波哥大輕軌接觸網(wǎng)防雷與接地設計

錢高偉

摘? 要：波哥大輕軌項目是波哥大第一條采用架空接觸網(wǎng)供電的軌道交通項目，設計執(zhí)行歐洲標準。該作者結(jié)合歐洲標準及國內(nèi)軌道交通設計經(jīng)驗對波哥大輕軌的接觸網(wǎng)防雷接地設計進行探討，闡述基于歐洲標準下的波哥大輕軌接觸網(wǎng)防雷接地設計過程及方案，研究成果應用于波哥大輕軌項目。

關鍵詞：波哥大；輕軌；接觸網(wǎng)；防雷與接地；受電弓

中圖分類號：U225.8? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0024-04

Abstract： The Bogota Light Rail Project is the first rail transit project in Bogota to use overhead contact network power supply， designed to comply with European standards. This study discusses the lightning protection and grounding design of the contact network of Bogota Light Rail based on European standards and domestic rail transit design experience， and elaborates on the lightning protection and grounding design process and scheme of the contact network of Bogota Light Rail based on European standards. The research results were applied to the Bogota Light Rail project.

Keywords： Bogota; light rail; catenary; lightning protection and grounding; pantograph

鐵路通過接觸網(wǎng)系統(tǒng)為鐵路列車提供電力，因此接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性至關重要。然而雷電作為一種常見的自然現(xiàn)象，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的危害不可忽視，因此如何采取有效的防雷接地措施，降低雷電對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響一直是鐵路設計中的重點，本文結(jié)合波哥大輕軌項目對歐標下防雷與接地設計進行探討，以期對后續(xù)項目提供有益的參考。

1? 項目概況及設計條件

項目概況：Regio Tram（波哥大西部輕軌）項目全長約39.66 km，橋梁10座，總長2 700 m，其余均為路基，設17座車站，首末站連接波哥大市區(qū)及法卡迪瓦市，是一條市域軌道交通項目。線路主要分為位于波哥大市區(qū)的市區(qū)段及郊區(qū)至法卡迪瓦市的城郊段2部分，全線設一場一段。

線路及行車條件：系統(tǒng)設計為雙線，采用左側(cè)行車制，郊區(qū)段最高行車速度100 km/h，市區(qū)段最高行車速度為70 km/h。線路坡度不大于25‰，市區(qū)采用槽型軌（EN13674），郊區(qū)采用T型軌（EN14811），最小曲線半徑正線為30 m，場段為25 m。

車輛及受電弓條件：波哥大輕軌車輛（UM1）由 6個車輛模塊編組而成。相鄰車輛模塊間通過鉸接裝置和貫通道連接，相鄰單元模塊（Mc、Tp、M組成一個單元）間通過半永久車鉤和貫通道連接。上線運營時，2個單組車輛（UM1）連掛形成一列車（UM2）。受電弓技術要求見表1。

氣象條件：波哥大輕軌項目位于波哥大西部大草原，海拔高度2 600 m，戶外環(huán)境溫度為-10～+30 ℃，平均溫度26.8 ℃，年平均降水量996 mm，風偏計算風速22 m/s，結(jié)構計算風速28 m/s，覆冰厚度0 mm，雷暴區(qū)劃分為多雷區(qū)，郊區(qū)段雷暴日為240 d，市區(qū)段雷暴日為180 d。

供電條件：供電系統(tǒng)采用110/34.5 kV兩級電壓的集中供電方式，牽引網(wǎng)采用DC1500V架空接觸網(wǎng)。

城市一體化要求：接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案應結(jié)合城市化設計，考慮美觀性及車輛、行人的安全性。

