波哥大轻轨接触网防雷与接地设计

钱高伟

摘  要：波哥大轻轨项目是波哥大第一条采用架空接触网供电的轨道交通项目，设计执行欧洲标准。该作者结合欧洲标准及国内轨道交通设计经验对波哥大轻轨的接触网防雷接地设计进行探讨，阐述基于欧洲标准下的波哥大轻轨接触网防雷接地设计过程及方案，研究成果应用于波哥大轻轨项目。

关键词：波哥大；轻轨；接触网；防雷与接地；受电弓

中图分类号：U225.8      文献标志码：A          文章编号：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

铁路通过接触网系统为铁路列车提供电力，因此接触网系统的安全性和稳定性至关重要。然而雷电作为一种常见的自然现象，对接触网系统的危害不可忽视，因此如何采取有效的防雷接地措施，降低雷电对接触网系统的影响一直是铁路设计中的重点，本文结合波哥大轻轨项目对欧标下防雷与接地设计进行探讨，以期对后续项目提供有益的参考。

1  项目概况及设计条件

项目概况：Regio Tram（波哥大西部轻轨）项目全长约39.66 km，桥梁10座，总长2 700 m，其余均为路基，设17座车站，首末站连接波哥大市区及法卡迪瓦市，是一条市域轨道交通项目。线路主要分为位于波哥大市区的市区段及郊区至法卡迪瓦市的城郊段2部分，全线设一场一段。

线路及行车条件：系统设计为双线，采用左侧行车制，郊区段最高行车速度100 km/h，市区段最高行车速度为70 km/h。线路坡度不大于25‰，市区采用槽型轨（EN13674），郊区采用T型轨（EN14811），最小曲线半径正线为30 m，场段为25 m。

车辆及受电弓条件：波哥大轻轨车辆（UM1）由 6个车辆模块编组而成。相邻车辆模块间通过铰接装置和贯通道连接，相邻单元模块（Mc、Tp、M组成一个单元）间通过半永久车钩和贯通道连接。上线运营时，2个单组车辆（UM1）连挂形成一列车（UM2）。受电弓技术要求见表1。

气象条件：波哥大轻轨项目位于波哥大西部大草原，海拔高度2 600 m，户外环境温度为-10～+30 ℃，平均温度26.8 ℃，年平均降水量996 mm，风偏计算风速22 m/s，结构计算风速28 m/s，覆冰厚度0 mm，雷暴区划分为多雷区，郊区段雷暴日为240 d，市区段雷暴日为180 d。

供电条件：供电系统采用110/34.5 kV两级电压的集中供电方式，牵引网采用DC1500V架空接触网。

城市一体化要求：接触网系统方案应结合城市化设计，考虑美观性及车辆、行人的安全性。

2执行的标准及接触网悬挂方案

根据协议要求，波哥大轻轨勘察设计采用欧盟及波哥大当地标准，接触网设计主要执行规范见表2。

接触网悬挂方式及线材组合：根据城市一体化及CA协议要求，市区段接触网采用全补偿弹性简单悬挂，郊区段接触网采用全补偿弹性简单链形悬挂，车辆段、停车场采用全补偿弹性简单悬挂，市区段简单悬挂及郊区段交叉路口处链形悬挂导线高度6 050 mm，无道口区域郊区段链形悬挂导线高度4 600 mm，支柱采用圆形等径钢支柱，基础采用混凝土圆形基础。线材组合见表3。

3接触网防雷及接地设计

3.1国内一般接触网防雷接地设计

对于接地设计，国内轨道交通一般根据GB 50157—2013《地铁设计规范》要求，正线设置贯通的架空地线，车辆段、停车场成排的接触网支柱设置贯通的架空地线，支柱上的金属底座均连接至架空地线，架空地线引至牵引变电所的接地母排上，构成闪络保护回路；地面段及场段内试车线支柱腕臂绝缘子处设放电间隙并单独设接地极接地；跨线桥、人行天桥等设防护并将防护安全接地。

对于防雷设计，国内轨道交通一般根据GB 50157—2013《地铁设计规范》要求正線地面段，场段的柔性接触悬挂馈线上网开关处设避雷器；车辆段试车线，正线地面段接触网每根支柱平腕臂绝缘子安装带串联间隙的金属氧化锌避雷器；地面段贯通的架空地线间隔200 m接地，防止雷电反击接触网。

