位置處地電位抬升的測試可以明確沖擊電流在城市軌道交通線路上的有效泄流范圍。測試注入點和注入點一側距離 50 m、100 m 處的地電位抬升情況，測點選擇在鋼支柱的接地引線處，沖擊電流的回流極選擇在線路上行側 130 m處，地電位測點的零電位參考點選擇在線路下行側 30 m處。測試過程中，相關測試線纜離地平均高度 0.5 m。測試結果如表 1 所示。

      通過測試數據可知，50 m 位置處接地體上的沖擊電位衰減降低至注入點地電位抬升量的 10% ；100 m 處降低至注入點的 3% 左右。不同位置接地體沖擊電位分布圖如圖 2 所示，根據地電位抬升的分布規律，可以認為沖擊電流在城市軌道交通線路上的有效泄散范圍不超過100m。

3.3 測試電壓幅值的影響

      使用不同幅值沖擊電壓分別進行沖擊接地電阻測試，測試結果如表 2 所示。

       根據測試結果，較大沖擊電壓或是沖擊電流對應的接地體沖擊接地電阻，比低幅值沖擊信號所得到的表1地電位抬升測試數據表數值要小。這是因為當雷電流經過接地體泄放的時候，由于接地體周邊土壤中的電場強度較強，超過 2.5 ～3 kV/cm 時，容易出現局部放電的情況，由于局部放電擊穿了一定區域內的土壤，從而降低了沖擊接地電阻。

      根據表 2 中的測試數據繪制出的圖形如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，沖擊接地電壓幅值與接地體對地沖擊電位之間是線性關系。沖擊接地電阻測試結果與沖擊電壓幅值之間是非線性關系，這是由于接地體進行沖擊電流測試時，土壤中產生火花放電效應所導致。火花放電效應類似于減少土壤電阻率或增加接地體導體直徑所起到的效果。出現土壤擊穿的區域越多，沖擊接地電阻的降低幅度越大。

3.4 測試電纜離地高度的影響

      將測試線纜通過絕緣支架懸掛于距離地面一定高度，由于線纜的弧垂效應，因此實際上的電纜離地高度是化的，分布范圍在 0.4 ～1m 之間，平均高度經過現場測量和計算，取值 0.6 m。測試結果如圖 4 所示。

       由于受到測試線纜對地電容、電感分布參數影響，導致測試結果受到測試電纜離地高度的明顯影響，線纜平鋪于地表與離地平均高度 0.6 m 時相比，測試結果平均提高 20% 左右。因此在沖擊接地電阻測試中，應盡可能采用絕緣支架將測試線纜架起一定高度，降低線纜對地參數的干擾影響。

結論

     （1）對城市軌道交通地上線路接地體進行沖擊接地電阻測試時，為避免影響處于運行狀態的設備安全，可參考DL/T 266-2012 中的相關要求，設置沖擊信號源的輸出電壓不宜低于 2000 V，輸出的浪涌波形應滿足沖擊電壓波頭/波長時間在 1～5μs/50～80μs 內。

     （2）由于沖擊電流在泄放過程中，受到電感效應影響，接地體的泄流范圍受到限制，根據實測結果，城市軌道交通地上線路接地體的泄流范圍在100m之內。

     （3）沖擊電壓會對沖擊接地電阻的測試結果產生明顯影響，且呈現非線性對應關系，這是由于隨著沖擊電壓幅值的升高，土壤中出現火花放電效應導致。

     （4）測試電纜距離地面的高度會對結果產生明顯影響，應盡可能采用絕緣材料將測試線纜保持一定的離地高度；同時線纜之間成一定角度的分離狀態，減小線纜之間的電磁耦合對測試結果的影響。

       在實測過程中發現，城市環境中的軌道交通線路周邊往往很難找到理想的空曠測試環境，當線路周邊存在大型建筑物時，沖擊接地電阻測試結果很容易受到周邊建筑物的接地體干擾影響。因此可繼續展開相關研究，避免線路周邊建筑物對測試結果造成的干擾影響，得出在城市環境中的測試方法。

       為制定城市軌道交通的防雷沖擊接地電阻相關標準，仍需進一步對城市軌道交通線路沖擊接地電阻展開實測研究，統計更多測試樣本，加深理論分析深度，總結出針對城市軌道交通的測試方法和測試限值要求。

Research on impact earthing resistance test of earthing electrode for urban rail transit 

Wang Zhaoyang, Ma Jiuyang, Wei Zhiheng, et al.

Abstract: Urban rail transit requires high safety, however, the electrical system for the over ground line and the metal conductor structure in the rail yard can be easily damaged by a lightning strike. Therefore, urban rail lines and building facilities require good lightning protection. Currently, there is lack of test methods for the impact of a surge condition such as a lightning strike for urban rail transit. The existing earthing effect test methods for such an event can’t be applied to the earthing of the urban rail transit lines. Therefore, by taking practice line test records in consideration this paper finally educed parameter values of earthing resistance tests for urban rail transit line in combination with existing standards and documents, which provides research basis for the formulation of relevant standards.

Keywords: urban rail transit, lines, impact earthing resistance, power frequency earthing resistance, lightning protection earth

全文發表在《現代城市軌道交通》2021.8
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