基于鉗表法的鐵路通信機房接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

摘要：接地電阻的測量方法有三極法、鉗表法等，鐵路通信機房的接地電阻測量通常采用三極法，但三極法存在測量場地受限、不能對接地電阻進行實時監(jiān)測等問題，本文將基于鉗表法的接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)應用于鐵路通信機房接地電阻的實時測量，并對影響接地電阻測量值的因素進行了分析，提出了相應的應對措施。

關鍵詞：鐵路；通信；接地電阻；鉗表法

一、引言

鐵路通信機房內(nèi)設置有無線基站、傳輸設備、接入網(wǎng)設備、有線調(diào)度交換機等通信設備，其承載有行車指揮等重要業(yè)務，一旦通信設備受到嚴重的破壞，可能會打亂列車正常運行秩序，將對社會秩序和公共利益造成嚴重損害。為了保證鐵路通信機房內(nèi)通信設備的安全和正常運行，鐵路通信機房需進行防雷接地設計。鐵路通信機房采用共用接地方式，即機房的保護接地、屏蔽體接地、防靜電接地、工作接地和建筑防雷接地等連接在一起構成共用接地系統(tǒng)。根據(jù)《鐵路通信設計規(guī)范》（TB 10006-2016）要求，通信機房所屬的建筑物的接地體接地電阻不應大于1Ω[1]。由于通信機房接地電阻會隨著接地裝置周圍地理環(huán)境的變化而變化，而且接地裝置本身也會由于接觸不良等因素造成接地電阻發(fā)生變化，當機房接地電阻過大時，將不能正常對地放電，會導致機房內(nèi)通信設備損壞，影響鐵路行車安全。所以對鐵路通信機房接地電阻的實時測量是非常必要的，傳統(tǒng)的搖表測量方法無法實現(xiàn)對接地電阻的實時測量，且存在測量場地受限等問題，而應用接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在機房內(nèi)對機房接地電阻的實時監(jiān)測，且不存在測量場地受限等問題。

二、鉗表法接地電阻測量原理

接地電阻的測量方法有三極法和鉗表法等，本文選用基于鉗表法的接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)對機房接地電阻進行測量。鉗表法的測量原理為磁場耦合原理，鉗頭主要由電壓線圈和檢流計構成。當鉗頭鉗在被測接地電阻回路上時，恒定的交流電源在電壓線圈上產(chǎn)生一個交變磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定理，在閉合的接地回路上將產(chǎn)生感應電壓U，同時根據(jù)歐姆定律，感應電壓在閉合的接地回路上產(chǎn)生一個電流，檢流計檢測出接地回路上的感應電流I，則接地回路的電阻為R=U/I，通信機房接地網(wǎng)可看作是由被測接地電阻Re和并聯(lián)的各支路電阻構成，各支路的并聯(lián)接地電阻值為R=R1//R2//R3…Rn，所以實際測量電阻值為Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，當支路的數(shù)量較多時，Ra≈Re[2]。對于單點接地的接地系統(tǒng)，則不能用鉗表法進行測量，若確需采用鉗表法測量時，可通過增加輔助接地極使接地系統(tǒng)構成測試回路，但接地電阻的測量值中必須減去輔助接地極的電阻，鉗表法測量原理如圖1所示。

三、接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

（一）系統(tǒng)組成及功能

基于鉗表法的鐵路通信機房接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、監(jiān)測終端、采集單元和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡四部分構成，系統(tǒng)構成如圖2所示。

接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)各部分主要功能如下：

①監(jiān)測中心由應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和接口服務器和交換機構成，根據(jù)實際接入的采集單元數(shù)量，應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和接口服務器可以合并為一臺服務器。服務器宜設置在監(jiān)控中心機房，采用機架式安裝，管轄本企業(yè)的所有監(jiān)測單元。服務器采用Windows操作系統(tǒng)，安裝有應用軟件、Mysql數(shù)據(jù)庫軟件和殺毒軟件。接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S架構，應用軟件采用Java語言開發(fā)。服務器與前端數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控終端通過TCP/IP協(xié)議通信。數(shù)據(jù)處理服務器支持最多255個接地點的接入，間隔記錄時間為1～200小時，服務器根據(jù)客戶端軟件的設置，自動從前端數(shù)據(jù)采集單元接收數(shù)據(jù)并存儲至數(shù)據(jù)庫。

②監(jiān)測終端采用普通的PC機，PC機上安裝接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件，客戶端軟件具備授權登錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、線路信息顯示、查詢和分析預警等功能，還可以設置報警臨界值，具有聲光報警指示等功能。監(jiān)測終端主要設置在相關維護管理機構。

