直流牵引系统

12.5.1 回流回路和接地装置的设计

防杂散电流的安全保护措施很大程度上决定了直流供电系统钢轨回流回路和接地装置的设计。基于12.2和12.3中所给的信息，本条主要针对系统的配置，及它们的设计和实施，根据标准EN 50 122-1 [12.1] 和EN 50 122-1 [12.13] 的规定，回流回路和结构接地要严格分开。这些概念有效性已经在重载铁路运输系统的实际运营中得到验证。

直流供电系统包括中压侧和高压侧的三相交流供电网、牵引供电系统和专用设备和建筑物的辅助低压供电。关于牵引回路，接地和导接已经存在几种不同的配置，并建议提供新的装置。它们须满足人身安全的要求 [12.1，12.10，12.11，12.28]，也须满足杂散电流保护的要求，见 [12.2]，[12.13]，[12.14]，[12.15]，[12.29]，[12.30]。另外，它们还必须能够保证电气设备的保护和雷电保护 [12.31、12.32、12.33]。当人身安全措施与杂散电流保护措施相冲突时，必须先考虑人身安全。实际应用需要的是能简单地、经济地进行整体配置的协调方案。

欧洲标准EN 50 122-1和EN 50 122-2调整了所提出的整套问题并调整了以下事项的规定：

—结构;

—三相高压供电;

—直流牵引供电系统;

—信号通信设备;

—建筑物中的低压供电。

这些标准构成了以下所述的系统配置的基础！图12.20以隧道系统为例，表示了回流回路和接地导接的主要元件。回流流经走行轨和绝缘回流电缆到供电整流器。因此走行轨和回流电缆形成了回流回路。但是，由于沿线路的不同钢轨电压以及绝缘的实际值，电流可能从走行轨漏泄到土壤并流到与土壤相接触的金属导体中。在电流从金属导电体转换到电解质的地方就会产生杂散电流腐蚀。图12.20所示为在一车辆由一个变电所供电的情况下可能产生杂散电流腐蚀的区域。金属的腐蚀程度取决于电流、金属类型和暴露时间 (见第12.5.3节)。在图12.20中，结构接地，也就是隧道接地，没有与回流回路相连，它被作为所有设备元件的保护接地，如三相高压和中压设备以及信号通信设备。

图12.20 直流电气化铁道的回路和接地

1—高中压保护接地; 2—低压保护接地; 3—通信信号系统的接地; 4—雷电保护接地;

+++—可能发生杂散电流腐蚀的区域; △—钢轨的绝缘布置

12.5.2 人身安全

根据 [12.1]，为保证人身安全，三相供电系统故障和钢轨上的电位所产生的接触电压不应超过规定的允许值。在三相交流系统的接地故障中，故障电流通过接地系统流向大地，并在接地装置和大地之间产生电压。那么对地电阻则决定了对地电压和接触电压。

直流牵引电流和短路电流在钢轨上形成了纵向的电压降。在某些情况下，轨电位能达到电压降的值。根据 [12.1]，表4和表5，轨电位不能超过允许接触电压，参见图12.2。

设计直流电气化铁道系统时，要计算运行情况下和短路情况下的轨电位。在很多情况下，必须保证当一个变电所故障时，系统仍能正常运行，而此时的牵引供电是通过相邻变电所的越区供电来实现的。而在这种情况下，轨电位将限制变电所之间的最大距离。

为保证人身安全，在电气化铁道架空接触网区域中，必须提供防雷电保护方案。非直接接触保护与流经线路钢轨的回流问题有关。非直接接触是指人体与暴露在外的正常情况不带电、而在故障情况下带电的导电部件相接触。

为了保证在电气故障下人员和系统的安全，一般推荐采用将这一区域所有导电体都直接连接到走行轨的方法。但是，为了防止或者至少中和杂散电流的腐蚀，没有对地绝缘的导电金属零件不能直接连接到走行轨上。为此，必须安装限压装置，它们形成了到走行轨的短路电流路径，如回流回路，并限制了在故障时可能会形成的电位差。这些装置，也被称之为电压保安器，它们被安装在导体和钢轨之间。正常情况下处于断开状态。

标准EN 50 122-1[12.1] 和EN 50 122-1 [12.13] 是以保护人体不受电击优先于杂散电流腐蚀保护的原则为基础的。这些标准规定： 回流导体和没有对地绝缘的导电装置之间的电阻必须尽可能高。因此，与大地接触的架空接触网支持结构必须通过电压保安器(短路时作用) 与回流回路相连，例如与钢轨相连。不过对于额定电压高达1500V的情况，以及接触网系统双重绝缘或加强绝缘的情况，就不必装电压保安器。

12.5.3 杂散电流保护

12.5.3.1 杂散电流腐蚀的一般信息

钢轨铺设在轨枕上，轨枕下面是道碴，底碴，绝缘层，最后是地面。混凝土板是轨枕和道碴的一种替代方案。钢轨对地的高电阻只在以下情况出现： 新线路铺设在绝缘良好的道碴上、而且土壤是干燥的沙质土壤。在霜雾天气也同样适用。但是，多数情况下，由于轨对地电阻的存在，一部分回流流过大地，土壤充当电解质的角色。因此，在直流电气化铁道系统附近，从钢轨流出的电流会引起金属管道和其它地下装置的杂散电流腐蚀。

在电解质里的每一金属物体，都承受着渗透压和溶解压。通常情况下两者保持平衡。如果这种平衡被电流 (如从钢轨流向大地的电流) 打破，就要发生电化学腐蚀。在这些情况下，会有两种过程同时发生，下面将以铁为例进行解释。这两个过程为

—阳极反应

Fe→Fe+++2e

—阴极反应

当pH值大于7时，1/2O₂+H2O+2e→2OH-

当pH值小于7时，2H++2e→H₂

在阳极反应中，阳极电流Ia从金属流向电解质。在阴极反应中，阴极电流Ik从电解质流向金属。当没有外部电流作用时，下面平衡等式适用于均匀的金属表面在均匀的电解质里的情况