2執(zhí)行的標準及接觸網(wǎng)懸掛方案

根據(jù)協(xié)議要求，波哥大輕軌勘察設計采用歐盟及波哥大當?shù)貥藴剩佑|網(wǎng)設計主要執(zhí)行規(guī)范見表2。

接觸網(wǎng)懸掛方式及線材組合：根據(jù)城市一體化及CA協(xié)議要求，市區(qū)段接觸網(wǎng)采用全補償彈性簡單懸掛，郊區(qū)段接觸網(wǎng)采用全補償彈性簡單鏈形懸掛，車輛段、停車場采用全補償彈性簡單懸掛，市區(qū)段簡單懸掛及郊區(qū)段交叉路口處鏈形懸掛導線高度6 050 mm，無道口區(qū)域郊區(qū)段鏈形懸掛導線高度4 600 mm，支柱采用圓形等徑鋼支柱，基礎采用混凝土圓形基礎。線材組合見表3。

3接觸網(wǎng)防雷及接地設計

3.1國內(nèi)一般接觸網(wǎng)防雷接地設計

對于接地設計，國內(nèi)軌道交通一般根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》要求，正線設置貫通的架空地線，車輛段、停車場成排的接觸網(wǎng)支柱設置貫通的架空地線，支柱上的金屬底座均連接至架空地線，架空地線引至牽引變電所的接地母排上，構成閃絡保護回路；地面段及場段內(nèi)試車線支柱腕臂絕緣子處設放電間隙并單獨設接地極接地；跨線橋、人行天橋等設防護并將防護安全接地。

對于防雷設計，國內(nèi)軌道交通一般根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》要求正線地面段，場段的柔性接觸懸掛饋線上網(wǎng)開關處設避雷器；車輛段試車線，正線地面段接觸網(wǎng)每根支柱平腕臂絕緣子安裝帶串聯(lián)間隙的金屬氧化鋅避雷器；地面段貫通的架空地線間隔200 m接地，防止雷電反擊接觸網(wǎng)。

3.2? 波哥大輕軌接觸網(wǎng)的特點及差異

相較于國內(nèi)類似軌道交通項目，波哥大輕軌接觸網(wǎng)有以下特點及差異。

3.2.1執(zhí)行標準不同

波哥大輕軌項目執(zhí)行歐標，對于歐洲標準來講，與中國國家標準不同的是在標準制定時國標更傾向于直接對設計參數(shù)進行指定，而歐洲標準則傾向于對設計參數(shù)的計算進行論述，因此執(zhí)行歐洲標準的項目設計時需根據(jù)標準要求對方案及取值進行計算及驗證。

3.2.2? 外部條件的差異

國內(nèi)軌道交通通常擁有獨立路權且土建預留較好的安裝條件，波哥大輕軌項目全長39.65 km，沿市區(qū)道路敷設且無獨立路權，沿線鐵路不設防護，行人可自由靠近，根據(jù)CA協(xié)議，全線設有平交道口55處，各道口均有不同等級的限速要求，并且有75%～100%不同等級信號優(yōu)先權的規(guī)劃，此外由于美觀性的要求，沿線接觸網(wǎng)無法設置貫通的架空地線接地。由于沒有單獨路權，防雷接地的設計尤其重要。

3.2.3? 懸掛方式的差異

根據(jù)協(xié)議要求，波哥大輕軌分為市區(qū)段和郊區(qū)高速段，要求接觸網(wǎng)根據(jù)區(qū)段采用2種不同的懸掛方式，因此需對2種不同懸掛方式進行防雷接地設計。此外，波哥大輕軌接觸網(wǎng)開關根據(jù)協(xié)議要求采用3臺隔離開關柜組合并設置于牽引變電所房間內(nèi)。

3.2.4? 絕緣設計的差異

國內(nèi)接觸網(wǎng)一般采用一組腕臂絕緣子作為接觸網(wǎng)帶電體與支持建構間的絕緣，對于波哥大輕軌項目，郊區(qū)段的鏈形懸掛接觸網(wǎng)與國內(nèi)常規(guī)設計一致，采用一組腕臂絕緣子作為接觸網(wǎng)帶電體與支持結(jié)構間的絕緣措施，對于市區(qū)段的彈性簡單懸掛，波哥大項目則采用雙絕緣措施來保證絕緣安全及避免公共區(qū)域行人和檢修人員觸電風險，具體措施為接觸網(wǎng)帶電體至支持懸掛結(jié)構間必須有至少2個絕緣子，通過腕臂絕緣子及絕緣的定位器及吊索組件來實現(xiàn)雙絕緣。具體如圖1、圖2所示。