③采集單元由通信模塊、上位機和電阻測量儀三部分組成。通信模塊為上位機提供以太網(wǎng)接入功能，上位機接收服務器的控制命令，并將電阻測量儀的測量數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理服務器。上位機和服務器之間具有重傳機制，在網(wǎng)絡由于故障斷聯(lián)恢復時，可以重傳未發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時上位機配置有LCD屏，可以直接顯示被測電阻值，方便現(xiàn)場人員調(diào)試和校準。測量儀主要由電壓線圈和檢流計組成，具有接收上位機的命令完成測量，并向上位機返回測試數(shù)據(jù)的功能。前端數(shù)據(jù)采集單元宜在每個通信機房設置一套，采用機架式安裝。

④監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡可采用有線和無線方式，數(shù)據(jù)處理服務器和前端數(shù)據(jù)采集單元之間通過有線方式進行連接，設備支持的接口類型為RJ45接口，電阻測量儀和通信模塊之間采用有線網(wǎng)絡RS232、RS485或無線網(wǎng)絡GSM通信等。

（二）系統(tǒng)性能

接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件采用模塊化設計，具有較好的可擴展性，可以通過增加模塊來擴充系統(tǒng)的容量和功能，軟件的數(shù)據(jù)管理功能具備平滑升級的能力，系統(tǒng)具有安全防范措施，對所有操作人員按其工作性質設置不同的操作權限，并具有密碼管理功能，系統(tǒng)的主要性能指標如表1所示。

（三）測量要求

根據(jù)鉗表法的測量原理以及接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝要求，一是需要通信機房接地裝置構成回路，且機房內(nèi)地線線徑滿足鉗形探頭的穿孔要求。二是需要為前端數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理服務器之間提供以太網(wǎng)鏈路，監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)可采用星型或總線型等組網(wǎng)方式，端對端通道帶寬不小于1Mbit/s。三是需要為測量單元和通信模塊提供1路220V交流電源或1路12V直流電源，并為后端服務器提供1路220V交流電源。

四、接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路中的適用性分析

鐵路通信機房一般設置于車站信號樓內(nèi)，車站信號樓采用聯(lián)合接地方式，信號樓四周設置有環(huán)形地網(wǎng)，環(huán)形地網(wǎng)與信號樓基礎內(nèi)的鋼筋焊接連通，接地體埋設于地面以下。

采用常用的三極法測量機房接地電阻時，有三角形法和直線法兩種接線方式，為了避免場地不夠的情況，一般選用三角形法進行測量。測量時需在室外打兩處接地極（電流極C、電壓極P），電壓極和電流極距離信號樓地網(wǎng)邊緣的距離需相等，且電壓極和電流極距離地網(wǎng)邊緣的距離應大于等于地網(wǎng)最大對角線長度的兩倍，電壓極和電流極引線的夾角應為30°[3]。根據(jù)目前鐵路車站建設標準，信號樓室外四周場坪通常全部硬化，不具備打接地極的條件，機房進線孔也進行了防火封堵，布放引線困難，而且測量時如果接地極位于砂石區(qū)域，則存在接地極與土壤接觸不良的問題，或接地極測量范圍的地下存在金屬物體或其他地網(wǎng)，都會對接地電阻的測量值產(chǎn)生一定的誤差。

若采用鉗表法測量，只需要機房接地網(wǎng)構成測試回路，即可滿足測試條件。在機房內(nèi)接地端子處設置1處鉗形探頭，地線穿心通過鉗形探頭，實現(xiàn)非接觸測量，不會影響機房的防雷接地效果和設備的正常運行。鉗表法相比三極法具有安裝方便、占用空間少、不影響設備的正常運行等優(yōu)勢。下面從鐵路機房接地裝置、鐵路數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和接地電阻監(jiān)測系統(tǒng)設備供電三個方面分析接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路通信機房接地電阻測量中的適用性。

（一）機房接地裝置

鐵路通信機房所在的信號樓采用聯(lián)合接地方式，信號樓四周布設有垂直接地極，其通過室外水平埋設的扁鋼連接，構成室外環(huán)型接地裝置，環(huán)型接地裝置與信號樓四角的基礎接地鋼筋連接，同時每隔5～10m與信號樓基礎接地鋼筋連接，共同構成信號樓接地網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸不大于5m[4]。信號樓內(nèi)通信機房等電位連接采用星—網(wǎng)混合型等電位連接方式，較大的通信站采用環(huán)形接地匯集線連接方式，機房內(nèi)設置有防雷接地、工作接地和保護接地等接地端子，接地端子間通過銅線或銅排連接。鐵路通信機房接地裝置屬于采用多點接地的接地裝置，且能夠構成測試回路，滿足鉗表法的接地電阻測量條件。

