直流牵引系统

—牵引电流最大的1小时平均值。

下标T表示钢轨，S表示隧道结构，E表示大地。

标准VDV 501第3部分 [12.15] 提到了使用上述参数计算轨电位和纵向结构电压的计算机程序。在这个程序中，隧道结构和大地之间的单位长度电导G′_SE被设为零。还有更多更优化的杂散电流计算程序，使用具有分布参数的多功能导体模型，囊括了导体之间(如，结构和管道之间、管道和大地之间或结构和大地之间) 所有可能的单位长度电导值的模型。这样就可以进行结构中、管道中和大地里的杂散电流计算，并在技术上获得优化的解决方案。

12.5.4 杂散电流收集网

根据标准EN 50 122-2 [参考文献12.13]，接地保护和防杂散电流保护的系统设计是以绝缘走行轨以及用于保护接地和杂散电流保护用的接地装置的连续性为基础的，但是也可考虑在隧道、高架桥结构和在采用了钢筋预应力固定的轨道系统中采用极化排流器或者杂散电流收集网，以实现防杂散电流腐蚀的保护。

在图12.26中，杂散电流排流装置通过二极管D1在隧道和走行轨之间形成单向导通以避免这个区域的腐蚀。同时，这种连接减少了杂散电流路径中走行轨和建筑物间的电阻，使总杂散电流增大。流过这些排流装置的直流电流也明显地存在一些不良影响。

图12.26 直流电气化铁道系统中的杂散电流收集网和杂散电流排流装置

在另一个可选方案中，在走行轨下的混凝土层加上钢筋棒，形成杂散电流收集网，它通过杂散电流排流装置——二极管D2与走行轨相连。实际上，杂散电流系统与结构的绝缘总不理想，除非进行加强绝缘。这部分的设计错误很少能被修正。在这些出现错误的位置，电流密度增加，这种情况下，杂散电流散流器D2增加了结构的杂散电流腐蚀危险。

在不使用杂散电流排流装置的情况下也可使用杂散电流收集网。这个独立的杂散电流收集网原则上可减少杂散电流。但是，由于杂散电流收集网上的电位并不固定，因此感应电压可能会干扰轨道解锁系统。而且在短路期间还应保证接触线和杂散电流收集系统之间的保护跳闸，以确保安全。

在欧洲标准EN 50 122-2 [12.13] 里，进行了广泛的比较计算，以查看杂散电流收集网的效果，这些计算证明，杂散电流排流装置将轨电位增加两倍，而杂散电流增加四倍。在隧道系统内的测量结果对该理论研究进行了证实 [12.34]。

曼谷的BTS轨道交通系统的施工和调试是以西门子公司为主完成的 [12.35]。BTS系统是高架铁路，有直流750V的第三轨，人们对它的不同设计方案进行了杂散电流计算，比较了结构钢筋贯通连接的方案和采用排流二极管的杂散电流母线网方案。杂散电流排流装置使得在结构钢筋里的杂散电流量增加了10倍。

研究结果阐述了使用杂散电流收集网排流的方法所涉及的技术问题并需要额外投资。因而不推荐把排流二极管作为防止杂散电流的对策。

12.5.5 直流系统回流回路和接地的设计

12.5.5.1 基本建议

回流回路和接地设备的设计必须满足安全和杂散电流保护的要求。图12.27所示的是在总电路图中为满足这些要求而应采取的措施。

图12.27 直流电气化铁道系统中的回流回路以及相关的接地和接线图

走行轨决定了回流回路的纵向电阻，为使电压降降至最低，轨缝间宜采用焊接并且用低阻轨缝连结将道岔纵向连接，其目的是纵向钢轨电阻的增加不会由于轨缝连结而超过5%。应尽可能利用所有的走行轨作为回流路径，为此，要对钢轨—钢轨，线路—线路间作横向连接。由于每条线路只有一条走行轨可被牵引回流连续使用，所以在正线上采用单轨绝缘的轨道解锁系统是不方便的。

EN 50 122-2标准规定： 回流电路的任一部分都不能进行与未对地绝缘的装置、零件或建筑物的电气连接。

如果为了达到防雷保护的目的，需要与回流回路的连接，则可通过如下方法进行：—开放式牵引接地;

—将要与走行轨相连的零件或元件绝缘。

开放式牵引接地是指导电部件通过限压装置或者常开短路装置与牵引系统接地相连，如果电压超过预先设定的值，则限压装置或者常开短路装置将瞬时或永久导通。

为了将轨电位和杂散电流限制在规定值内，可以采用大截面的走行轨或者沿走行轨敷设电缆 (这条经过绝缘的电缆与走行轨并行，并被连接到走行轨上。) 来减少纵向电阻。

根据 [12.13]，建议在隧道里的走行轨和大地之间的线路单位长度电导要小于100mS/km。这可以在紧固钢轨时选用适当的安装方法和材料来实现。所有与走行轨相连的设备，如轨道解锁系统，转辙机和道岔加热器，都必须对地绝缘。

12.5.5.2 铁路接地系统

建筑物基储隧道结构和高架系统的基础构成了直流电气化铁道的铁路接地系统，也称为结构接地。整个安装的对地电阻应为较低值，使得三相供电系统发生接地故障时产生的电压不会超过允许接触电压。

如图12.27所示，在隧道和高架桥中，沿线路互相连接的钢筋形成了这些装置的结构接地。单相交流短路电流和对杂散电流限制的要求决定了结构的最小电气截面和结构的纵向电阻。实际证明，在与结构可被连接部分并行的地方，安装接地线这种方法比较优越，如图12.27所示。这种接地线易于安装，而且此类贯通连接可用100mV的标准进行校验。

在线路上的地面地段则没有贯通连接的接地系统。车站、变电所、专用建筑甚至接触网的所有支持结构都可作为独立的接地系统。

12.5.5.3 三相供电的接地措施

在单相故障时，通过在三相供电系统的馈电变压器处使用一个星形电阻器，来限制单相短路电流，是保持对地电压为低值的一个好方法。星形电阻器的电阻和尺寸取决于装置的接地电阻。隧道和高架桥系统的对地电阻通常低于100mΩ，因此对地电压也可能低。对于地面段基础尺寸较小的结构，可能需要加装接地棒以满足允许接触电压的要求。