3.3? 波哥大輕軌防雷接地設計

3.3.1? 接觸網(wǎng)系統(tǒng)接地設計

根據(jù)EN 50122-1《軌道交通.固定設備.電氣安全，接地和回路.第1部分：抗電擊的保護性規(guī)定》要求，直接牽引系統(tǒng)接地是防范事故和保障人身安全的最好方法，此方法利用回路作為故障狀態(tài)下的電流傳導。所有暴露的容易在故障狀態(tài)下被接觸網(wǎng)電壓聯(lián)通并帶電的導電部件都應直接連接到接地系統(tǒng)中，對于直流供電系統(tǒng)，為了減小牽引系統(tǒng)中的雜散電流，不建議利用走行軌直接接地。因此所有與地絕緣的暴露的導電部件都必須接地且不推薦連接負極回路。

對于整個或部分導電結(jié)構（例如鋼結(jié)構、鋼筋混凝土結(jié)構）及金屬結(jié)構物（例如高架接觸網(wǎng)、鋼筋混凝土桅桿、金屬圍欄、排水管和非電力牽引系統(tǒng)的走行軌），它們可能因為架空接觸線的破損、斷線、受電弓的破損或脫線而帶電，那么如果必要的話，就應采用保護性設施以保護接觸電壓的余留傷害。這些保護性的設施必須與直流牽引系統(tǒng)中如EN 50122-2《軌道交通.固定裝置.接地和回路電氣安全.第2部分：由直流牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散電流影響的防護規(guī)定》規(guī)定用于減小雜散電流的腐蝕的設施一致。

那么，對于市區(qū)段簡單懸掛接觸網(wǎng)來說，由于帶電體距離支持結(jié)構等導電的金屬結(jié)構之間有至少2個絕緣，這種雙重絕緣是通過懸臂和由絕緣材料制成的三角懸掛來實現(xiàn)的。根據(jù)EN 50122-1《軌道交通.固定設備.電氣安全，接地和回路.第1部分：抗電擊的保護性規(guī)定》及EN 50119《鐵路設施.固定裝置.電氣牽引架空接觸線》要求，支撐接觸網(wǎng)電桿無須接地或與牽引回路相連。維護程序應確保及時更換所有有缺陷的隔離材料，以免任何結(jié)構因設備失效而變得活躍和危險。

對于郊區(qū)段鏈形懸掛接觸網(wǎng)來說，接觸網(wǎng)電桿沒有雙重絕緣。腕臂絕緣子安裝在郊區(qū)的每個接觸網(wǎng)桿上。對于此，接地策略如下所述。

1）對于基礎與大地絕緣的接觸網(wǎng)支柱，接觸網(wǎng)網(wǎng)支柱通過接地電纜連接至走行軌接地（全線支柱基礎理論上均需與大地絕緣，參考《西門子電氣化鐵道接觸網(wǎng)規(guī)劃、設計、施工》第12.4.3節(jié)）。

2）由于混凝土電阻率很高，接觸網(wǎng)支柱接地電阻很大程度上取決于土壤電阻率，對于個別無法視為與地絕緣的支柱基礎，根據(jù)EN 50122-1《軌道交通.固定設備.電氣安全，接地和回路.第1部分：抗電擊的保護性規(guī)定》，其支柱通過電纜并串聯(lián)VLD（電壓均衡器）連接至鋼軌，這樣可以避免雜散電流通過支柱基礎泄漏對鐵路設施的結(jié)構鋼筋造成電腐蝕，進而影響結(jié)構壽命。

3）此外，根據(jù)EN 50122-1《軌道交通.固定設備.電氣安全，接地和回路.第1部分：抗電擊的保護性規(guī)定》要求，架空接觸網(wǎng)區(qū)域（OCLZ）及受電弓區(qū)域（CCZ）內(nèi)的設備外殼或金屬底座也需與地網(wǎng)連接或單設接地極接地，如接觸網(wǎng)支柱安裝的設備底座、軌旁設備等。架空接觸網(wǎng)區(qū)域（OCLZ）及受電弓區(qū)域（CCZ）如圖3所示。