（二）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

鐵路各類業(yè)務的承載網(wǎng)主要為數(shù)據(jù)網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R（Global System for Mobile Communications – Railway）。鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)由路由器和交換機構成，主要承載視頻監(jiān)控、會議電視和電源及設備房屋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等業(yè)務，數(shù)據(jù)網(wǎng)采用MPLS VPN技術實現(xiàn)各種業(yè)務系統(tǒng)的共網(wǎng)承載、轉發(fā)與業(yè)務隔離。車站接入節(jié)點通常設置有路由器和交換機，路由器之間通過千兆或萬兆光接口互聯(lián)，車站交換機以雙歸屬方式上聯(lián)車站接入層路由器，交換機可提供FE電接口/光接口，GE電接口/光接口等接口類型。

鐵路傳輸網(wǎng)主要采用光傳送網(wǎng)OTN（Optical Transmission Net）技術和多業(yè)務傳送平臺MSTP（Multi- Service Transport Platform）技術，其具有低時延，網(wǎng)絡安全性高等優(yōu)勢，主要承載鐵路行車指揮類重要業(yè)務，可為所承載業(yè)務提供主用和迂回保護通道，支持多業(yè)務和多速率接入，傳輸帶寬為2Mbit/s～100Gbit/s。接入節(jié)點通常設置于車站、區(qū)間及站內(nèi)通信機房，傳輸設備可提供2.5Gbit/s、622Mbit/s、FE電接口/光接口、GE電接口/光接口等豐富的接口類型，支持透傳和以太網(wǎng)等業(yè)務。綜上所述，鐵路有線承載網(wǎng)絡可以滿足接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（三）監(jiān)測設備供電

鐵路通信機房內(nèi)根據(jù)通信設備用電需求，通常設置有交流不間斷電源（UPS）和高頻開關電源，可以為通信機房內(nèi)設備提供穩(wěn)定、可靠的交流電源和直流電源，且通信機房設置有電磁屏蔽措施，可以避免外界對機房內(nèi)設備的電磁干擾，滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)設備的供電及使用需要。

五、接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路中的應用

在已開通運營的烏將鐵路部署接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)進行功能驗證，烏將鐵路是雙線電氣化鐵路，線路全長257.035km，沿線約10km～20km設置有1處車站，5～8km設置有1處通信區(qū)間基站，車站和區(qū)間基站內(nèi)均設置有通信機房，全線建設有數(shù)據(jù)網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和GSM-R系統(tǒng)。車站信號樓機房采用共用接地方式，通信機房內(nèi)設置有接地端子，接地端子間通過30mm×3mm銅排連接。

在烏將鐵路的米泉車站通信機房部署1套接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)采集單元，采集單元包括鉗形探頭、上位機和通信模塊，鉗形探頭安裝在機房內(nèi)接地端子附近，地線穿過鉗形探頭，如圖3所示。上位機和通信模塊安裝在機柜內(nèi)，由機柜內(nèi)PDU提供220V交流電源。在烏魯木齊通信段傳輸室機房設置1套數(shù)據(jù)處理服務器，進行機房接地電阻測量數(shù)據(jù)的采集，在網(wǎng)管室設置1套監(jiān)測終端。傳輸網(wǎng)配置1個米泉站至烏魯木齊通信段帶寬為2Mbit/s的電路，通信段和車站通信機房傳輸設備分別提供1個FE電接口，為前端設備和后端服務器之間提供數(shù)據(jù)傳輸通道，監(jiān)測終端與服務器之間通過本地局域網(wǎng)連接。

通信車間的運維人員在試驗期間，采用傳統(tǒng)的三極法對米泉站的機房接地電阻進行測量，表2為三極法和鉗表法兩種測量方法的相關數(shù)據(jù)對比[5]。

采用傳統(tǒng)的三極法測量接地電阻時需要至少2人配合，完成打接地極、布放引線等工作。而采用基于鉗表法的接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)在一次性部署完成后，測量時無需人工參與，通過監(jiān)測終端的客戶端軟件設置采集間隔后，服務器自動根據(jù)設置的采集間隔接收數(shù)據(jù)，用戶可以通過客戶端軟件查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)并生成接地電阻測量數(shù)據(jù)報表。