3.2  波哥大轻轨接触网的特点及差异

相较于国内类似轨道交通项目，波哥大轻轨接触网有以下特点及差异。

3.2.1执行标准不同

波哥大轻轨项目执行欧标，对于欧洲标准来讲，与中国国家标准不同的是在标准制定时国标更倾向于直接对设计参数进行指定，而欧洲标准则倾向于对设计参数的计算进行论述，因此执行欧洲标准的项目设计时需根据标准要求对方案及取值进行计算及验证。

3.2.2  外部条件的差异

国内轨道交通通常拥有独立路权且土建预留较好的安装条件，波哥大轻轨项目全长39.65 km，沿市区道路敷设且无独立路权，沿线铁路不设防护，行人可自由靠近，根据CA协议，全线设有平交道口55处，各道口均有不同等级的限速要求，并且有75%～100%不同等级信号优先权的规划，此外由于美观性的要求，沿线接触网无法设置贯通的架空地线接地。由于没有单独路权，防雷接地的设计尤其重要。

3.2.3  悬挂方式的差异

根据协议要求，波哥大轻轨分为市区段和郊区高速段，要求接触网根据区段采用2种不同的悬挂方式，因此需对2种不同悬挂方式进行防雷接地设计。此外，波哥大轻轨接触网开关根据协议要求采用3台隔离开关柜组合并设置于牵引变电所房间内。

3.2.4  绝缘设计的差异

国内接触网一般采用一组腕臂绝缘子作为接触网带电体与支持建构间的绝缘，对于波哥大轻轨项目，郊区段的链形悬挂接触网与国内常规设计一致，采用一组腕臂绝缘子作为接触网带电体与支持结构间的绝缘措施，对于市区段的弹性简单悬挂，波哥大项目则采用双绝缘措施来保证绝缘安全及避免公共区域行人和检修人员触电风险，具体措施为接触网带电体至支持悬挂结构间必须有至少2个绝缘子，通过腕臂绝缘子及绝缘的定位器及吊索组件来实现双绝缘。具体如图1、图2所示。

3.3  波哥大轻轨防雷接地设计

3.3.1  接触网系统接地设计

根据EN 50122-1《轨道交通.固定设备.电气安全，接地和回路.第1部分：抗电击的保护性规定》要求，直接牵引系统接地是防范事故和保障人身安全的最好方法，此方法利用回路作为故障状态下的电流传导。所有暴露的容易在故障状态下被接触网电压联通并带电的导电部件都应直接连接到接地系统中，对于直流供电系统，为了减小牵引系统中的杂散电流，不建议利用走行轨直接接地。因此所有与地绝缘的暴露的导电部件都必须接地且不推荐连接负极回路。

对于整个或部分导电结构（例如钢结构、钢筋混凝土结构）及金属结构物（例如高架接触网、钢筋混凝土桅杆、金属围栏、排水管和非电力牵引系统的走行轨），它们可能因为架空接触线的破损、断线、受电弓的破损或脱线而带电，那么如果必要的话，就应采用保护性设施以保护接触电压的余留伤害。这些保护性的设施必须与直流牵引系统中如EN 50122-2《轨道交通.固定装置.接地和回路电气安全.第2部分：由直流牵引系统产生的杂散电流影响的防护规定》规定用于减小杂散电流的腐蚀的设施一致。

那么，对于市区段简单悬挂接触网来说，由于带电体距离支持结构等导电的金属结构之间有至少2个绝缘，这种双重绝缘是通过悬臂和由绝缘材料制成的三角悬挂来实现的。根据EN 50122-1《轨道交通.固定设备.电气安全，接地和回路.第1部分：抗电击的保护性规定》及EN 50119《铁路设施.固定装置.电气牵引架空接触线》要求，支撑接触网电杆无须接地或与牵引回路相连。维护程序应确保及时更换所有有缺陷的隔离材料，以免任何结构因设备失效而变得活跃和危险。