4）由于波哥大輕軌線路的特殊性，線路在市區(qū)沿道路敷設且包含眾多平交道口，出于對行人及檢修人員人身安全的考慮，在以下區(qū)域的支柱需串聯(lián)VLD接鋼軌：公眾可接觸范圍的接觸網(wǎng)支柱，包括車站和車站通道等公共空間的支柱；有被車輛撞擊風險的接觸網(wǎng)支柱，一般指十字路口和道路附近的支柱；饋線上網(wǎng)點的接觸網(wǎng)支柱；導高降低區(qū)域（低凈空上跨橋兩側(cè)）的接觸網(wǎng)支柱；高架橋上的支柱。

3.3.2? 接觸網(wǎng)系統(tǒng)防雷設計

對接觸網(wǎng)損害的雷電分為感應雷和直擊雷，二者都是通過短時強電壓或大電流危害接觸網(wǎng)絕緣子及開關等設備，擊穿絕緣子導致接觸網(wǎng)短路，進而變電所跳閘，損壞設備引起斷電或者人身安全風險，嚴重影響鐵路正常運行，根據(jù)類似項目運營統(tǒng)計的雷擊跳閘次數(shù)來看，直擊雷所占比例小，但直擊雷電壓高、電流大、破壞性強，因此對感應雷保護的同時不能忽略直擊雷的防護。圖4為感應雷過電壓原理圖。

波哥大輕軌架空接觸網(wǎng)線路經(jīng)過地域廣闊且當?shù)乩纂娀顒宇l繁，根據(jù)氣象資料，郊區(qū)段雷暴日為240 d，市區(qū)段雷暴日為180 d，為了保障接觸網(wǎng)安全運營，應加強對感應雷的防護措施。另外，與傳統(tǒng)的采用避雷器和貫通的架空地線的防雷措施不同，波哥大輕軌由于城市一體化及景觀要求，接觸網(wǎng)無法設置貫通的架空地線兼做防雷。

結(jié)合國內(nèi)城市軌道交通防雷經(jīng)驗，經(jīng)濟合理地設置避雷器對提高接觸網(wǎng)防感應雷的水平有一定作用，特別是在重點區(qū)域，對重要設備和設施的防護，較為有效，如饋線隔離開關上網(wǎng)點處、分段絕緣器附近、高架橋處等。其中，隔離開關上網(wǎng)點、饋線電纜連接點、線路高點，如高架橋區(qū)段應安裝避雷器并將避雷器接地，有效攔截感應雷并將其導入大地。

對于本項目架空接觸網(wǎng)線路來講，接觸網(wǎng)系統(tǒng)除需設置完善的接地系統(tǒng)外，還應結(jié)合線路所在具體地形地貌、接觸網(wǎng)平面布置等因素在重點部位設置避雷器來保護接觸網(wǎng)設備不受雷電損害，根據(jù)IEC 62305《國際防雷標準》及EN 50124《基本技術要求-所有電器設備和電子設備的絕緣距離》，具體如下：隔離開關饋線電纜上網(wǎng)點支柱設避雷器；輔助饋線與接觸網(wǎng)連接點支柱設避雷器；高架橋梁每200 m設置一處避雷器。

4? 結(jié)束語

國內(nèi)外軌道交通架空接觸網(wǎng)的防雷與接地設計的本質(zhì)都是為了保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設計方案需兼顧美觀性、經(jīng)濟性及檢修維護便捷性，達到接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效運行的目的。由于國內(nèi)外線路外部環(huán)境、城市一體化、執(zhí)行的規(guī)范要求等差異，具體的防雷接地措施也不盡相同，本文結(jié)合波哥大輕軌項目的實際情況，借鑒國內(nèi)成熟的軌道交通設計運營經(jīng)驗，對波哥大輕軌接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷和接地設計進行了簡單的探討，因地制宜確定了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防雷接地方案。

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