六、接地電阻測量值影響因素分析及應對措施

采用基于鉗表法的接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)進行鐵路通信機房接地電阻測量時，有諸多因素會影響接地電阻測量值的準確性，主要包括測量設備和接地裝置自身的影響、氣候條件變化的影響、機房接地裝置的影響、外界雜散電流和電磁干擾等幾個方面：

（一）測量設備自身的影響

鉗形表安裝時未進行機械調(diào)零，會造成測量的接地電阻值偏大，或鉗口接觸平面被污染，未閉合緊密，導致測量結果不準。而且采用鉗表法進行接地電阻測量時本身也存在原理性誤差，測量電阻值為Ra=Re+R1//R2//R3…Rn，通常是忽略R1//R2//R3…Rn部分，但當信號樓接地引下線數(shù)量較少時，R1//R2//R3…Rn部分不可忽略[6]，存在一個增加量，安裝前需要通過三極法對鉗表法測量結果進行校準，而且當通信機房由于改造而造成接地裝置的回路發(fā)生變化時，也需要重新使用三極法對測量結果進行校準。

（二）接地裝置自身的影響

當機房內(nèi)的接地引線、均壓帶、接地排的連接螺絲松動，不能夠構成接地回路時，也會影響接地電阻的測量值。在接地電阻測量裝置安裝時要首先檢查機房接地裝置的完整性，排除由于接觸不良而造成誤差的因素。

（三）氣候條件變化的影響

鐵路通信機房所在地區(qū)的氣候條件會導致接地電阻測量值有較大的波動。例如下雨會使土壤濕潤，土壤的電阻率下降，測得的接地電阻值較小。戈壁沙漠地區(qū)土壤電阻率較大，則測出的接地電阻值較大。冬季氣溫下降會使土壤凍結，土壤電阻率增大，則測出的接地電阻值較大[7]。

（四）接地裝置周圍土壤的影響

在含有酸、堿、鹽等成分的土地會嚴重的腐蝕接地極，造成室外垂直接地極與水平接地極之間，以及環(huán)型地網(wǎng)與建筑物基礎接地鋼筋的連接處會出現(xiàn)斷裂或脫離，導致接地裝置接觸不良，影響測量的接地電阻值。在接地極選擇時應選用耐腐蝕的材質，焊接處應涂刷防銹漆，并采用混凝土包封，降低接地裝置的腐蝕率。

（五）外界雜散電流的影響

在電氣化鐵路中，當列車通過機房接地裝置附近時，接觸網(wǎng)的電流經(jīng)鋼軌回流，一部分雜散電流會流入大地，當雜散電流流入至機房接地裝置附近時會對接地電阻的測量值產(chǎn)生影響[8]。所以在安裝鉗形表前，應先測試接地線纜上的電流，只有在地線上電流為零時才可以進一步測量接地電阻。也可以根據(jù)多次的測量值繪制接地電阻變化曲線，進而分析出準確的接地電阻值。

（六）外界電磁干擾的影響

當機房附近或機房內(nèi)存在大功率無線信號發(fā)射設備時，會產(chǎn)生電磁場，而鉗表法本身也采用磁場耦合原理，所以干擾信號也可能影響測量值的準確性。當外界的干擾較強時，可以給鉗表安裝一個金屬屏蔽罩殼，以提高鉗表抗電磁干擾的能力。

七、結束語

通過將基于鉗表法的接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路通信機房進行應用測試，可以看出接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)適用于鐵路通信機房接地電阻監(jiān)測，且具有不受測量場地限制、測量方便等優(yōu)勢，極大地減少了鐵路通信運維人員的工作量，同時在接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)使用過程中需要注意設備自身因素和外界因素對接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)電阻測量值的影響，提高測量的準確性。

在鐵路中批量應用時，區(qū)間及站內(nèi)接入節(jié)點可采用傳輸設備為數(shù)據(jù)采集單元提供接入，采用總線型組網(wǎng)，區(qū)間及站內(nèi)接入節(jié)點數(shù)據(jù)在車站匯聚后統(tǒng)一接入車站數(shù)據(jù)網(wǎng)，后納入通信段監(jiān)控中心進行管理，實現(xiàn)全線機房接地電阻監(jiān)測。結合運維單位的使用場景，也可將接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)納入鐵路電源及設備房屋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，進一步提高維護工作效率。也可通過電信運營商網(wǎng)絡進行測量數(shù)據(jù)的傳輸，進一步擴展接地電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用場景。

作者單位：魏雄? ? 新疆鐵道勘察設計院有限公司

參考文獻

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魏雄（1995.08-），男，漢族，甘肅張掖，本科，助理工程師，研究方向：鐵路通信工程設計。