对于郊区段链形悬挂接触网来说，接触网电杆没有双重绝缘。腕臂绝缘子安装在郊区的每个接触网杆上。对于此，接地策略如下所述。

1）对于基础与大地绝缘的接触网支柱，接触网网支柱通过接地电缆连接至走行轨接地（全线支柱基础理论上均需与大地绝缘，参考《西门子电气化铁道接触网规划、设计、施工》第12.4.3节）。

2）由于混凝土电阻率很高，接触网支柱接地电阻很大程度上取决于土壤电阻率，对于个别无法视为与地绝缘的支柱基础，根据EN 50122-1《轨道交通.固定设备.电气安全，接地和回路.第1部分：抗电击的保护性规定》，其支柱通过电缆并串联VLD（电压均衡器）连接至钢轨，这样可以避免杂散电流通过支柱基础泄漏对铁路设施的结构钢筋造成电腐蚀，进而影响结构寿命。

3）此外，根据EN 50122-1《轨道交通.固定设备.电气安全，接地和回路.第1部分：抗电击的保护性规定》要求，架空接触网区域（OCLZ）及受电弓区域（CCZ）内的设备外壳或金属底座也需与地网连接或单设接地极接地，如接触网支柱安装的设备底座、轨旁设备等。架空接触网区域（OCLZ）及受电弓区域（CCZ）如图3所示。

4）由于波哥大輕轨线路的特殊性，线路在市区沿道路敷设且包含众多平交道口，出于对行人及检修人员人身安全的考虑，在以下区域的支柱需串联VLD接钢轨：公众可接触范围的接触网支柱，包括车站和车站通道等公共空间的支柱；有被车辆撞击风险的接触网支柱，一般指十字路口和道路附近的支柱；馈线上网点的接触网支柱；导高降低区域（低净空上跨桥两侧）的接触网支柱；高架桥上的支柱。

3.3.2  接触网系统防雷设计

对接触网损害的雷电分为感应雷和直击雷，二者都是通过短时强电压或大电流危害接触网绝缘子及开关等设备，击穿绝缘子导致接触网短路，进而变电所跳闸，损坏设备引起断电或者人身安全风险，严重影响铁路正常运行，根据类似项目运营统计的雷击跳闸次数来看，直击雷所占比例小，但直击雷电压高、电流大、破坏性强，因此对感应雷保护的同时不能忽略直击雷的防护。图4为感应雷过电压原理图。

波哥大轻轨架空接触网线路经过地域广阔且当地雷电活动频繁，根据气象资料，郊区段雷暴日为240 d，市区段雷暴日为180 d，为了保障接触网安全运营，应加强对感应雷的防护措施。另外，与传统的采用避雷器和贯通的架空地线的防雷措施不同，波哥大轻轨由于城市一体化及景观要求，接触网无法设置贯通的架空地线兼做防雷。

结合国内城市轨道交通防雷经验，经济合理地设置避雷器对提高接触网防感应雷的水平有一定作用，特别是在重点区域，对重要设备和设施的防护，较为有效，如馈线隔离开关上网点处、分段绝缘器附近、高架桥处等。其中，隔离开关上网点、馈线电缆连接点、线路高点，如高架桥区段应安装避雷器并将避雷器接地，有效拦截感应雷并将其导入大地。

對于本项目架空接触网线路来讲，接触网系统除需设置完善的接地系统外，还应结合线路所在具体地形地貌、接触网平面布置等因素在重点部位设置避雷器来保护接触网设备不受雷电损害，根据IEC 62305《国际防雷标准》及EN 50124《基本技术要求-所有电器设备和电子设备的绝缘距离》，具体如下：隔离开关馈线电缆上网点支柱设避雷器；辅助馈线与接触网连接点支柱设避雷器；高架桥梁每200 m设置一处避雷器。

4  结束语

国内外轨道交通架空接触网的防雷与接地设计的本质都是为了保障接触网系统安全稳定运行，设计方案需兼顾美观性、经济性及检修维护便捷性，达到接触网系统安全、高效运行的目的。由于国内外线路外部环境、城市一体化、执行的规范要求等差异，具体的防雷接地措施也不尽相同，本文结合波哥大轻轨项目的实际情况，借鉴国内成熟的轨道交通设计运营经验，对波哥大轻轨接触网系统的防雷和接地设计进行了简单的探讨，因地制宜确定了接触网系统的防雷接地方案。

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